電子やイオンの大きさについて、お教えください。

Question

高校生レベルの知識でお答えいただければうれしいです。わかりやすいご説明をよろしくお願いいたします。
ア）元素の周期表の１，２，１３，１４，１５，１６，１７族について、第３周期の元素（Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ）の「原子半径」がだんだん小さくなっています。これは、原子核の中の陽子の数と、原子核の外の電子の総数が、それぞれ１つずつ増加しますので、同一周期では同一電子殻（Ｍ殻）であり、電気的な力であるクーロン力が増えていくので、原子の半径がだんだん小さくなることが理解できます。クーロン力の大きさは、電荷の大きさの積に比例し、距離の２乗に反比例しますから。
＜質問１＞、第３周期の、「１８族の原子（アルゴンＡｒ）の原子半径が１７族の原子（塩素Ｃｌ）の原子半径より大きくなっていること」が理解できません。
上のア）の考えからすると、「電気的な力であるクーロン力の大きさを考えれば、陽子も電子も１個ずつ多いですから、１８族の原子（アルゴンＡｒ）の原子半径が１７族の原子（塩素Ｃｌ）の原子半径より小さくなるはず」です。
イ）第２周期の１，２族の各原子半径が、それらの各原子の陽イオンの半径より大きいです。これは、各陽イオンは各原子に比べて、電子殻が一つ下のものになるので、イオン半径の方が原子半径より小さいことが理解できます。
＜質問２＞第２周期の１６，１７族の原子（酸素Ｏ、フッ素Ｆ）について、「陰イオンの半径が原子半径より大きくなっていること。」が理解できません。
電気的な力であるクーロン力の大きさを考えれば、原子核の陽子の数が同じでも、陰イオンの方が、電子の数が１個多いので、クーロン力がより強く働き、陰イオンの半径の方が小さくなると予想されます。

jupi-tor · Accepted Answer

＜質問２＞回答：これは考えやすいと思います。まず第3周期において原子番号が増えるほど原子半径が小さくなるのは電子とともに陽子も増えているので引力が増し、電子が中心に引き寄せられるためです。酸素イオンやフッ素イオンでは増えているのは電子のみのため電子同士の反発力が大きくなり、原子半径は逆に大きくなります。

と説明しましたが、実際はイオンの半径はイオン半径。原子の半径はファンデルワールス半径と厳密には違う定義であるため、そのまま比べること自体に実は無理があります。原子の大きさを測るということは実は雲の大きさを測ろうとしているようなもので、定義や測定法次第で半径に違いが出てきます。(興味があるなら「電子雲」と言う言葉を調べてみてはどうでしょう？)

＜質問１＞：こっちは厄介です。直感的には私もそう思いますので。希ガスでは閉殻構造といって最外殻電子が満員になっているので、電子同士による反発の影響があるのか…申し訳ないですが、ちょっと高校生には説明できそうもありません。

w-palace · Answer

質問１について
No.1のご回答にもありますように、原子半径の定義というのが、少々あいまいです。すなわち、希ガスの場合にはファンデルワールス半径が用いられますし、それ以外では共有結合半径が用いられます。
たとえば、Clの共有結合半径というのはCl2分子の結合距離の半分と言うことになります。
分子模型などで、原子が少しつぶれたような形になっているのを見たことがあるかと思います。イメージとしては結合の形成によって、原子が少しつぶれたようになり、そのつぶれた分だけ、共有結合半径の方が短くなります。
こういったことが、大きさの逆転する理由でしょう。

質問２について
原子核と電子が引き合っているとは言っても、量子力学上の制約があります。いわゆる電子殻が形成されるのも、その制約によるものです。もしもそれがなければ、電子は原子核と衝突してしまいます。
さて、問題のケースですが、上述の量子力学的な制約によって、通常、後からはいる電子は外側の軌道に入ります。
たとえば、FがF-になる際に入ってくる電子は、もっとも外側の軌道に入ります。そうすると、その軌道の内側にある電子によって、原子核の正電荷が遮蔽され、原子核に引き寄せられる力が弱くなり、軌道が原子核から離れてしまいます。その結果として、半径が大きくなってしまうのでしょう。
また、No.1のご回答のような要因もあるかもしれません。それと、厳密に言えば上述の議論は正しいとは言えないのですが、定性的にはそのように理解されることになると思います。

Kemi33 · Answer

では，質問２について。といっても，#1 さんが要点は回答されているんですが・・・

　質問２の方も #1 さんがお書きの『厳密には違う定義であるため、そのまま比べること自体に実は無理があります。原子の大きさを測るということは実は雲の大きさを測ろうとしているようなもので、定義や測定法次第で半径に違いが出てきます。』が理由です。

　分子を作る原子の場合は，種々の分子の「共有結合半径」を元に「原子半径」を算出しています。一方，分子を作らない18属原子の場合，「ファン・デル・ワールス半径」を「原子半径」として用いています。

　共有結合を作った場合，核と核の間に存在する電子によって両方の核が引きつけられ，核間の距離は「原子単独で存在する場合の半径の和（＝ファン・デル・ワールス半径）」よりも小さくなります。つまり，「共有結合半径」から求めた「原子半径」は「ファン・デル・ワールス半径」よりも小さくなります。

　逆に見れば，『１８族の原子（アルゴンＡｒ）の原子半径が１７族の原子（塩素Ｃｌ）の原子半径より大きくなっている』事になります。

　下記のページにも類似の質問がありますので参考にしてみてください。

　・http://sv.e-sensei.ne.jp/~ashida/cgi-bin/ques-box.cgi
　　質問箱　「質問176の回答」

　・http://okweb.jp/kotaeru.php3?q=823153
　　No.823153 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

参考URL：http://okweb.jp/kotaeru.php3?q=1598102

電子やイオンの大きさについて、お教えください。

＜質問２＞回答：これは考えやすいと思います。

質問１について

では，質問２について。

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