Rayon ionique - Ionic radius
Types de rayons |
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Le rayon ionique , r ion , est le rayon d'un ion monoatomique dans une structure cristalline ionique . Bien que ni les atomes ni les ions n'aient de limites nettes, ils sont traités comme s'il s'agissait de sphères dures avec des rayons tels que la somme des rayons ioniques du cation et de l'anion donne la distance entre les ions dans un réseau cristallin . Les rayons ioniques sont généralement donnés en unités de picomètres (pm) ou d' angströms (Å), avec 1 = 100 pm. Les valeurs typiques vont de 31 pm (0,3 ) à plus de 200 pm (2 ).
Le concept peut être étendu aux ions solvatés dans les solutions liquides en tenant compte de la couche de solvatation .
Les tendances
X - | NaX | AgX |
---|---|---|
F | 464 | 492 |
Cl | 564 | 555 |
Br | 598 | 577 |
Paramètres de maille unitaire (en pm , égaux à deux longueurs de liaison M–X) pour les halogénures de sodium et d'argent. Tous les composés cristallisent dans la structure NaCl . |
Les ions peuvent être plus gros ou plus petits que l'atome neutre, selon la charge électrique de l'ion . Lorsqu'un atome perd un électron pour former un cation, les autres électrons sont plus attirés par le noyau et le rayon de l'ion devient plus petit. De même, lorsqu'un électron est ajouté à un atome, formant un anion, l'électron ajouté augmente la taille du nuage d'électrons par répulsion interélectronique.
Le rayon ionique n'est pas une propriété fixe d'un ion donné, mais varie avec le nombre de coordination , l' état de spin et d'autres paramètres. Néanmoins, les valeurs de rayon ionique sont suffisamment transférables pour permettre de reconnaître des tendances périodiques . Comme pour les autres types de rayons atomiques , les rayons ioniques augmentent en descendant un groupe . La taille ionique (pour le même ion) augmente également avec l'augmentation du nombre de coordination, et un ion dans un état de spin élevé sera plus grand que le même ion dans un état de spin faible . En général, le rayon ionique diminue avec l'augmentation de la charge positive et augmente avec l'augmentation de la charge négative.
Un rayon ionique "anormal" dans un cristal est souvent le signe d'un caractère covalent important dans la liaison. Aucune liaison n'est complètement ionique, et certains composés supposés « ioniques », en particulier des métaux de transition , ont un caractère particulièrement covalent. Ceci est illustré par les paramètres des mailles unitaires pour les halogénures de sodium et d' argent dans le tableau. Sur la base des fluorures, on dirait que Ag + est plus grand que Na + , mais sur la base des chlorures et des bromures, l'inverse semble vrai. En effet, le caractère plus covalent des liaisons dans AgCl et AgBr réduit la longueur de liaison et donc le rayon ionique apparent de Ag + , un effet qui n'est pas présent dans les halogénures du sodium plus électropositif , ni dans le fluorure d'argent dans lequel le l'ion fluorure est relativement non polarisable .
Détermination
La distance entre deux ions dans un cristal ionique peut être déterminée par cristallographie aux rayons X , qui donne les longueurs des côtés de la maille élémentaire d'un cristal. Par exemple, la longueur de chaque bord de la maille élémentaire de chlorure de sodium est de 564,02 pm. Chaque bord de la maille élémentaire du chlorure de sodium peut être considéré comme ayant les atomes disposés comme Na + ∙∙∙Cl − ∙∙∙Na + , de sorte que le bord est le double de la séparation Na-Cl. Par conséquent, la distance entre les ions Na + et Cl − est la moitié de 564,02 pm, soit 282,01 pm. Cependant, bien que la cristallographie aux rayons X donne la distance entre les ions, elle n'indique pas où se trouve la limite entre ces ions, elle ne donne donc pas directement les rayons ioniques.
