ATOOMVOLUME: HOE HET VARIEERT OP HET PERIODIEK SYSTEEM EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025

Het atomaire volume is een relatieve waarde die de relatie aangeeft tussen de molaire massa van een element en zijn dichtheid. Dit volume hangt dus af van de dichtheid van het element, en de dichtheid hangt op zijn beurt af van de fase en hoe de atomen erin zijn gerangschikt.

Het atomaire volume van een element Z is dus niet hetzelfde in een andere fase dan degene die het vertoont bij kamertemperatuur (vloeibaar, vast of gasvormig), of wanneer het deel uitmaakt van bepaalde verbindingen. Het atomaire volume van Z in verbinding ZA is dus anders dan dat van Z in verbinding ZB.

Waarom? Om het te begrijpen, is het nodig om atomen te vergelijken met bijvoorbeeld knikkers. De knikkers hebben, net als de blauwachtige in de afbeelding hierboven, een zeer goed gedefinieerde materiaalrand, die zichtbaar is dankzij hun glanzende oppervlak. Daarentegen is de grens van de atomen diffuus, hoewel ze op afstand als bolvormig kunnen worden beschouwd.

Wat dus een punt buiten de atomaire grens bepaalt, is de nulkans om een ​​elektron te vinden, en dit punt kan verder of dichter bij de kern liggen, afhankelijk van het aantal naburige atomen rond het betreffende atoom.

Atoomvolume en straal

Als de twee atomen een interactie aangaan met het H H-molecuul in _twee , worden de posities van hun centra gedefinieerd als de afstanden daartussen (internucleaire afstanden). Als beide atomen bolvormig zijn, is de straal de afstand tussen de kern en de vage grens:

In de afbeelding hierboven kun je zien hoe de kans om een ​​elektron te vinden afneemt naarmate het zich van de kern verwijdert. Door de internucleaire afstand door twee te delen, wordt de atoomstraal verkregen. Vervolgens, uitgaande van een sferische geometrie voor de atomen, wordt de formule gebruikt om het volume van een bol te berekenen:

V = (4/3) (Pi) r ³

In deze uitdrukking r de atoomstraal bepaald voor de H ₂ molecuul . De waarde van V berekend door deze onnauwkeurige methode kan veranderen als bijvoorbeeld H ₂ wordt beschouwd in vloeibare of metallische toestand. Deze methode is echter erg onnauwkeurig omdat de vormen van de atomen ver verwijderd zijn van de ideale sfeer in hun interacties.

Om de atomaire volumes in vaste stoffen te bepalen, wordt rekening gehouden met veel variabelen met betrekking tot de rangschikking, die worden verkregen door röntgendiffractiestudies.

Aanvullende formule

Molaire massa geeft de hoeveelheid materie weer met een mol atomen van een chemisch element.

De eenheden zijn g / mol. Aan de andere kant is de dichtheid het volume dat een gram van het element inneemt: g / ml. Omdat de eenheden van atomair volume ml / mol zijn, moeten we met de variabelen spelen om tot de gewenste eenheden te komen:

(g / mol) (ml / g) = ml / mol

Of wat is hetzelfde:

(Molaire massa) (1 / D) = V

(Molaire massa / D) = V

Zo kan het volume van één mol atomen van een element gemakkelijk worden berekend; terwijl de bolvormige volumeformule het volume van een individueel atoom berekent. Om vanaf de eerste waarde tot deze waarde te komen, is een conversie nodig via het nummer van Avogadro (6.02 · 10 ^-23 ).

Hoe varieert het atomaire volume in het periodiek systeem?

Als de atomen als bolvormig worden beschouwd, zal hun variatie dezelfde zijn als die wordt waargenomen in atoomstralen. In de afbeelding hierboven, die representatieve elementen toont, wordt geïllustreerd dat de atomen van rechts naar links kleiner worden; in plaats daarvan worden ze van boven naar beneden volumineuzer.

Dit komt omdat in dezelfde periode de kern protonen opneemt terwijl deze naar rechts beweegt. Deze protonen oefenen een aantrekkingskracht uit op de externe elektronen, die een effectieve nucleaire lading Z _ef voelen , minder dan de werkelijke nucleaire lading Z.

De elektronen van de binnenschil stoten die van de buitenschil af, waardoor het effect van de kern op hen wordt verminderd; dit staat bekend als het schermeffect. In dezelfde periode kan het schermeffect de toename van het aantal protonen niet tegengaan, dus de elektronen in de binnenschil verhinderen niet dat de atomen samentrekken.

Afdalen in een groep maakt echter nieuwe energieniveaus mogelijk, waardoor elektronen verder van de kern kunnen cirkelen. Evenzo neemt het aantal elektronen in de binnenschil toe, waarvan de afschermende effecten beginnen te verminderen als de kern weer protonen toevoegt.

