Passiver Transport ist der Transport von Stoffen entlang eines Konzentrationsgradienten, der keine Energie benötigt. Hydrophobe Substanzen werden passiv durch die Lipiddoppelschicht transportiert. Alle Proteinkanäle und einige Träger leiten Substanzen passiv durch sich hindurch. Der passive Transport unter Beteiligung von Membranproteinen wird als erleichterte Diffusion bezeichnet.

Andere Trägerproteine ​​(manchmal auch Pumpenproteine ​​genannt) transportieren Substanzen durch die Membran auf Kosten von Energie, die normalerweise durch ATP-Hydrolyse bereitgestellt wird. Diese Art des Transports erfolgt entgegen dem Konzentrationsgradienten der transportierten Substanz und wird als aktiver Transport bezeichnet.

Symport, Antiport und Uniport

Der Membrantransport von Stoffen unterscheidet sich auch in der Richtung ihrer Bewegung und der Menge der von diesem Träger transportierten Stoffe:

1) Uniport - Transport eines Stoffes in eine Richtung je nach Steigung

2) Symport - Transport von zwei Substanzen in einer Richtung durch einen Träger.

3) Antiport - die Bewegung zweier Substanzen in verschiedene Richtungen durch einen Träger.

Uniport führt beispielsweise einen spannungsabhängigen Natriumkanal durch, durch den Natriumionen während der Erzeugung eines Aktionspotentials in die Zelle gelangen.

Symport führt einen Glukosetransporter aus, der sich auf der äußeren (dem Darmlumen zugewandten) Seite der Zellen des Darmepithels befindet. Dieses Protein fängt gleichzeitig ein Glukosemolekül und ein Natriumion ein und transportiert beide Substanzen unter Änderung seiner Konformation in die Zelle. Dabei wird die Energie des elektrochemischen Gradienten genutzt, der wiederum durch die Hydrolyse von ATP durch die Natrium-Kalium-ATP-ase entsteht.

Gegenhafen führt zum Beispiel Natrium-Kalium-ATPase (oder natriumabhängige ATPase) aus. Es transportiert Kaliumionen in die Zelle. und aus der Zelle - Natriumionen.

Arbeit von Natrium-Kalium atPase als Beispiel für Antiport und aktiven Transport

Dieser Träger bindet zunächst drei Ionen an die Innenseite der Membran N / A+ . Diese Ionen verändern die Konformation des aktiven Zentrums der ATPase. Nach einer solchen Aktivierung ist die ATPase in der Lage, ein ATP-Molekül zu hydrolysieren, und das Phosphation wird von der Innenseite der Membran auf der Oberfläche des Trägers fixiert.

Die freigesetzte Energie wird für die Änderung der ATPase-Konformation aufgewendet, danach drei Ionen N / A+ und Ion (Phosphat) befinden sich auf der Außenseite der Membran. Hier die Ionen N / A+ abgespalten und durch zwei Ionen ersetzt K+ . Dann ändert sich die Konformation des Trägers in die ursprüngliche und die Ionen K+ erscheinen auf der Innenseite der Membran. Hier die Ionen K+ werden abgespalten und der Spediteur ist wieder einsatzbereit.

Kurz gesagt können die Wirkungen von ATPase wie folgt beschrieben werden:

1) Es „nimmt“ drei Ionen aus dem Inneren der Zelle N / A+ , spaltet dann das ATP-Molekül und bindet Phosphat an sich selbst

2) "Wirft" Ionen aus N / A+ und fügt zwei Ionen hinzu K+ aus der äußeren Umgebung.

3) Entfernt Phosphat, zwei Ionen K+ wirft in die Zelle

Dadurch entsteht in der extrazellulären Umgebung eine hohe Konzentration an Ionen. N / A+ , und in der Zelle - eine hohe Konzentration K+ . Arbeit N / A + , K+ - ATPase erzeugt nicht nur einen Konzentrationsunterschied, sondern auch einen Ladungsunterschied (es funktioniert wie eine elektrogene Pumpe). Auf der Außenseite der Membran entsteht eine positive Ladung und auf der Innenseite eine negative Ladung.

