Збуджений» стан атома. Йони. Радіуси атомів і йонів

Всі електронні конфігурації, про які говорилося вище, є конфігураціями з найменшою енергією або як їх ще називають основні. При поглинанні енергії ззовні, один або кілька електронів можуть підвищувати свою енергію, піднімаючись на більш високі за енергією рівні. Такі стани атома називаються збудженими. Перехід атома в збуджений стан відбувається при опроміненні або нагріванні речовини. Збуджений стан атома є нестійким. Через деякий час електрон втрачає енергію, переходить на енергетичну орбіталь з меншою енергією, випускаючи при цьому квант світла. Наприклад, у своєму основному стані атом Хлора має наступну електронну конфігурацію: $^{35}_{17}Cl – 1s^22s^22p^63s^23p^53d^0$ При поглинанні атомом енергії відбувається збільшення енергії електронів і вони «перескакують» з нижчого підрівня на вільні орбіталі підрівня з більш високою енергією, «розпаровуючись» при цьому. Атом Хлора переходить в перший збуджений стан. $^{35}_{17}Cl – 1s^22s^22p^63s^23p^53d^0$ - $^{35}_{17}Cl – 1s^22s^22p^63s^23p^43d^1$ Другий збуджений стан: $^{35}_{17}Cl – 1s^22s^22p^63s^23p^43d^1$ - $^{35}_{17}Cl – 1s^22s^22p^63s^23p^33d^2$ , тощо… У збуджений стан атом, як правило, переходить при утворенні ним зв'язку з іншими атомами (при утворенні хімічного зв'язку), віддаючи електрони або приймаючи їх. При цьому електронейтральний атом перетворюється у заряджену частинку, яка має назву йон. При віддачі електронів йон заряджується позитивно, при прийомі ― негативно. Йон ― це заряджена частинка, яка утворюється в результаті віддачі або прийняття електронів атомом або групою атомів. Позитивно заряджені йони називаються катіонами, а негативно заряджені йони ― аніонами. Про процеси прийому і віддачі електронів атомами, а також про йони ми будемо говорити більш докладно при вивченні наступних розділів загальної хімії. Важливою характеристикою атомів і йонів також є їхні радіуси. Атомний радіус ― це радіус сфери, всередині якої міститься ядро атома і 95% густини всієї електронної хмари, яка оточує ядро. Знову нагадаємо, що атомний радіус ― це умовне поняття (ми знаємо і пам'ятаємо, що електронна хмара атома не має чіткої межі), воно тільки дозволяє судити про розміри атома. Чисельні значення атомних радіусів різних хімічних елементів знаходять експериментально, аналізуючи відстані між ядрами пов'язаних між собою атомів (тобто довжини хімічних зв'язків). Радіуси атомів вимірюють, зазвичай, в нанометрах (нм), 1 нм = $10^{–9}$ м, або в пікометрах (пм), $1 пм = 10^{–12}$ м, або в ангстремах $(Å), 1 Å = 10^{–10}$ м. Йoнний радіус. Радіуси йонів відрізняються від атомних радіусів відповідних елементів. Втрата атомами електронів призводить до зменшення їхніх «розмірів», а приєднання надлишкових електронів ― до збільшення. Тому радіус позитивно зарядженого йона (катіона) завжди менше, а радіус негативно зарядженого йона (аніона) завжди більший за радіус відповідного електронейтрального атома. Так, радіус атома Калія становить 0,236 нм, а радіус йона $K^+$ ― 0,133 нм; радіуси атома Хлора і хлорид-іона $Сl^–$ відповідно дорівнюють 0,099 і 0,181 нм. Розміри йонних радіусів відповідають наступним закономірностям:

Для одного і того ж елемента йонний радіус зростає зі збільшенням негативного заряду і зменшується зі збільшенням позитивного заряду. Радіус аніона більший за радіус катіона, оскільки в аніоні є надлишок електронів, а в катіоні ― нестача. Наприклад, у Fe, $$Fe^{2+}, Fe^{3+}$$ радіус дорівнює 0,126, 0,080 і 0,067 нм відповідно, у $$Si^{4−}, Si, Si^{4+}$$ ― 0,198, 0,118 і 0,040 нм відповідно.

Всередині одного вертикального ряду (групи) періодичної системи радіуси йонів з однаковим зарядом збільшуються зі зростанням атомного номера, оскільки зростає число електронних оболонок, отже, і розмір атома.

Розміри атомів та йонів змінюются періодично відповідно до структури періодичної системи Д.І.Менделєєва (про яку ми найдокладнішим чином поговоримо у наступному розділі).