Il volume atomico è un valore relativo che indica la relazione tra la massa molare di un elemento e la sua densità. Quindi questo volume dipende dalla densità dell'elemento e la densità dipende a sua volta dalla fase e da come sono disposti gli atomi al suo interno..
Quindi il volume atomico per un elemento Z non è lo stesso in una fase diversa da quella che esibisce a temperatura ambiente (liquida, solida o gassosa), o quando fa parte di determinati composti. Pertanto, il volume atomico di Z nel composto ZA è diverso da quello di Z nel composto ZB.
Perché? Per capirlo, è necessario confrontare gli atomi con, ad esempio, le biglie. I marmi, come quelli bluastri nell'immagine sopra, hanno un bordo materico molto ben definito, visibile grazie alla loro superficie lucida. Al contrario, il confine degli atomi è diffuso, sebbene possano essere considerati remotamente sferici.
Quindi, ciò che determina un punto oltre il confine atomico è la probabilità nulla di trovare un elettrone, e questo punto può essere più o più vicino al nucleo a seconda di quanti atomi vicini interagiscono attorno all'atomo in esame..
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Interagendo due atomi di H nella molecola H.Due, vengono definite le posizioni dei loro nuclei e le distanze tra loro (distanze internucleari). Se entrambi gli atomi sono sferici, il raggio è la distanza tra il nucleo e il confine sfocato:
Nell'immagine sopra puoi vedere come la probabilità di trovare un elettrone diminuisce man mano che si allontana dal nucleo. Quindi dividendo la distanza internucleare per due, si ottiene il raggio atomico. Successivamente, assumendo una geometria sferica per gli atomi, la formula viene utilizzata per calcolare il volume di una sfera:
V = (4/3) (Pi) r3
In questa espressione r è il raggio atomico determinato per la molecola H.Due. Il valore di V calcolato con questo metodo impreciso può cambiare se, ad esempio, si considera H.Due allo stato liquido o metallico. Tuttavia, questo metodo è molto impreciso perché le forme degli atomi sono molto lontane dalla sfera ideale nelle loro interazioni..
Per determinare i volumi atomici nei solidi, vengono prese in considerazione molte variabili riguardanti la disposizione e che sono ottenute da studi di diffrazione di raggi X..
La massa molare esprime la quantità di materia che ha una mole di atomi di un elemento chimico.
Le sue unità sono g / mol. D'altra parte, la densità è il volume che occupa un grammo dell'elemento: g / mL. Poiché le unità di volume atomico sono mL / mol, devi giocare con le variabili per arrivare alle unità desiderate:
(g / mol) (mL / g) = mL / mol
O qual è lo stesso:
(Massa molare) (1 / D) = V
(Massa molare / D) = V
Pertanto, il volume di una mole di atomi di un elemento può essere facilmente calcolato; mentre con la formula del volume sferico si calcola il volume di un singolo atomo. Per arrivare a questo valore dal primo, è necessaria una conversione tramite il numero di Avogadro (6.02 · 10-2. 3).
Se gli atomi sono considerati sferici, la loro variazione sarà la stessa di quella osservata nei raggi atomici. Nell'immagine sopra, che mostra elementi rappresentativi, è illustrato che da destra a sinistra gli atomi si rimpiccioliscono; invece, dall'alto verso il basso diventano più voluminosi.
Questo perché nello stesso periodo il nucleo incorpora i protoni mentre si sposta verso destra. Questi protoni esercitano una forza attrattiva sugli elettroni esterni, che percepiscono un'efficace carica nucleare Zef, inferiore alla carica nucleare effettiva Z.
Gli elettroni dei gusci interni respingono quelli del guscio esterno, riducendo l'effetto del nucleo su di essi; questo è noto come effetto schermo. Nello stesso periodo, l'effetto schermo non può contrastare l'aumento del numero di protoni, quindi gli elettroni nel guscio interno non impediscono agli atomi di contrarsi..
Tuttavia, la discesa in un gruppo consente nuovi livelli di energia, che consentono agli elettroni di orbitare più lontano dal nucleo. Allo stesso modo, aumenta il numero di elettroni nel guscio interno, i cui effetti di schermatura iniziano a diminuire se il nucleo aggiunge di nuovo protoni..
Per questi motivi, si apprezza che il gruppo 1A abbia gli atomi più voluminosi, a differenza dei piccoli atomi del gruppo 8A (o 18), quello dei gas nobili..
Gli atomi di metalli di transizione incorporano elettroni negli orbitali interni d. Questo aumento dell'effetto schermo e, così come della carica nucleare reale Z, si annullano quasi allo stesso modo, in modo che i loro atomi mantengano dimensioni simili nello stesso periodo..
In altre parole: in un periodo, i metalli di transizione mostrano volumi atomici simili. Tuttavia, queste piccole differenze sono enormemente significative quando si definiscono i cristalli metallici (come se fossero marmi metallici).
Sono disponibili due formule matematiche per calcolare il volume atomico di un elemento, ciascuna con i suoi esempi corrispondenti.
Dato il raggio atomico dell'idrogeno -37 pm (1 picometro = 10-12m) - e cesio -265 pm-, calcola i loro volumi atomici.
Usando la formula del volume sferico, abbiamo quindi:
VH= (4/3) (3,14) (37 pm)3= 212.07 pm3
VCs= (4/3) (3,14) (265 pm)3= 77912297.67 pm3
Tuttavia, questi volumi espressi in picometri sono esorbitanti, quindi vengono trasformati in unità di angstrom, moltiplicandoli per il fattore di conversione (1Å / 100pm)3:
(212.07 pm3) (1Å / 100pm)3= 2,1207 × 10-4 PER3
(77912297.67 pm3) (1Å / 100pm)3= 77,912 Å3
Pertanto, le differenze di dimensione tra il piccolo atomo di H e il grosso atomo di Cs sono evidenziate numericamente. Va tenuto presente che questi calcoli sono solo approssimazioni sotto l'affermazione che un atomo è totalmente sferico, che vaga di fronte alla realtà.
La densità dell'oro puro è 19,32 g / mL e la sua massa molare è 196,97 g / mol. Applicando la formula M / D per calcolare il volume di una mole di atomi d'oro, si ottiene quanto segue:
VAu= (196,97 g / mol) / (19,32 g / mL) = 10,19 mL / mol
Cioè, 1 mole di atomi d'oro occupa 10,19 mL, ma quale volume occupa specificamente un atomo d'oro? E come esprimerlo in unità di pm3? Per questo, applica semplicemente i seguenti fattori di conversione:
(10,19 mL / mol) · (mol / 6,02 · 10-2. 3 atomi) · (1 m / 100 cm)3(13:00 / 10-12m)3= 16,92 · 106 p.m3
D'altra parte, il raggio atomico dell'oro è di 166 pm. Se si confrontano entrambi i volumi - quello ottenuto con il metodo precedente e quello calcolato con la formula del volume sferico - si troverà che non hanno lo stesso valore:
VAu= (4/3) (3,14) (166 pm)3= 19,15 · 106 p.m3
Quale dei due è più vicino al valore accettato? Quello più vicino ai risultati sperimentali ottenuti dalla diffrazione di raggi X della struttura cristallina dell'oro.
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