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Bei Tieren mit einem geschlossenen Gefäßsystem wird die extrazelluläre Flüssigkeit herkömmlicherweise in zwei Komponenten unterteilt:

1) interstitielle Flüssigkeit
2) zirkulierendes Blutplasma.

Interstitielle Flüssigkeit ist der Teil der extrazellulären Flüssigkeit, der sich außerhalb des Gefäßsystems befindet und die Zellen umspült.

Etwa 1/3 des gesamten Körperwassers ist extrazelluläre Flüssigkeit, die restlichen 2/3 sind intrazelluläre Flüssigkeit.

Konzentrationen von Elektrolyten und kolloidalen Substanzen unterscheiden sich signifikant in Plasma, interstitiellen und intrazellulären Flüssigkeiten. Die ausgeprägtesten Unterschiede bestehen in dem relativ niedrigen Gehalt an anionischen Proteinen in der interstitiellen Flüssigkeit im Vergleich zu intrazellulärer Flüssigkeit und Blutplasma und höheren Konzentrationen von Natrium und Chlor in der interstitiellen Flüssigkeit und Kalium in der intrazellulären Flüssigkeit.

Die ungleiche Zusammensetzung verschiedener flüssiger Medien des Körpers ist größtenteils auf die Natur der sie trennenden Barrieren zurückzuführen. Zellmembranen trennen die intrazelluläre Flüssigkeit von der extrazellulären Flüssigkeit, während Kapillarwände die interstitielle Flüssigkeit vom Plasma trennen. Über diese Barrieren hinweg kann ein Stofftransport stattfinden passiv durch Diffusion, Filtration und Osmose sowie durch aktiven Transport.

Passiver Transport

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Reis. 1.12 Arten des passiven und aktiven Stofftransports durch die Membran.

Schematisch sind die Hauptarten des Stofftransports durch die Zellmembran in Abb. 1.12 dargestellt

Abb.1.12 Arten des passiven und aktiven Stofftransports durch die Membran.

3 - erleichterte Verbreitung,

Passive Übertragung von Stoffen durch Zellmembranen erfordert keine Aufwendung von Stoffwechselenergie.

Arten des passiven Transports

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Arten des passiven Stofftransports:

• einfache Diffusion
• Osmose
• Diffusion von Ionen
• Erleichterte Diffusion

einfache Diffusion

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Diffusion ist der Prozess, bei dem sich ein Gas oder ein gelöster Stoff ausbreitet und das gesamte verfügbare Volumen ausfüllt.

In einer Flüssigkeit gelöste Moleküle und Ionen befinden sich in chaotischer Bewegung, kollidieren miteinander, mit Lösungsmittelmolekülen und der Zellmembran. Die Kollision eines Moleküls oder Ions mit einer Membran kann zweierlei bewirken: Das Molekül „prallt“ entweder von der Membran ab oder durchdringt sie. Wenn die Wahrscheinlichkeit des letzten Ereignisses hoch ist, spricht man von der Membran durchlässig dafürSubstanzen.

Ist die Konzentration eines Stoffes auf beiden Seiten der Membran unterschiedlich, kommt es zu einem Partikelstrom, der von einer konzentrierteren Lösung zu einer verdünnten geleitet wird. Die Diffusion findet statt, bis die Konzentration der Substanz auf beiden Seiten der Membran ausgeglichen ist. Sie passieren die Zellmembran als gut wasserlöslich. (hydrophil) Substanzen und hydrophob, darin schlecht oder ganz unlöslich.

Hydrophobe, gut fettlösliche Substanzen diffundieren durch Auflösung in Membranlipide.

Wasser und darin lösliche Stoffe dringen durch temporäre Defekte in den Kohlenwasserstoffbereich der Membran, den sog. pervers, und auch durch Poren, dauerhaft vorhandene hydrophile Bereiche der Membran.

In dem Fall, in dem die Zellmembran für einen gelösten Stoff undurchlässig oder schlecht durchlässig, aber für Wasser durchlässig ist, wird sie osmotischen Kräften ausgesetzt. Bei einer geringeren Konzentration eines Stoffes in der Zelle als in der Umgebung schrumpft die Zelle; Wenn die Konzentration des gelösten Stoffes in der Zelle höher ist, strömt Wasser in die Zelle.