Landé a estimé les rayons ioniques en considérant des cristaux dans lesquels l'anion et le cation ont une grande différence de taille, comme LiI. Les ions lithium sont tellement plus petits que les ions iodure que le lithium s'insère dans les trous du réseau cristallin, permettant aux ions iodure de se toucher. C'est-à-dire que la distance entre deux iodures voisins dans le cristal est supposée être le double du rayon de l'ion iodure, qui a été déduit à 214 pm. Cette valeur peut être utilisée pour déterminer d'autres rayons. Par exemple, la distance inter-ionique dans RbI est de 356 pm, ce qui donne 142 pm pour le rayon ionique de Rb + . De cette manière, des valeurs pour les rayons de 8 ions ont été déterminées.
Wasastjerna a estimé les rayons ioniques en considérant les volumes relatifs d'ions déterminés à partir de la polarisabilité électrique déterminée par les mesures de l' indice de réfraction . Ces résultats ont été prolongés par Victor Goldschmidt . Wasastjerna et Goldschmidt ont tous deux utilisé une valeur de 132 pm pour l' ion O 2− .
Pauling a utilisé une charge nucléaire efficace pour proportionner la distance entre les ions en rayons anioniques et cationiques. Ses données donnent à l' ion O 2− un rayon de 140 pm.
Un examen majeur des données cristallographiques a conduit à la publication de rayons ioniques révisés par Shannon. Shannon donne différents rayons pour différents nombres de coordination et pour les états de spin élevé et faible des ions. Pour être cohérent avec les rayons de Pauling, Shannon a utilisé une valeur de r ion (O 2− ) = 140 pm; les données utilisant cette valeur sont appelées rayons ioniques « efficaces ». Cependant, Shannon inclut également des données basées sur r ion (O 2− ) = 126 pm; les données utilisant cette valeur sont appelées rayons ioniques « cristallins ». Shannon déclare que « on pense que les rayons cristallins correspondent plus étroitement à la taille physique des ions dans un solide. » Les deux ensembles de données sont répertoriés dans les deux tableaux ci-dessous.
Nombre | Nom | symbole | 3– | 2– | 1- | 1+ | 2+ | 3+ | 4+ | 5+ | 6+ | 7+ | 8+ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Hydrogène | H | 208 | -4 (2) | |||||||||
3 | Lithium | Li | 90 | ||||||||||
4 | Béryllium | Être | 59 | ||||||||||
5 | Bore | B | 41 | ||||||||||
6 | Carbone | C | 30 | ||||||||||
7 | Azote | N | 132 (4) | 30 | 27 | ||||||||
8 | Oxygène | O | 126 | ||||||||||
9 | Fluor | F | 119 | 22 | |||||||||
11 | Sodium | N / A | 116 | ||||||||||
12 | Magnésium | mg | 86 | ||||||||||
13 | Aluminium | Al | 67,5 | ||||||||||
14 | Silicium | Si | 54 | ||||||||||
15 | Phosphore | P | 58 | 52 | |||||||||
16 | Soufre | S | 170 | 51 | 43 | ||||||||
17 | Chlore | Cl | 167 | 26 (3py) | 41 | ||||||||
19 | Potassium | K | 152 | ||||||||||