Om deze redenen is het duidelijk dat groep 1A de meest volumineuze atomen heeft, in tegenstelling tot de kleine atomen van groep 8A (of 18), die van de edelgassen.

Atoomvolumes overgangsmetalen

De overgangsmetaalatomen nemen elektronen op in de binnenste d-orbitalen. Deze toename van het schermeffect en, evenals van de werkelijke nucleaire lading Z, heffen bijna evenveel op, zodat hun atomen in dezelfde periode een vergelijkbare grootte behouden.

Met andere woorden: in één periode vertonen overgangsmetalen vergelijkbare atomaire volumes. Deze kleine verschillen zijn echter enorm significant bij het definiëren van metallische kristallen (alsof het metallische knikkers zijn).

Voorbeelden

Er zijn twee wiskundige formules beschikbaar om het atomaire volume van een element te berekenen, elk met bijbehorende voorbeelden.

voorbeeld 1

Gegeven de atoomstraal van waterstof -37 pm (1 picometer = ^10-12 m) - en cesium -265 pm-, bereken hun atomaire volumes.

Met behulp van de bolvormige volumeformule hebben we dan:

V _H = (4/3) (3.14) (37 uur) ³ = 212.07 uur ³

V _Cs = (4/3) (3.14) (265 uur) ³ = 77912297,67 uur ³

Deze volumes uitgedrukt in picometers zijn echter exorbitant, dus worden ze omgezet in eenheden van ångström, vermenigvuldigd met de conversiefactor (1Å / 100pm) ³ :

(212.07 uur ³ ) (1Å / 100 uur) ³ = 2.1207 × ^10-4 A ³

(77912297,67 pm ³ ) (1 A / 100 pm) ³ = 77,912 A ³

De verschillen in grootte tussen het kleine H-atoom en het omvangrijke Cs-atoom worden dus numeriek aangetoond. Opgemerkt moet worden dat deze berekeningen slechts benaderingen zijn onder de bewering dat een atoom volledig bolvormig is, dat voor de werkelijkheid dwaalt.

Voorbeeld 2

De dichtheid van puur goud is 19,32 g / ml en de molaire massa is 196,97 g / mol. Door de M / D-formule toe te passen om het volume van één mol goudatomen te berekenen, wordt het volgende verkregen:

V _Au = (196,97 g / mol) / (19,32 g / ml) = 10,19 ml / mol

Dat wil zeggen, 1 mol goudatomen beslaat 10.19 ml, maar welk volume neemt een goudatoom specifiek in? En hoe het uit te drukken in eenheden van pm ³ ? Pas hiervoor gewoon de volgende omrekenfactoren toe:

(10,19 ml / mol) · (mol / 6,02 · ^10-23 atomen) · (1 m / 100 cm) ³ · (1 pm / ^10-12 m) ³ = 16,92 · 10 ¹⁸ uur ³

Aan de andere kant is de atomaire straal van goud 166 pm. Als beide volumes worden vergeleken - degene die is verkregen met de vorige methode en degene die is berekend met de bolvormige volumeformule - zal blijken dat ze niet dezelfde waarde hebben:

V _Au = (4/3) (3.14) (166 uur) ³ = 19.15 · 10 ¹⁸ uur ³

Welke van de twee ligt het dichtst bij de geaccepteerde waarde? Degene die het dichtst bij de experimentele resultaten komt die zijn verkregen door röntgendiffractie van de kristalstructuur van goud.

Referenties

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (9 december 2017). Atomic Volume-definitie. Opgehaald op 6 juni 2018, van: thoughtco.com
2. Mayfair, Andrew. (13 maart 2018). Hoe het volume van een atoom te berekenen. Wetenschappelijk. Opgehaald op 6 juni 2018, van: sciencing.com
3. Wiki Kids Ltd. (2018). Lothar Meyer Atomic Volume Curves. Opgehaald op 6 juni 2018, van: wonderwhizkids.com
4. Lumen. Periodieke trends: Atomic Radius. Opgehaald op 6 juni 2018, van: courses.lumenlearning.com
5. Camilo J. Derpich. Atoomvolume en dichtheid. Opgehaald op 6 juni 2018, van: es-puraquimica.weebly.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren, p 222-224.
7. Stichting CK-12. (22 februari 2010). Vergelijkende atomaire afmetingen. . Opgehaald op 6 juni 2018, van: commons.wikimedia.org
8. Stichting CK-12. (22 februari 2010). Atoomstraal H ₂ . . Opgehaald op 6 juni 2018, van: commons.wikimedia.org