Osmose

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Osmose- die Bewegung von Wassermolekülen (Lösungsmittel) durch die Membran von einem Bereich mit niedrigerer zu einem Bereich mit höherer Konzentration eines gelösten Stoffes.

Osmotischer Druck bezeichnet den kleinsten Druck, der auf die Lösung ausgeübt werden muss, um zu verhindern, dass das Lösungsmittel durch die Membran in eine Lösung mit einer höheren Konzentration des Stoffes fließt.

Lösungsmittelmoleküle werden wie die Moleküle jeder anderen Substanz durch eine Kraft in Bewegung gesetzt, die aus der Differenz der chemischen Potentiale entsteht. Wenn sich eine Substanz auflöst, nimmt das chemische Potential des Lösungsmittels ab. Daher ist in dem Bereich, in dem die Konzentration des gelösten Stoffes höher ist, das chemische Potential des Lösungsmittels niedriger. So bewegen sich Lösungsmittelmoleküle, die sich von einer Lösung mit niedrigerer Konzentration zu einer Lösung mit höherer Konzentration bewegen, im thermodynamischen Sinne „nach unten“, „entlang des Gradienten“.

Das Volumen der Zellen wird weitgehend durch die Menge an Wasser reguliert, die sie enthalten. Die Zelle befindet sich nie in einem Zustand des vollständigen Gleichgewichts mit der Umgebung. Die kontinuierliche Bewegung von Molekülen und Ionen durch die Plasmamembran verändert die Konzentration von Substanzen in der Zelle und dementsprechend den osmotischen Druck ihres Inhalts. Wenn eine Zelle eine Substanz absondert, muss sie, um einen konstanten Wert des osmotischen Drucks aufrechtzuerhalten, entweder eine angemessene Menge Wasser abgeben oder eine äquivalente Menge einer anderen Substanz aufnehmen. Da die Umgebung der meisten Zellen hypotonisch ist, ist es für die Zellen wichtig zu verhindern, dass große Mengen Wasser in sie eindringen. Die Aufrechterhaltung eines konstanten Volumens auch in einer isotonischen Umgebung erfordert einen Energieverbrauch, daher ist die Konzentration nicht diffusionsfähiger Substanzen (Proteine, Nukleinsäuren usw.) in der Zelle höher als in der perizellulären Umgebung. Außerdem reichern sich ständig Stoffwechselprodukte in der Zelle an, die das osmotische Gleichgewicht stören. Die Notwendigkeit, Energie aufzuwenden, um ein konstantes Volumen aufrechtzuerhalten, lässt sich leicht in Experimenten mit Kühlung oder Stoffwechselhemmern demonstrieren. Unter solchen Bedingungen schwellen die Zellen schnell an.

Um das "osmotische Problem" zu lösen, verwenden Zellen zwei Methoden: sie pumpen die Bestandteile ihres Inhalts oder das in sie eindringende Wasser in das Interstitium ab. In den meisten Fällen nutzen Zellen die erste Gelegenheit - sie pumpen Substanzen, häufiger Ionen, dafür aus Natrium Pumpe(siehe unten).

Im Allgemeinen wird das Volumen von Zellen ohne starre Wände durch drei Faktoren bestimmt:

1) die Menge der darin enthaltenen Substanzen, die die Membran nicht durchdringen können;
2) die Konzentration im Interstitium von Verbindungen, die die Membran passieren können;
3) das Verhältnis der Penetrations- und Pumpraten von Substanzen aus der Zelle.

Eine wichtige Rolle bei der Regulierung des Wasserhaushalts zwischen Zelle und Umgebung spielt die Elastizität der Plasmamembran, die einen hydrostatischen Druck erzeugt, der verhindert, dass Wasser in die Zelle eindringt. Wenn in zwei Bereichen des Mediums ein Unterschied im hydrostatischen Druck besteht, kann Wasser durch die Poren der Barriere gefiltert werden, die diese Bereiche trennt.