20 | Calcium | Californie | 114 | ||||||||||
21 | Scandium | Sc | 88,5 | ||||||||||
22 | Titane | Ti | 100 | 81 | 74,5 | ||||||||
23 | Vanadium | V | 93 | 78 | 72 | 68 | |||||||
24 | chrome ls | Cr | 87 | 75,5 | 69 | 63 | 58 | ||||||
24 | Chrome hs | Cr | 94 | ||||||||||
25 | Manganèse ls | Mn | 81 | 72 | 67 | 47 (4) | 39,5 (4) | 60 | |||||
25 | Manganèse hs | Mn | 97 | 78,5 | |||||||||
26 | fer ls | Fe | 75 | 69 | 72,5 | 39 (4) | |||||||
26 | fer hs | Fe | 92 | 78,5 | |||||||||
27 | Cobalt ls | Co | 79 | 68,5 | |||||||||
27 | Cobalt hs | Co | 88,5 | 75 | 67 | ||||||||
28 | nickel ls | Ni | 83 | 70 | 62 | ||||||||
28 | Nickel hs | Ni | 74 | ||||||||||
29 | Le cuivre | Cu | 91 | 87 | 68 litres | ||||||||
30 | Zinc | Zn | 88 | ||||||||||
31 | Gallium | Géorgie | 76 | ||||||||||
32 | Germanium | Gé | 87 | 67 | |||||||||
33 | Arsenic | Comme | 72 | 60 | |||||||||
34 | Sélénium | Se | 184 | 64 | 56 | ||||||||
35 | Brome | Br | 182 | 73 (4sq) | 45 (3py) | 53 | |||||||
37 | Rubidium | Rb | 166 | ||||||||||
38 | Strontium | Sr | 132 | ||||||||||
39 | Yttrium | Oui | 104 | ||||||||||
40 | Zirconium | Zr | 86 | ||||||||||
41 | Niobium | Nb | 86 | 82 | 78 | ||||||||
42 | Molybdène | Mo | 83 | 79 | 75 | 73 | |||||||
43 | Technétium | Tc | 78,5 | 74 | 70 | ||||||||
44 | Ruthénium | Ru | 82 | 76 | 70,5 | 52 (4) | 50 (4) | ||||||
45 | Rhodié | Rhésus | 80,5 | 74 | 69 | ||||||||
46 | Palladium | PD | 73 (2) | 100 | 90 | 75,5 | |||||||
47 | Argent | Ag | 129 | 108 | 89 | ||||||||
48 | Cadmium | CD | 109 | ||||||||||
49 | Indium | Dans | 94 | ||||||||||
50 | Étain | Sn | 83 | ||||||||||
51 | Antimoine | Sb | 90 | 74 | |||||||||
52 | Tellure | Te | 207 | 111 | 70 | ||||||||
53 | Iode | je | 206 | 109 | 67 | ||||||||
54 | Xénon | Xe | 62 | ||||||||||
55 | Césium | Cs | 181 | ||||||||||
56 | Baryum | Ba | 149 | ||||||||||
57 | Lanthane | La | 117,2 | ||||||||||
58 | Cérium | Ce | 115 | 101 | |||||||||
59 | Praséodyme | Pr | 113 | 99 | |||||||||
60 | Néodyme | nd | 143 (8) | 112.3 | |||||||||
61 | Prométhium | après-midi | 111 | ||||||||||
62 | Samarium | SM | 136 (7) | 109,8 | |||||||||
63 | Europium | UE | 131 | 108,7 | |||||||||
64 | Gadolinium | Dieu | 107.8 | ||||||||||
65 | Terbium | To | 106,3 | 90 | |||||||||
66 | Dysprosium | Dy | 121 | 105,2 | |||||||||
67 | Holmium | Ho | 104,1 | ||||||||||
68 | Erbium | Euh | 103 | ||||||||||
69 | Thulium | Tm | 117 | 102 | |||||||||
70 | Ytterbium | Yb | 116 | 100,8 | |||||||||
71 | Lutécium | Lu | 100,1 | ||||||||||
72 | Hafnium | Hf | 85 | ||||||||||
73 | Tantale | Ta | 86 | 82 | 78 | ||||||||
74 | Tungstène | W | 80 | 76 | 74 | ||||||||
75 | Rhénium | Ré | 77 | 72 | 69 | 67 | |||||||
76 | Osmium | Os | 77 | 71,5 | 68,5 | 66,5 | 53 (4) | ||||||
77 | Iridium | Je | 82 | 76,5 | 71 | ||||||||
78 | Platine | pt | 94 | 76,5 | 71 | ||||||||
