Объясните изменение радиуса в ряду атомов элементов. Составьте полные электронные формулы атомов элементов, покажите распределение электронов по энергетическим ячейкам. B: 0,91 Al: 1,42 Ga: 1,39

Элементы B, Al и Ga находятся в 13-й группе периодической системы. На внешнем энергетическом уровне у всех атомов одинаковое строение:

Однако число энергетических уровней и экранирование заряда ядра различаются, поэтому атомные радиусы изменяются неравномерно:

1. Бор B

Порядковый номер:

Следовательно, в нейтральном атоме бора находится 5 электронов.

Полная электронная формула:

Распределение электронов по энергетическим уровням:

Распределение по энергетическим ячейкам:

1s  [↑↓]
2s  [↑↓]     2p  [↑] [ ] [ ]

На первом уровне находятся 2 электрона, на втором — 3 электрона. У атома бора всего два энергетических уровня, поэтому внешний электрон расположен сравнительно близко к ядру. Кроме того, внутренний уровень содержит только два электрона и слабо экранирует заряд ядра. Поэтому атомный радиус бора небольшой:

2. Алюминий Al

Порядковый номер:

В нейтральном атоме алюминия находится 13 электронов.

Полная электронная формула:

Распределение электронов по энергетическим уровням:

Распределение по энергетическим ячейкам:

1s  [↑↓]
2s  [↑↓]     2p  [↑↓] [↑↓] [↑↓]
3s  [↑↓]     3p  [↑]  [ ]   [ ]

У алюминия уже три энергетических уровня. По сравнению с бором внешний электрон алюминия находится на третьем уровне, то есть значительно дальше от ядра. Внутренние электронные слои экранируют притяжение внешних электронов к ядру.

Поэтому при переходе от бора к алюминию атомный радиус резко увеличивается:

Главная причина увеличения — появление нового энергетического уровня.

3. Галлий Ga

Порядковый номер:

В нейтральном атоме галлия находится 31 электрон.

Полная электронная формула:

Эту же формулу по номерам энергетических уровней можно записать так:

Распределение электронов по энергетическим уровням:

Распределение по энергетическим ячейкам:

1s  [↑↓]
2s  [↑↓]     2p  [↑↓] [↑↓] [↑↓]
3s  [↑↓]     3p  [↑↓] [↑↓] [↑↓]
4s  [↑↓]
3d  [↑↓] [↑↓] [↑↓] [↑↓] [↑↓]
4p  [↑]  [ ]   [ ]

У галлия четыре энергетических уровня, поэтому можно было бы ожидать, что его атомный радиус будет заметно больше радиуса алюминия. Однако радиус галлия немного меньше:

Это объясняется наличием у галлия полностью заполненного подуровня:

Электроны $3d$-подуровня сравнительно слабо экранируют заряд ядра. При переходе от алюминия к галлию заряд ядра возрастает с $+13$ до $+31$, но добавившиеся $3d$-электроны недостаточно эффективно защищают внешние $4s$- и $4p$-электроны от притяжения ядра. Поэтому эффективный заряд ядра, действующий на внешние электроны, увеличивается, и электронная оболочка немного сжимается. Это явление называют d-сжатием, или d-контракцией.

Итоговое изменение радиусов

При переходе от B к Al радиус значительно увеличивается, потому что появляется третий энергетический уровень:

При переходе от Al к Ga появляется четвертый энергетический уровень, но одновременно заполняется $3d$-подуровень. Его электроны слабо экранируют заряд ядра, поэтому усиливается притяжение внешних электронов и радиус галлия оказывается немного меньше радиуса алюминия.