Die Filtrationsphänomene liegen vielen physiologischen Prozessen zugrunde, wie der Bildung von Primärharn im Nephron, dem Wasseraustausch zwischen Blut und Gewebeflüssigkeit in den Kapillaren.

Diffusion von Ionen

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Diffusion von Ionen erfolgt hauptsächlich durch spezialisierte Proteinstrukturen der Membran - Ion kaKasse, wenn sie geöffnet sind. Je nach Gewebetyp können Zellen einen unterschiedlichen Satz von Ionenkanälen haben.

Unterscheiden Sie zwischen Natrium-, Kalium-, Calcium-, Natrium-Calcium- und Chloridkanälen. Der Transport von Ionen durch Kanäle weist eine Reihe von Merkmalen auf, die ihn von einfacher Diffusion unterscheiden. Dies gilt insbesondere für Kalziumkanäle.

Ionenkanäle können sein im offenen, geschlossenen und inaktivierten Zustand. Der Übergang eines Kanals von einem Zustand in einen anderen wird entweder durch eine Änderung der elektrischen Potentialdifferenz über der Membran oder durch die Wechselwirkung physiologisch aktiver Substanzen mit Rezeptoren gesteuert.

Dementsprechend werden Ionenkanäle unterteilt in potenzialabhängig und rezeptorgesteuert. Die selektive Permeabilität eines Ionenkanals für ein bestimmtes Ion wird durch das Vorhandensein spezieller selektiver Filter an seiner Mündung bestimmt.

Erleichterte Diffusion

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Durch biologische Membranen dringen neben Wasser und Ionen viele Substanzen (von Ethanol bis hin zu komplexen Medikamenten) durch einfache Diffusion ein. Gleichzeitig dringen selbst relativ kleine polare Moleküle wie Glykole, Monosaccharide und Aminosäuren aufgrund einfacher Diffusion praktisch nicht in die Membran der meisten Zellen ein. Sie werden durch übertragen erleichterte Diffusion.

Diffusion wird Licht genannt Substanzen entlang ihres Konzentrationsgradienten, der unter Beteiligung spezieller Proteinträgermoleküle durchgeführt wird.

Der Transport kann auch Na + , K + , Cl – , Li + , Ca 2+ , HCO 3 – und H + durchführen bestimmte Träger. Die charakteristischen Merkmale dieser Art des Membrantransports sind eine hohe Stoffübertragungsrate im Vergleich zur einfachen Diffusion, Abhängigkeit von der Struktur ihrer Moleküle, Sättigung, Konkurrenz und Empfindlichkeit gegenüber spezifischen Inhibitoren - Verbindungen, die die erleichterte Diffusion hemmen.

Alle oben genannten Merkmale der erleichterten Diffusion sind das Ergebnis der Spezifität von Trägerproteinen und ihrer begrenzten Anzahl in der Membran. Wenn eine bestimmte Konzentration des übertragenen Stoffes erreicht ist, wenn alle Ladungsträger mit den transportierten Molekülen oder Ionen besetzt sind, führt seine weitere Erhöhung nicht zu einer Erhöhung der Anzahl der transportierten Teilchen - Sättigungsphänomen. Substanzen mit ähnlicher molekularer Struktur, die von demselben Träger transportiert werden, konkurrieren um den Träger - Wettbewerbsphänomen.

Es gibt mehrere Arten des Stofftransports durch erleichterte Diffusion (Abb. 1.13):

Reis. 1.13 Klassifizierung der Transportwege durch die Membran.

Uniport, wenn Moleküle oder Ionen durch die Membran übertragen werden, unabhängig von der Anwesenheit oder Übertragung anderer Verbindungen (Transport von Glucose, Aminosäuren durch die Basalmembran von Epithelzellen);

Symport, bei denen ihre Übertragung gleichzeitig und unidirektional mit anderen Verbindungen erfolgt (natriumabhängiger Transport von Zuckern und Aminosäuren Na + K +, 2Cl - und Co-Transport);

Gegenhafen - (Transport einer Substanz beruht auf dem gleichzeitigen und entgegengesetzt gerichteten Transport einer anderen Verbindung oder eines anderen Ions (Na + / Ca 2+ , Na + / H + Cl - / HCO 3 - - Austausch).