79 | Or | Au | 151 | 99 | 71 | ||||||||
80 | Mercure | Hg | 133 | 116 | |||||||||
81 | Thallium | Tl | 164 | 102,5 | |||||||||
82 | Mener | Pb | 133 | 91,5 | |||||||||
83 | Bismuth | Bi | 117 | 90 | |||||||||
84 | Polonium | Pô | 108 | 81 | |||||||||
85 | Astatine | À | 76 | ||||||||||
87 | Francium | Fr | 194 | ||||||||||
88 | Radium | Ra | 162 (8) | ||||||||||
89 | Actinium | c.a. | 126 | ||||||||||
90 | Thorium | E | 108 | ||||||||||
91 | Protactinium | Pennsylvanie | 116 | 104 | 92 | ||||||||
92 | Uranium | U | 116,5 | 103 | 90 | 87 | |||||||
93 | Neptunium | Np | 124 | 115 | 101 | 89 | 86 | 85 | |||||
94 | Plutonium | Pu | 114 | 100 | 88 | 85 | |||||||
95 | Américium | Un m | 140 (8) | 111,5 | 99 | ||||||||
96 | Curium | Cm | 111 | 99 | |||||||||
97 | Berkélium | Noir | 110 | 97 | |||||||||
98 | Californie | Cf. | 109 | 96,1 | |||||||||
99 | Einsteinium | Es | 92,8 |
Nombre | Nom | symbole | 3– | 2– | 1- | 1+ | 2+ | 3+ | 4+ | 5+ | 6+ | 7+ | 8+ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Hydrogène | H | 139,9 | −18 (2) | |||||||||
3 | Lithium | Li | 76 | ||||||||||
4 | Béryllium | Être | 45 | ||||||||||
5 | Bore | B | 27 | ||||||||||
6 | Carbone | C | 16 | ||||||||||
7 | Azote | N | 146 (4) | 16 | 13 | ||||||||
8 | Oxygène | O | 140 | ||||||||||
9 | Fluor | F | 133 | 8 | |||||||||
11 | Sodium | N / A | 102 | ||||||||||
12 | Magnésium | mg | 72 | ||||||||||
13 | Aluminium | Al | 53,5 | ||||||||||
14 | Silicium | Si | 40 | ||||||||||
15 | Phosphore | P | 212 | 44 | 38 | ||||||||
16 | Soufre | S | 184 | 37 | 29 | ||||||||
17 | Chlore | Cl | 181 | 12 (3py) | 27 | ||||||||
19 | Potassium | K | 138 | ||||||||||
20 | Calcium | Californie | 100 | ||||||||||
21 | Scandium | Sc | 74,5 | ||||||||||
22 | Titane | Ti | 86 | 67 | 60,5 | ||||||||
23 | Vanadium | V | 79 | 64 | 58 | 54 | |||||||
24 | chrome ls | Cr | 73 | 61,5 | 55 | 49 | 44 | ||||||
24 | Chrome hs | Cr | 80 | ||||||||||
25 | Manganèse ls | Mn | 67 | 58 | 53 | 33 (4) | 25,5 (4) | 46 | |||||
25 | Manganèse hs | Mn | 83 | 64,5 | |||||||||
26 | fer ls | Fe | 61 | 55 | 58,5 | 25 (4) | |||||||
26 | fer hs | Fe | 78 | 64,5 | |||||||||
27 | Cobalt ls | Co | 65 | 54,5 | |||||||||
27 | Cobalt hs | Co | 74,5 | 61 | 53 | ||||||||
28 | nickel ls | Ni | 69 | 56 | 48 | ||||||||
28 | Nickel hs | Ni | 60 | ||||||||||
29 | Le cuivre | Cu | 77 | 73 | 54 litres | ||||||||
30 | Zinc | Zn | 74 | ||||||||||
31 | Gallium | Géorgie | 62 | ||||||||||
32 | Germanium | Gé | 73 | 53 | |||||||||
33 | Arsenic | Comme | 58 | 46 | |||||||||
34 | Sélénium | Se | 198 | 50 | 42 | ||||||||
35 | Brome | Br | 196 | 59 (4 pieds carrés) | 31 (3py) | 39 | |||||||
37 | Rubidium | Rb | 152 | ||||||||||
38 | Strontium | Sr | 118 | ||||||||||
39 | Yttrium | Oui | 90 | ||||||||||
40 | Zirconium | Zr | 72 | ||||||||||
