Raggio atomico: andamento periodico e raggi ionici

Il raggio atomico misura quanto «grande» è un atomo. Sembra una proprietà banale, ma il suo andamento nella tavola periodica spiega gran parte della chimica degli elementi: perché certi metalli reagiscono più facilmente, perché gli ioni cambiano dimensione, come si impacchettano gli atomi in un solido. Ed è il punto di partenza per capire tutte le altre periodicità, perché energia di ionizzazione ed elettronegatività seguono il raggio.

Vediamo come si definisce il raggio atomico, come varia lungo i periodi e lungo i gruppi, perché varia così e che cosa succede quando un atomo diventa uno ione.

Che cosa si intende per raggio atomico

Definire le dimensioni di un atomo è meno semplice di quanto sembri, perché la nube elettronica non ha un confine netto. In pratica si misura la metà della distanza tra i nuclei di due atomi identici legati o a contatto: per i metalli si parla di raggio metallico, per le molecole di raggio covalente. Quale che sia la definizione, ciò che conta è l’andamento, cioè come il raggio cambia spostandosi nella tavola periodica.

Andamento lungo il periodo: diminuisce

Spostandosi da sinistra a destra lungo un periodo, il raggio atomico diminuisce. Può sembrare controintuitivo, perché aggiungiamo elettroni, ma il punto è che aggiungiamo anche protoni, e gli elettroni in più entrano tutti nello stesso livello. La carica nucleare cresce mentre il numero di gusci resta lo stesso: il nucleo, più carico, attira più forte gli elettroni e contrae la nube. Questo aumento di attrazione netta si chiama aumento della carica nucleare efficace.

lungo il periodo → il raggio diminuisce  ·  lungo il gruppo ↓ il raggio aumenta

Così, nel secondo periodo, il litio (a sinistra) è molto più grande del fluoro (a destra), pur avendo entrambi gli elettroni di valenza nello stesso livello n = 2. È un effetto regolare e prevedibile, che rende il raggio uno degli andamenti più affidabili della tavola periodica.

Andamento lungo il gruppo: aumenta

Scendendo lungo un gruppo, il raggio atomico aumenta. Qui la ragione è immediata: a ogni riga si aggiunge un nuovo livello principale, quindi gli elettroni di valenza si trovano in gusci sempre più lontani dal nucleo. Anche se la carica nucleare cresce, gli elettroni interni schermano efficacemente quelli esterni, che «sentono» un’attrazione netta non molto diversa ma a una distanza maggiore. Il litio è piccolo, il sodio più grande, il potassio ancora di più.

Combinando i due effetti, gli atomi più piccoli si trovano in alto a destra (vicino al fluoro) e i più grandi in basso a sinistra (vicino al cesio e al francio). Questo semplice quadro permette di stimare a colpo d’occhio la dimensione relativa di due elementi qualsiasi senza consultare tabelle.

I raggi ionici: cosa cambia quando si forma uno ione

Quando un atomo diventa uno ione, le sue dimensioni cambiano in modo prevedibile. Un catione (ione positivo, ha perso elettroni) è sempre più piccolo dell’atomo neutro: perdendo elettroni, spesso svuota l’intero guscio esterno e i protoni in eccesso contraggono gli elettroni rimasti. Un anione (ione negativo, ha acquistato elettroni) è sempre più grande dell’atomo neutro: gli elettroni aggiunti aumentano la repulsione reciproca e la nube si espande.

Per le specie isoelettroniche — ioni con lo stesso numero di elettroni, come Na⁺, Mg²⁺, O²−, F− — il raggio dipende dalla carica nucleare: più protoni ci sono, più gli elettroni vengono attratti e più piccolo è lo ione. Così, tra specie con dieci elettroni, l’anione O²− è il più grande e il catione Mg²⁺ il più piccolo. Comprendere i raggi ionici è essenziale per prevedere la struttura dei solidi cristallini e la solubilità dei sali, e collega direttamente la dimensione atomica alle proprietà macroscopiche dei materiali.

Raggio: regola, causa e direzione

La tabella riassume i due andamenti del raggio atomico, la loro causa fisica e l’effetto sulle dimensioni:

Questi quattro casi coprono quasi tutte le situazioni pratiche: una volta interiorizzati, si può stimare la dimensione relativa di qualunque coppia di atomi o ioni e prevedere come si dispongono in una struttura solida.

Domande frequenti

Perché il raggio atomico diminuisce lungo un periodo?

Perché lungo un periodo si aggiungono protoni al nucleo e gli elettroni in più entrano tutti nello stesso livello, senza aggiungere gusci. La carica nucleare efficace percepita dagli elettroni di valenza cresce, il nucleo li attira più forte e la nube elettronica si contrae. Per questo il fluoro è molto più piccolo del litio, pur essendo nello stesso periodo.

Perché il raggio aumenta lungo un gruppo?

Perché scendendo lungo un gruppo si aggiunge a ogni riga un nuovo livello principale: gli elettroni di valenza si trovano in gusci sempre più lontani dal nucleo. Gli elettroni interni schermano quelli esterni, che sentono un’attrazione netta simile ma a distanza maggiore. Per questo il potassio è più grande del sodio, che a sua volta è più grande del litio.

I cationi e gli anioni hanno lo stesso raggio dell’atomo neutro?

No. Un catione è sempre più piccolo dell’atomo da cui deriva, perché perdendo elettroni (spesso svuotando il guscio esterno) i protoni contraggono gli elettroni rimasti. Un anione è sempre più grande, perché gli elettroni aggiunti aumentano la repulsione reciproca e dilatano la nube elettronica.

Che cos’è la carica nucleare efficace?

È la carica positiva netta che un elettrone di valenza percepisce davvero, pari alla carica totale del nucleo meno l’effetto schermante degli elettroni interni. Lungo un periodo cresce, perché si aggiungono protoni senza aggiungere gusci schermanti: è la causa principale della contrazione del raggio e dell’aumento dell’energia di ionizzazione.

Come si confrontano i raggi di ioni isoelettronici?

Gli ioni isoelettronici hanno lo stesso numero di elettroni, quindi a fare la differenza è la carica nucleare: più protoni ha lo ione, più gli elettroni sono attratti e più piccolo risulta. Nella serie O²−, F−, Na⁺, Mg²⁺ (tutti con dieci elettroni), il raggio diminuisce progressivamente: O²− è il più grande, Mg²⁺ il più piccolo.