原子の大きさについて

質問

どんな元素でも、原子の大きさが約１Åぐらいになるのは何故でしょうか？原子番号が大きくなるにつれ、電子が増えるから、大きくなりそうな感じがするんですけど・・・。

回答No.3

siegmund · ベストアンサー

コトは意外に複雑です．

まず，半径を大きくする要素から行きましょう．
電子が多くなるから --- そのとおりです．
電子の軌道状態は，1s，2s，2p，3s，3p, 3d，・・・・
とありまして，エネルギーの低い方から順に電子が詰められていきます．
１つの軌道には２個の電子(スピンがあるので２個)しか入れません．
で，上の軌道になるほど平均軌道半径が大きくなりますから，
原子番号(＝電子数)Ｚが大きくなれば原子の半径は大きくなります．
電子同士のクーロン反発力は直接の原因でなくて，
高い軌道に電子が入るようになるのが本質です．
スピンまで考慮に入れて，１つの状態に電子が１個しか入れないのは
パウリの原理と呼ばれています．

さて，原子番号Ｚは原子核中の陽子の数でもあります．
したがって，原子番号が増えると原子核の電荷が大きくなり，
より強く電子を引きつけます．
したがって，原子半径は小さくなります．

両方の要素のバランスで実際の半径が決まるのは
rei00 さんの言われるとおりです．

同じ属の元素の順で見ると，
原子番号Ｚが大きいほど確かにイオン半径も大きくなります．
例えば，アルカリ元素で見ると，
Li+ → イオン半径 0.60Å
Na+ → イオン半径 0.95Å
K+ → イオン半径 1.33Å
Rb+ → イオン半径 1.48Å
Cs+ → イオン半径 1.69Å
です．
アルカリ土類金属をみると
Be(2+) → イオン半径 0.31Å
Mg(2+) → イオン半径 0.65Å
Ca(2+) → イオン半径 0.99Å
Sr(2+) → イオン半径 1.13Å
Ba(2+) → イオン半径 1.35Å
です．これも同じ傾向．
ところで，アルカリ金属とアルカリ土類金属を比べてみて下さい．
Li (Z=3) の次が Be (Z=4)
Na (Z=11) の次が Mg (Z=12)
以下同様です．
原子番号の増えたアルカリ土類金属の方がイオン半径が小さくなって
いますよね．
これが，Ｚが増えたために原子核の引力が強くなった効果の現れです．
Na+ と Mg(2+) の電子配置は同じであることに注意して下さい．
どちらも Ne と同じ (2s)^2 (2p)^6 ですから．

ランタニド元素では，先に外側の 6s 軌道が満たされていて，
La, Ce, Pr，・・・・ と進むにつれて，
内側の 4f や 5d の軌道が満たされてゆく，
という状況になっています．
Ｚが大きくなっても外側が変わらず，
原子核の引力が大きくなるだけですから，
Ｚの増加につれて原子半径はどんどん小さくなっていきます．
これをランタニド収縮と呼んでいます．
似たことはアクチニド元素でも起こっています．

お礼

詳しく説明していただいて、とてもよく分かりました。
ありがとうございました。