原子半径が原子番号が増えるにつれて小さくなっていく理由

質問

タイトルのままなんですが、化学(1)(2)・Bの新研究にも乗っていませんでした。Okwebで検索し、１件該当しましたが、適当なものと詳しすぎてわからないものだったので質問します。

電子が増えるので電子同士の反発によって、一見半径は大きくなるように思いました。しかし、原子半径はどんどん小さくなっていきます。これは陽子数が増えるにつれて電子１個分反発よりも陽子１個分の電子との引き合う力の方が大きいからだと考えてみました。
合ってますか?理論は難しいみたいなんですが・・・

あと、１８族が急に原子半径が大きくなるのは、安定しているからと、納得していないまま覚えてしまっています。これもなぜなんですか？

最後にAr K Co Ni Te Iですが原子量が下がっているのはなぜですか?

高校３年でもわかるよう説明お願いします。

回答No.2

aromer111 · ベストアンサー

高校3年じゃ無理です。
大学１年生の無機化学で習うのでそれまで我慢だね！

回答No.5

Julius

＞原子半径についてですが、クーロン力で説明できると聞きました。
＞でもいまいち納得行きませんでした。

陽子と電子間のクーロン力のみに着目すれば一応説明できるのです。

典型元素であれば、共有結合を形成して電子を共有することにより、
同一周期内の各原子がクーロン力で支配する電子は全く同じ数になります。
(LiやBe,Bが作り出す共有結合化合物は、まず高校では習いませんが、
配位結合や2電子3中心結合が関与します)
だからイオン結合と同様に、陽子の数が増すとクーロン力が強くなり、
原子半径の大きさも小さくなります。
同一の族内であれば、電子の数が増えると、電子間反発により
原子半径やイオン半径が増すと説明できます。

>電子が増えるので電子同士の反発によって、一見半径は大きくなるように思いました。

実のところこういう疑問が出て当然です。上の説明では、
「共有結合」という言葉により、無理矢理原子内の電子の数を増やして
説明したわけですが、一個辺りの原子にのみ着目すれば、
陽子の数と電子の数は同じです。

高校生の範囲を少し越えてしまいますが、電子はスピンと呼ばれる自転を
しています(この辺細かく突っ込むと色々あるんですが、まあそう思って下さい)。
電荷を持つ物体が自転しているので、自転軸上に磁場が発生します。
そのため二つの電子がペアを組んで安定化します。
そしてそのことが共有結合という結合を生む原因となります。
つまり電子間には、クーロン力という斥力と、スピン-スピン相互作用という引力の
二つが働いているのです。
更に事実として電子にはK,L,M...殻とかs,p,d,f...とかいった軌道が存在し、
一つの軌道の中に二つの電子が収まらないという事態が発生します。
このことが磁場を生み、磁性を生み、永久磁石という物性を生み出します。

スピン-スピン相互作用は、陽子間や中性子間にも存在します(核磁気NMR:
去年のノーベル賞のMRIもこれを利用している。)が、
原子核の安定には核力と呼ばれる力がより関与しています。
この辺は、物理の問題となります。

>最後にAr K Co Ni Te Iですが原子量が下がっているのはなぜですか?

の辺りは、原子核の安定性の議論となり、
私の大学生教養レベルの物理では説明できません。
これに関しては物理の方で質問した方が良いでしょう。

回答No.4

Julius

下でB-H結合の例としてジボランを出したのは、
よく考えてみたら不適切でしたね。

テトラヒドロホウ酸イオン[BH4]^-という、
BH3の空の軌道にヒドリドH^-が配位した錯イオンの方を引用するべきでした。

回答No.3

Julius

原子量・安定同位体の問題は原子核物理の問題なので、
私には答えられませんが、前半の原子半径の問題について答えます。

原子半径の定義に注意して下さい。
これは複数の原子間で共有結合が形成された際に、
それぞれの原子が表面で接する球であると仮定した時の
球の半径の平均値、「共有結合半径」です。
ところが、高校の教科書に載っている原子半径の表では、
なぜか18族元素だけ、
「ファンデルワールス半径」で代用されています。
つまり標準的には共有結合を形成しない18族元素を無理矢理
表に入れているだけですので、
同じ土俵で比較してはいけないのです。

共有結合によって、他の原子と電子を共有することにより、
一つの原子核に支配される最外殻の電子の数は、
典型元素の場合、標準的(正4面体構造)には8個となります。
だから、B, C, N, O, Fの水素化合物を比較した場合、
中心の原子核の陽子の数が少ないほど共有結合半径が広がるので、
B2H6 > CH4 > NH3 > H2O > HF
となります。
(ジボランB2H6の構造と電子状態については、詳しい参考書に出ていると思います。
平均すればB-H距離はC-H間距離よりも大きくなります。)
BeH2, LiHは、イオン性の化合物なので、
ビス(アセチルアセトナト)ベリリウムBe(CH3COCHCOCH3)2
ブチルリチウムLi4[C(CH3)3]4
などの錯体、有機金属試薬の共有結合(配位結合を含む)から
共有結合半径が求まります。

補足

回答ありがとうございます。
原子半径についてですが、クーロン力で説明できると聞きました。でもいまいち納得行きませんでした。
有機を実はまだやっていないんですよね・・・ｗ

回答No.1

noname#21649

＞高校３年でもわかるよう説明
できないので.化学系教師が結構出入りしているサイトを紹介します。
http://com.nifty.com/forum/FCHEM/top.go
常駐（多分シスオペ）の方のサイトは
http://www.geocities.co.jp/Technopolis/2515/