原子有多大?科学家们同意,在ångströms的量级上,但对给定元素给出一个精确的数字是比较棘手的。对于离子和分子,更是如此。

答案来自各种各样的经验来源,从可压缩性和晶体结构到光学折射和电极性,都被用于量化所谓的范德华半径——以提出气体中有限分子大小理论的科学家的名字命名。研究人员还转向了量子力学和计算,计算电子波函数——原子周围的概率云——并使用一个合理的临界值来标记出原子边界。

美国俄勒冈大学的一个研究小组现在提出了一个新的度量标准:围绕每个原子的电场。由克里斯托弗·亨顿他们开发了一个软件包来计算这个电场,这个电场是在原子核和电子的净影响下产生的,并量化它在空间中的范围。

对于中性的、不相互作用的原子,电子的电荷平衡原子核,抵消原子核外的电场。事实上,使用他们基于现场的方法,该团队的计算与既定值一致。亨顿说:“我们与公认的范德华半径非常接近。”这是一次很好的理智检查。”

数字

来源:©Christopher Hendon/俄勒冈大学

Batsanov提出的传统化学原理表明Mg2 +一般来说,阳离子比中性的要小。然而,从电场的角度来看,Mg2 +应该明显大于Mg0,因为电场最终取决于质子与电子的数量之比

用亨顿的话来说,离子是模型“真正变得有趣”的地方,正如Mg的例子所示2 +.在传统的电子密度测量下,由于缺乏外层电子,这种阳离子比中性阳离子更致密。然而,电场图显示了尺寸的增加。这是因为原子核电荷不再被电子完全屏蔽,所以磁场可以进一步扩散到太空中。

亨顿认为,这种方法的优势在于,它对应于离子影响的区域,这可能比它所占据的区域更相关,特别是在选择应用材料时。Mg的结果2 +他认为,这可能解释了镁离子电池性能不佳的原因。“镁会粘附在所有东西上……它不像其他离子那样容易移动。”

对于阴离子,该模型也得出了令人惊讶的结论,尤其是在比较元素时。在基于场的模型下,a Br-离子比I大-,和F-更大。这种逆转发生的原因是溴离子上多余的电子被较大的原子核控制了它的场。亨顿解释说:“你基本上是在用更多的正电荷来稀释负电荷。”

阿尔瓦雷斯西班牙巴塞罗那大学(University of Barcelona, Spain)的电子结构专家巴塞罗(paul paul)告诫人们不要过于逐字逐句地解读。“为了与宏观情况进行比较,我们是否可以将磁铁的大小定义为其磁场的某个截止范围?”他问道。

Alvarez也致力于量化原子大小,他指出电场只是附近原子相互作用的一种方式,鲍林斥力、轨道色散和自旋-自旋相互作用是其他的方法。他还强调了原子成键时可能出现的复杂情况:“我们如何应用铁的半径3 +[Hendon的团队计算约为4.2Å],到FeO等物种45 -阴离子,其中氧原子距离铁原子核仅1.90Å ?”

亨顿热衷于强调,他的方法应该是对现有方法的补充,而不是取代。范德华半径得到了实验数据的支持。这非常有价值。”