41 | Niobium | Nb | 72 | 68 | 64 | ||||||||
42 | Molybdène | Mo | 69 | 65 | 61 | 59 | |||||||
43 | Technétium | Tc | 64,5 | 60 | 56 | ||||||||
44 | Ruthénium | Ru | 68 | 62 | 56,5 | 38 (4) | 36 (4) | ||||||
45 | Rhodié | Rhésus | 66,5 | 60 | 55 | ||||||||
46 | Palladium | PD | 59 (2) | 86 | 76 | 61,5 | |||||||
47 | Argent | Ag | 115 | 94 | 75 | ||||||||
48 | Cadmium | CD | 95 | ||||||||||
49 | Indium | Dans | 80 | ||||||||||
50 | Étain | Sn | 118 | 69 | |||||||||
51 | Antimoine | Sb | 76 | 60 | |||||||||
52 | Tellure | Te | 221 | 97 | 56 | ||||||||
53 | Iode | je | 220 | 95 | 53 | ||||||||
54 | Xénon | Xe | 48 | ||||||||||
55 | Césium | Cs | 167 | ||||||||||
56 | Baryum | Ba | 135 | ||||||||||
57 | Lanthane | La | 103.2 | ||||||||||
58 | Cérium | Ce | 101 | 87 | |||||||||
59 | Praséodyme | Pr | 99 | 85 | |||||||||
60 | Néodyme | nd | 129 (8) | 98,3 | |||||||||
61 | Prométhium | après-midi | 97 | ||||||||||
62 | Samarium | SM | 122 (7) | 95,8 | |||||||||
63 | Europium | UE | 117 | 94,7 | |||||||||
64 | Gadolinium | Dieu | 93,5 | ||||||||||
65 | Terbium | To | 92,3 | 76 | |||||||||
66 | Dysprosium | Dy | 107 | 91,2 | |||||||||
67 | Holmium | Ho | 90,1 | ||||||||||
68 | Erbium | Euh | 89 | ||||||||||
69 | Thulium | Tm | 103 | 88 | |||||||||
70 | Ytterbium | Yb | 102 | 86,8 | |||||||||
71 | Lutécium | Lu | 86,1 | ||||||||||
72 | Hafnium | Hf | 71 | ||||||||||
73 | Tantale | Ta | 72 | 68 | 64 | ||||||||
74 | Tungstène | W | 66 | 62 | 60 | ||||||||
75 | Rhénium | Ré | 63 | 58 | 55 | 53 | |||||||
76 | Osmium | Os | 63 | 57,5 | 54,5 | 52,5 | 39 (4) | ||||||
77 | Iridium | Je | 68 | 62,5 | 57 | ||||||||
78 | Platine | pt | 80 | 62,5 | 57 | ||||||||
79 | Or | Au | 137 | 85 | 57 | ||||||||
80 | Mercure | Hg | 119 | 102 | |||||||||
81 | Thallium | Tl | 150 | 88,5 | |||||||||
82 | Mener | Pb | 119 | 77,5 | |||||||||
83 | Bismuth | Bi | 103 | 76 | |||||||||
84 | Polonium | Pô | 223 | 94 | 67 | ||||||||
85 | Astatine | À | 62 | ||||||||||
87 | Francium | Fr | 180 | ||||||||||
88 | Radium | Ra | 148 (8) | ||||||||||
89 | Actinium | c.a. | 112 | ||||||||||
90 | Thorium | E | 94 | ||||||||||
91 | Protactinium | Pennsylvanie | 104 | 90 | 78 | ||||||||
92 | Uranium | U | 102,5 | 89 | 76 | 73 | |||||||
93 | Neptunium | Np | 110 | 101 | 87 | 75 | 72 | 71 | |||||
94 | Plutonium | Pu | 100 | 86 | 74 | 71 | |||||||
95 | Américium | Un m | 126 (8) | 97,5 | 85 | ||||||||
96 | Curium | Cm | 97 | 85 | |||||||||
97 | Berkélium | Noir | 96 | 83 | |||||||||
98 | Californie | Cf. | 95 | 82,1 | |||||||||
99 | Einsteinium | Es | 83,5 |
Modèle à sphère molle
Cation, M | R M | Anion, X | R X |
---|---|---|---|
Li + | 109,4 | Cl − | 218.1 |
Non + | 149,7 | Br − | 237,2 |