Symport und Antiport sind Spezies Kotransport, bei dem die Übertragungsgeschwindigkeit von allen Teilnehmern des Transportvorgangs gesteuert wird.

Die Natur der Trägerproteine ​​ist unbekannt. Nach dem Wirkprinzip werden sie in zwei Typen unterteilt. Träger des ersten Typs machen Pendelbewegungen durch die Membran, und des zweiten Typs sind sie in die Membran eingebettet und bilden einen Kanal. Ihre Wirkung kann mit Hilfe von antibiotischen Ionophoren, einem Träger von Alkalimetallen, simuliert werden. Einer von ihnen – (Valinomycin) – fungiert also als echter Träger, der Kalium durch die Membran befördert. Moleküle von Gramicidin A, einem anderen Ionophor, werden nacheinander in die Membran eingeführt und bilden einen "Kanal" für Natriumionen.

Die meisten Zellen haben ein erleichtertes Diffusionssystem. Die Liste der durch diesen Mechanismus transportierten Metaboliten ist jedoch ziemlich begrenzt. Im Grunde sind dies Zucker, Aminosäuren und einige Ionen. Verbindungen, die Zwischenprodukte des Stoffwechsels sind (phosphorylierte Zucker, Produkte des Aminosäurestoffwechsels, Makroerge), werden mit diesem System nicht transportiert. Somit dient die erleichterte Diffusion dazu, jene Moleküle zu transportieren, die die Zelle aus der Umgebung erhält. Eine Ausnahme bildet der Transport organischer Moleküle durch das Epithel, der gesondert betrachtet wird.

aktiven Transport

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aktiven Transport erfolgt durch den Transport von Adenosintriphosphatasen (ATPasen) und tritt aufgrund der Energie der ATP-Hydrolyse auf.

Abb. 1.12 zeigt die Arten des passiven und aktiven Stofftransports durch die Membran.

1,2 - einfache Diffusion durch die Doppelschicht und den Ionenkanal,
3 - erleichterte Verbreitung,
4 - primärer aktiver Transport,
5 - sekundärer aktiver Transport.

Arten des aktiven Transports

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Arten des aktiven Stofftransports:

primärer aktiver Transport,

sekundärer aktiver Transport.

Primärer aktiver Transport

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Der Transport von Stoffen von einem Medium mit niedriger Konzentration zu einem Medium mit höherer Konzentration kann nicht durch eine Bewegung entlang eines Gradienten erklärt werden, d.h. Diffusion. Dieser Prozess wird aufgrund der Energie der ATP-Hydrolyse oder der Energie aufgrund des Konzentrationsgradienten von Ionen, meistens Natrium, durchgeführt. Wenn die Energiequelle für den aktiven Transport von Substanzen die Hydrolyse von ATP ist und nicht die Bewegung einiger anderer Moleküle oder Ionen durch die Membran, Transport genanntprimär aktiv.

Die primäre aktive Übertragung erfolgt durch sogenannte Transport-ATPasen Ionenpumpen. In tierischen Zellen ist die häufigste Na + , K + - ATPase (Natriumpumpe), die ein integrales Protein der Plasmamembran ist, und Ca 2+ - ATPase, die in der Plasmamembran des sarco-(endo)-plasmatischen Retikulums enthalten ist . Alle drei Proteine ​​haben eine gemeinsame Eigenschaft – die Fähigkeit, phosphoryliert zu werden und eine intermediäre phosphorylierte Form des Enzyms zu bilden. Im phosphorylierten Zustand kann das Enzym in zwei Konformationen vorliegen, die allgemein als bezeichnet werden E1 und E2.

Enzymkonformation - Dies ist eine Art der räumlichen Orientierung (Verlegung) der Polypeptidkette ihres Moleküls. Diese beiden Konformationen des Enzyms sind durch unterschiedliche Affinitäten für transportierte Ionen gekennzeichnet, d.h. unterschiedliche Fähigkeit, transportierte Ionen zu binden.

