原子半径与离子半径Atomic and Ionic Radius

原子有多大？

原子没有清晰的边界：电子云越往外越稀薄，并没有一层“外壳”。那怎么量原子的大小？化学家换了个办法：测出两个原子结合在一起时原子核之间的距离，再从核间距推算每个原子的半径。用共价键结合的原子推算出的叫共价半径covalent radius，金属晶体里推算出的叫金属半径。不同的测法、不同的数据表，数值会差几十皮米（1 pm = 10⁻¹² m），所以比较大小时要用同一张表。本网站的原子半径统一用共价半径（Cordero 等，2008）。

原子半径的规律

1.4.5 节已经看到了两条规律，2.3.2 节又给了它们一个统一的解释：

• 同一周期从左到右，原子半径减小。 电子层数相同，有效核电荷增大，最外层电子被拉得更近。第 3 周期：Na 166 pm → Cl 102 pm。
• 同一主族从上到下，原子半径增大。 每往下一个周期多一个电子层，最外层电子离核更远，这个影响胜过核电荷的增加。ⅠA 族：Li 128 pm → Cs 244 pm。
• 过渡元素从左到右，半径变化不大：新增的电子填进内层的 (n−1)d，屏蔽了增加的核电荷，最外层的 ns 电子感受到的吸引变化很小。

离子半径

原子得失电子变成离子，大小会明显改变：

• 阳离子比相应的原子小。 钠原子失去 3s 电子后，整个第 3 能层空了，只剩下 2、8 两层：Na 166 pm，Na⁺ 只有 102 pm。剩下的电子少了，电子之间的排斥也减弱，被 11 个质子拉得更紧。
• 阴离子比相应的原子大。 氯原子得到 1 个电子后，核电荷还是 +17，电子却从 17 个变成 18 个，电子之间的排斥增强，电子云向外扩张：Cl 102 pm，Cl⁻ 181 pm。
• 电子排布相同的离子，核电荷数越大，半径越小。 N³⁻、O²⁻、F⁻、Na⁺、Mg²⁺、Al³⁺ 都有 10 个电子，排布都和氖一样（1s²2s²2p⁶），这样的粒子叫做等电子粒子isoelectronic species。电子数相同，核电荷从 +7 增大到 +13，对电子的吸引越来越强：N³⁻ 146 pm 最大，Al³⁺ 54 pm 最小。

离子半径是从离子晶体里测出来的，和原子的共价半径测法不同，原子和离子之间只能比较大致的大小。不过上面的结论不受影响。

比较大小，可以按这个顺序想：先看电子层数，层数多的大；层数相同，再看核电荷数，核电荷数大的小；核电荷数也相同（同种元素），再看电子数，电子多的大。

切换几组粒子，看圆圈的大小怎样变化；点一个圆，看它的核电荷数、电子数和电子层数：

例题 1：给等电子离子排队

把 S²⁻、Cl⁻、K⁺、Ca²⁺ 按半径从大到小排列。

例题 2：三组比较

比较每组中两种粒子的大小：(1) Li⁺ 和 Na⁺；(2) F⁻ 和 Na⁺；(3) Cl 和 Cl⁻。

常见误区

即时小测

小结

• 原子半径：同周期从左到右减小（有效核电荷增大），同主族从上到下增大（电子层数增加）。
• 阳离子比相应的原子小（失去最外层），阴离子比相应的原子大（电子多了，排斥增强）。
• 等电子粒子：核电荷数越大，半径越小。比较大小的顺序是：先看电子层数，再看核电荷数，最后看电子数。