Pour de nombreux composés, le modèle des ions sous forme de sphères dures ne reproduit pas la distance entre les ions, , avec la précision avec laquelle elle peut être mesurée dans les cristaux. Une approche pour améliorer la précision calculée consiste à modéliser les ions sous forme de « sphères molles » qui se chevauchent dans le cristal. Parce que les ions se chevauchent, leur séparation dans le cristal sera inférieure à la somme de leurs rayons de sphère molle.
La relation entre les rayons ioniques de la sphère molle, et , et , est donnée par
,
où est un exposant qui varie avec le type de structure cristalline. Dans le modèle de la sphère dure, serait 1, donnant .
MX | Observé | Modèle à sphère molle |
---|---|---|
LiCl | 257.0 | 257.2 |
LiBr | 275.1 | 274,4 |
NaCl | 282,0 | 281,9 |
NaBr | 298,7 | 298,2 |
Dans le modèle de la sphère molle, a une valeur comprise entre 1 et 2. Par exemple, pour les cristaux d'halogénures du groupe 1 avec la structure chlorure de sodium , une valeur de 1,6667 donne un bon accord avec l'expérience. Certains rayons ioniques de sphère molle sont dans le tableau. Ces rayons sont plus grands que les rayons cristallins donnés ci-dessus (Li + , 90 pm; Cl − , 167 pm). Les séparations inter-ioniques calculées avec ces rayons donnent un accord remarquablement bon avec les valeurs expérimentales. Certaines données sont données dans le tableau. Curieusement, aucune justification théorique de l'équation contenant n'a été donnée.
Ions non sphériques
Le concept de rayons ioniques est basé sur l'hypothèse d'une forme ionique sphérique. Cependant, d'un point de vue de la théorie des groupes, l'hypothèse n'est justifiée que pour les ions qui résident sur des sites de réseau cristallin à haute symétrie comme Na et Cl dans la halite ou Zn et S dans la sphalérite . Une distinction nette peut être faite, lorsque le groupe de symétrie ponctuelle du site de réseau respectif est considéré, qui sont les groupes cubes O h et T d en NaCl et ZnS. Pour les ions sur des sites de symétrie inférieure, des écarts importants de leur densité électronique par rapport à une forme sphérique peuvent se produire. Cela vaut en particulier pour les ions sur les sites de réseau de symétrie polaire, qui sont les groupes ponctuels cristallographiques C 1 , C 1 h , C n ou C nv , n = 2, 3, 4 ou 6. Une analyse approfondie de la géométrie de la liaison a été récemment réalisé pour les composés de type pyrite , où les ions chalcogènes monovalents résident sur les sites du réseau C 3 . Il a été trouvé que les ions chalcogènes doivent être modélisés par des distributions de charge ellipsoïdales avec des rayons différents le long de l'axe de symétrie et perpendiculairement à celui-ci.
Voir également
- orbitale atomique
- Rayons atomiques des éléments
- Équation de naissance
- Rayon covalent
- Potentiel ionique
- Rapport de rayon ionique
- Électride
- Les règles de Pauling
- Rayon de Stokes