Det är ett välkänt faktum att atomradien förväntas öka när man rör sig ner i gruppen av p-blockelement. Gallium är dock ett undantag. Atomradien, dvs metallradien för gallium ($ 135 ~ \ mathrm {pm} $) är mindre än aluminium ($ 143 ~ \ mathrm {pm} $).
Min bok ger följande anledning :
Det beror på närvaron av ytterligare 10 d-elektroner i gallium som ger dålig screeningeffekt för de yttre elektronerna från den ökade kärnkraftsladdningen.
Men om så är fallet, varför är inte effekten samma för de tyngre medlemmarna?
Dessutom måste det finnas något annat som styr denna exceptionella egenskap hos gallium. Kanske strukturen, men jag är inte säker. Kan någon utarbeta?
Kommentarer
- Jag är inte säker på dina värden, men bokförklaringen får mig att tro att gallium har en relativt låg atom radie eftersom 4s, 3d och 4p elektronerna är så nära varandra att 3d inte helt skyddar 4s och p elektronerna från kärnkraftsladdningen. Det är mer som en stor nivå med 13 elektroner.
Svar
Först måste du titta på definition av metallisk radie, som är halva avståndet mellan två atomer i ett galler. Det har ett betydande beroende av kristallstruktur.
Tanget relevant för frågan och andra svar:
Gallium har en ortorhombisk kristallstruktur (CN = 6) medan aluminium har en ansiktscentrerad kubisk kristallstruktur (CN = 12). Denna skillnad i koordination kräver en goldschmidt-korrigering för att jämföra värden som om gallium var 12-koordinerat vilket gör galliumkorrigerad metallradie faktiskt ännu mindre jämfört med aluminium vid ungefär $ \ mathrm {130pm} $.
Gallium finns som ett diatomiskt fast ämne i gitteret, vilket gör att atomerna ligger närmare varandra på en axel eftersom de är kovalent bundna. Galliums kovalenta radie är ungefär $ \ mathrm {122pm} $ vilket är mycket mindre än metallradierna för något av elementen. Detta värde mellan de bundna atomerna sänker det genomsnittliga avståndet mellan atomer som ger gallium en lägre metallradie.
Om du tittar på Van der Waals-radierna för elementen (mer representativ för en monoatomisk gasatom) kommer du se att aluminium faktiskt är mindre men inte mycket, vilket ger d-elektronernas förklaringar viss trovärdighet, men inte en fullständig förklaring med avseende på metallradien.
Svar
För varje ytterligare proton som läggs till en kärna ökar attraktionen mellan kärnan och elektronerna och därmed dras vågfunktionen samman. Denna trend är mest uppenbar när man går horisontellt längs en grupp: en litiumatom är mycket större än en neonatom även om valenselektronerna finns i samma skal – och det är till och med sant för skillnaden mellan bor och neon, om man vill begränsa det till en enda subshell.
Varje gång ett nytt skal öppnas hoppar atomradien uppåt eftersom dessa alltid (dvs. kvantmekanikberäkningar säger det) har ett större bidrag längre bort från kärnan med åtminstone ytterligare en lob. Hittills grunderna.
Vad händer när man går från aluminium till gallium? Vi bör överväga fallet när vi går över det periodiska systemet från motsvarande alkaliska metaller natrium och kalium. Från natrium är det två steg till aluminium men från kalium till gallium är 12 steg – hela 3d-blocket är inklämt däremellan. Således, från en hypotetisk utgångspunkt, upplever vi en mycket större sammandragning när vi når gallium jämfört med aluminium.
Observera att det är irrelevant att 3d-elektronerna är där och ”skärmar”. Avskärmning spelar inte så stor roll som ofta sägs.
Ett annat ”steg” kan upplevas när man går från indium till talium. Här har vi plötsligt 4f-element uppe däremellan och sålunda är radierna av indium och tallium återigen ganska lika.
Svar
Som Josefs kommentar ovan hänvisar till, uppvisar 3d-elektronerna i Gallium dålig avskärmning, vilket orsakar ett fenomen som kallas ”d-blockkontraktion”, vilket ses i element från Ga till Br. Trots att de är i samma grupp som aluminium, introduktion av d-orbital betyder att Ga har signifikant fler protoner (31 vs 13) så den positivt laddade kärnan har ett mycket större drag i Ga än i Al. På grund av d-blockkontraktion kan kärnan utöva mycket större dragkraft på de yttersta s- och p-nivåelektronerna, vilket minskar atomradien.Detta orsakar också att joniseringspotentialen för Ga är högre än Al, när den normala trenden är att joniseringspotentialen ska minska ner i en grupp.