原野: 说到化学,我脑子里总会浮现出那个元素周期表,五颜六色的。但有个事我一直没想太明白,就是那些原子,它们的大小到底是怎么变化的?比如从1号变到18号,是不是越来越大?
晓曼: 诶,这个问题特别好。直觉上会觉得原子序数越大,原子就该越大,但实际上,这个规律要复杂得多。它其实是一个先变小,再突然变大的波浪形趋势。
原野: 哦?先变小后变大?这听起来有点反直觉。在同一个周期里,为什么会变小呢?
晓曼: 这个嘛,关键就在于原子核和电子的“拔河比赛”。在同一个周期里,比如从锂到氖,你每增加一个原子序数,原子核里的质子就多一个,正电荷就增强了。这就好比拔河队里,核心的力量变强了,它就能把外围的电子拉得更紧,所以整个原子半径就收缩了。
原野: 我明白了,核的力量变强了。那为什么到了下一个周期,比如从氖到钠,半径又会“突然变大”呢?
晓曼: 这就是因为“场地”变了。进入新的周期,意味着电子要跑到更外面的一个新电子层上去。你就想,虽然原子核的力量也在增加,但你给电子换了个更大的轨道,这个“层”的增加带来的影响是压倒性的,所以半径一下子就“嘭”地一下大了一圈。
原野: 原来如此,一个是拉力,一个是距离。那如果原子本身不变,只是它变成了离子,比如钠原子丢了个电子,或者氯原子多了个电子,它们的大小又会怎么变?
晓曼: 这个变化就更有意思了。还是用拔河来比喻。钠原子变成钠离子,是丢掉了一个最外层的电子。你想,原子核里11个质子的拉力没变,但现在只需要拉10个电子了,那是不是对剩下的每个电子都能拉得更紧?所以钠离子的半径,就比钠原子要小。
原野: 哦,这说得通。那反过来,氯原子得到一个电子呢?
晓曼: 完全相反。氯原子核里17个质子,本来管着17个电子,现在硬塞给它第18个电子。首先,原子核有点力不从心了;其次,电子之间都是带负电的,互相排斥,地方就这么大,突然多来一个“人”,大家就更挤了,电子云只能向外膨胀。所以,氯离子的半径就比氯原子要大。
原野: 这么一说就清晰多了。所以如果我们想比较不同微粒的大小,有没有一个简单好记的规则?
晓曼: 当然有,记住一个“三看”原则就行,这是一个有优先级的判断方法。
原野: 哦?哪三看?
晓曼: 第一,也是最重要的,先看电子层数。谁的电子层多,谁就大,这通常是决定性的。如果层数一样,那就进入第二步,看核电荷数。
原野: 在层数相同的情况下,核电荷数越大,拉力越强,所以半径就越小,对吧?
晓曼: 完全正确。那如果碰上极端情况,电子层数和核电荷数都一样呢?那就看第三步:看核外电子数。电子越多,互相排斥得越厉害,半径就越大。
原野: 我来总结一下。所以说,决定原子和离子半径大小的,首先是电子层数这个“大框架”,其次是核电荷数这个“向心力”,最后才是电子数带来的“排斥力”。
晓曼: 总结得非常到位。搞清楚了这“三看”法,揭秘这些微粒半径大小的变化,就变得非常简单了。简单说,阳离子通常比它的“前身”小,而阴离子会比它的“前身”大。电子层数永远是老大,它决定了基础尺寸。