Na + /K + – ATPase sorgt für einen konjugierten aktiven Transport von Na + aus der Zelle und K + in das Zytoplasma. Im Molekül Na + /K + - ATPase gibt es einen speziellen Bereich (Stelle), in dem die Bindung von Na- und K-Ionen stattfindet.Mit der Konformation des Enzyms E 1 wird dieser Bereich in das Plasmaretikulum gedreht. Für die Durchführung dieser Stufe der Umwandlung von Ca 2+ -ATPase ist die Anwesenheit von Magnesiumionen im sarkoplasmatischen Retikulum notwendig. Anschließend wiederholt sich der Zyklus des Enzyms.

sekundärer aktiver Transport

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sekundärer aktiver Transport ist der Transfer einer Substanz durch die Membran gegen ihren Konzentrationsgradienten aufgrund der Energie des Konzentrationsgradienten einer anderen Substanz, die im Prozess des aktiven Transports erzeugt wird. In tierischen Zellen ist die Hauptenergiequelle für den sekundären aktiven Transport die Energie des Natriumionenkonzentrationsgradienten, der aufgrund der Arbeit von Na + /K + - ATPase erzeugt wird. Beispielsweise enthält die Zellmembran der Schleimhaut des Dünndarms ein Protein, das den Transfer (Symport) von Glucose und Na + zu Epitheliozyten durchführt. Der Glukosetransport wird nur durchgeführt, wenn Na +, das gleichzeitig mit Glukose an das angegebene Protein bindet, entlang des elektrochemischen Gradienten übertragen wird. Der elektrochemische Gradient für Na+ wird durch den aktiven Transport dieser Kationen aus der Zelle heraus aufrechterhalten.

Im Gehirn ist die Arbeit der Na + -Pumpe mit umgekehrter Absorption verbunden (Resorption) von Mediatoren - physiologisch aktive Substanzen, die von Nervenenden unter Einwirkung von Erregungsfaktoren freigesetzt werden.

In Kardiomyozyten und glatten Muskelzellen ist die Funktion von Na + , K + -ATPase mit dem Transport von Ca 2+ durch die Plasmamembran verbunden, aufgrund des Vorhandenseins eines Proteins in der Zellmembran, das einen Gegentransport (Antiport) von durchführt Na+ und Ca2+. Calciumionen werden im Austausch gegen Natriumionen und aufgrund der Energie des Konzentrationsgradienten von Natriumionen durch die Zellmembran transportiert.

In Zellen wurde ein Protein gefunden, das extrazelluläre Natriumionen gegen intrazelluläre Protonen austauscht - Na + /H + - Austauscher. Dieser Träger spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung eines konstanten intrazellulären pH-Werts. Die Geschwindigkeit, mit der der Na + /Ca 2+ - und Na + /H + – -Austausch durchgeführt wird, ist proportional zum elektrochemischen Na + -Gradienten über die Membran. Bei einer Abnahme der extrazellulären Konzentration von Na + Hemmung der Na + , K + -ATPase durch Herzglykoside oder in einer kaliumfreien Umgebung wird die intrazelluläre Konzentration von Calcium und Protonen erhöht. Dieser Anstieg der intrazellulären Konzentration von Ca 2+ mit Hemmung von Na + , K + -ATPase liegt der Verwendung von Herzglykosiden in der klinischen Praxis zugrunde, um Herzkontraktionen zu verstärken.

Aus der Betrachtung des physikalischen Wesens des periodischen Gesetzes folgt dies periodische Änderungen der chemischen Eigenschaften von Elementen verbunden mit der elektronischen Struktur von Atomen, die sich nach den Gesetzen der Wellenmechanik ebenfalls periodisch ändert. Alle periodischen Änderungen der chemischen Eigenschaften von Elementen sowie Änderungen verschiedener Eigenschaften einfacher und komplexer Substanzen sind mit den Eigenschaften von Atomorbitalen verbunden.

Die nächstwichtigste Schlussfolgerung, die sich aus der Analyse der in Tabelle 6 angegebenen Daten ergibt, ist die Schlussfolgerung über die periodische Änderung in der Art der Füllung externer Energieniveaus mit Elektronen, die verursacht wird periodische Änderungen der chemischen Eigenschaften von Elementen und ihre Verbindungen.

