原子半径について

同周期での原子半径は、
原子番号が大きくなるほど小さくなりますよね？

調べると
「原子番号が増えるにつれ、陽子の数も増えるのでその分引きつける力が強くなり、原子半径は小さくなる」
とありました。


一方、同族の原子半径は原子番号が大きくなるとともに大きくなりますよね？

これも調べたところ、
「電子殻が増えるので大きくなる」
とありました。

同周期でも同族でも、原子番号が増えれば陽子の数も電子殻も増えますよね？
調べても、結局何が原因なのかよくわかりませんでした。

同族で原子番号が大きいほど原子半径も大きくなる理由と、
同周期で原子番号が大きいほど原子半径は小さくなる理由を教えてください。

No.1 ベストアンサー 回答者： むらさめ 回答日時： 2016/07/18 00:45

まず同族の場合ですが、

原子半径は原子番号が大きくなると電子殻の数が増える(電子の軌道が幾重にも重なっていく)為に大きくなります。
例えば1族
H:1s1個
Li:1s2個,2s1個
Na:1s2個,2s2個2p6個3s1個
K:1s2個,2s2個,2p6個,3s2個,3p6個,4s1個
Rb:1s2個,2s2個,2p6個,3s2個,3p6個,3d10個,4s2個,4p6個,5s1個
Cs:1s2個,2s2個,2p6個,3s2個,3p6個,3d10個,4s2個,4p6個,4d10個,5s2個,5p6個,6s1個
Fr:1s2個,2s2個,2p6個,3s2個,3p6個,3d10個,4s2個,4p6個,4d10個,4f14個,5s2個,5p6個,5d10個,6s2個,6p6個,7s1個
となっており、同族の場合は原子番号が大きくなるにつれ電子軌道の殻が幾重にも重なっていき、原子半径が大きくなるのがわかると思います。

同周期の場合、
同じ軌道に電子が入っていくので
第4周期なら
K:4s1個
Ca:4s2個
Sc:4s2個,3d1個　←ここから遷移元素、軌道が増えるのですが原子半径はCaよりも小さくなります
Ti:4s2個,3d2個
V:4s2個,3d3個
Cr:4s1個,3d5個
Mn:4s2個,3d5個
Fe:4s2個,3d6個
Co:4s2個,3d7個
Ni:4s2個,3d8個
Cu:4s2個,3d9個
Zn:4s2個,3d10個
Ga:4s2個,3d10個,4p1個　←軌道が増えるのここで一度原子半径が大きくなります
Ge:4s2個,3d10個,4p2個
As:4s2個,3d10個,4p3個
Se:4s2個,3d10個,4p4個
Br:4s2個,3d10個,4p5個
Kr:4s2個,3d10個,4p6個

同じ電子軌道に電子が詰まっていくので、原子核クーロン力が作用して原子番号が大きくなるにつれて原子半径は小さくなります。
ただし例外の部分もあって、同じ電子軌道に詰まっていく中で同じ軌道の電子同士が反発したりすると前の元素よりも大きくなることがあります。
また、希ガス元素は単原子分子なので、他の元素とは異なり原子半径は同周期の中では大きい方になっています。

「原子番号が増えるにつれ、陽子の数も増えるのでその分引きつける力が強くなり、原子半径は小さくなる」
それは同じ電子軌道に電子が入っていくからですが、電子軌道の中での電子の反発や他の軌道のとの関係で、大きさの前後が入れ替わることもある。

同周期では原子番号がひとつづつ増えていくので、電子を引きつける力が強くなり、原子半径は小さくなるように並び易い。
同族は原子番号が一族の場合、2→8→8→18→18→32と増えていくので電子軌道の殻が幾重にも重なっていくので、
原子核の電子の引きつけの効果よりも軌道が増える方が大きく観測されるということです。

この回答へのお礼

丁寧な回答ありがとうございました！！
どこのサイトを見てもわからなかったのですが、
おかげできちんと理解することが出来ました！

お礼日時：2016/07/18 11:33

No.2 回答者： doc_somday 回答日時： 2016/07/18 08:35

#１の回答者様が丁寧に説明されているので、追加する事は無いのですが、いくつか「基本的」な問題を理解して下さい。

１)殻(軌道)ですが、これは「水素型原子」でしか意味が無いのです。簡単に言えば原子核と電子１つしか「解析的には解けない」つまり三体問題で、後は計算数学の世界になります。現在はパソコンでも十年前のスパコンの性能がありますが、装置を問題に最適化すると云う様な事は出来て居らず、ＣＰＵの複数化で一般的な高速化しか出来ていません。殻は完全に「水素型原子」での答えですから、それを多電子原子に用いるのは「間違っている」のですが、他の「表現の方法が無い」ので現在でもこれが使われて居ます、シュレーディンガー先生の時代から全く変化が無いのです。少なくとも化学では学生には困難過ぎる、院生も物理化学の最先端で相対論的効果を扱う院生以外「理解しても意味が無い」事になって居ます。そこで問題になるのが実在の原子との矛盾でヤン・テラー効果は別にしても、原子の大きさを測定出来る様になったことで混乱が起きます。ご質問者様が混乱したのがこの単電子原子モデルと実在の原子との整合性です。簡単に言えば二十年も前の説明ですが、遮蔽と貫入と言われる矛盾の解説です。遮蔽とは多電子原子の場合最外殻電子一つが自分自身の原子を「見た」場合、少し愉快ですが自分自身が原子核とのクーロン力を邪魔すると言う効果です。貫入の方は相対論的効果と関連しますが、最外殻辺りの軌道の形状が原子核の最も近くに寄れると云う変な効果でこれも本来は矛盾を含んでいます。ですからこの二つの世界を切り別けて理解して下さい。

この回答へのお礼

殼の概念は水素型原子の話なんですね……。
初めて知りました。

回答でおっしゃられている「二つの世界」を切り離すことが大事だと理解しました。
ありがとうございましたm(*_ _)m

お礼日時：2016/07/18 11:38