Der Atomradius ist der Radius der Kugel, die den Kern eines Atoms enthält, und 95 % der Dichte der gesamten Elektronenwolke, die den Kern umgibt. Dies ist ein bedingtes Konzept, weil. Die Elektronenwolke eines Atoms hat keine klare Grenze, sie erlaubt es, die Größe des Atoms zu beurteilen.

Die Zahlenwerte der Atomradien verschiedener chemischer Elemente werden experimentell gefunden, indem die Längen chemischer Bindungen analysiert werden, d.h. die Abstände zwischen den Kernen miteinander verbundener Atome. Die Radien von Atomen werden üblicherweise in Nanometer (nm), 1 nm = 10–9 m, Pikometer (pm), 1 pm = 10–12 m oder Angström (A), 1 A = 10–10 m, ausgedrückt.

Die Abhängigkeit der Atomradien von der Ladung des Atomkerns Z hat periodischen Charakter. Innerhalb einer Periode des Periodensystems der chemischen Elemente ist D.I. Mendeleev, der größte Wert des Atomradius eines Alkalimetallatoms. Ferner nimmt mit zunehmendem Z der Wert des Radius ab, erreicht ein Minimum am Atom des Elements der Gruppe VIIA und steigt dann abrupt am Atom eines Inertgases und dann noch mehr - am Atom des Alkalimetalls der nächsten Periode.

Ionenradius.

Die Radien von Ionen unterscheiden sich von den Atomradien der entsprechenden Elemente. Der Verlust von Elektronen durch Atome führt zu einer Abnahme ihrer effektiven Größe, und die Hinzufügung von überschüssigen Elektronen zu einer Zunahme. Daher ist der Radius eines positiv geladenen Ions (Kations) immer kleiner und der Radius eines negativ geladenen Ions (Anion) immer größer als der Radius des entsprechenden elektrisch neutralen Atoms. Somit beträgt der Radius des Kaliumatoms 0,236 nm und der Radius des K + -Ions 0,133 nm; die Radien des Chloratoms und des Chloridions Cl betragen 0,099 bzw. 0,181 nm. Dabei unterscheidet sich der Radius des Ions umso mehr vom Radius des Atoms, je größer die Ladung des Ions ist. Beispielsweise betragen die Radien des Chromatoms und der Cr 2+ - und Cr 3+ -Ionen 0,127, 0,083 bzw. 0,064 nm.

Innerhalb der Hauptuntergruppe nehmen die Radien von Ionen gleicher Ladung wie die Radien von Atomen mit zunehmender Kernladung zu

Ionisationsenergie(ein Maß für die Manifestation metallischer Eigenschaften) ist die Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron von einem Atom zu lösen.

(Ca 0 – Ca 2+ + 2e – – H).

Je mehr Elektronen auf der äußeren Elektronenschicht sind, desto größer ist die Ionisationsenergie. Mit zunehmendem Atomradius nimmt die Ionisationsenergie ab. Dies erklärt die Abnahme der metallischen Eigenschaften in Perioden von links nach rechts und die Zunahme der metallischen Eigenschaften in Gruppen von oben nach unten. Cäsium (Cs) ist das aktivste Metall.

Die Elektronenaffinitätsenergie (ein Maß für die Manifestation nichtmetallischer Eigenschaften) ist die Energie, die durch die Bindung eines Elektrons an ein Atom (Cl 0 + 1e - -> Cl - + H) freigesetzt wird. Mit zunehmender Anzahl von Elektronen auf der äußeren Elektronenschicht nimmt die Energie der Elektronenaffinität zu und mit zunehmendem Atomradius ab. Dies erklärt die Zunahme der nichtmetallischen Eigenschaften in den Perioden von links nach rechts und die Abnahme der nichtmetallischen Eigenschaften in den Hauptuntergruppen von oben nach unten.

Die Affinitätsenergie eines Atoms zu einem Elektron, oder einfach er Elektronenaffinität(ε), heißt die bei der Addition freigesetzte Energie Elektron zu einem freien Atom E in seinem Grundzustand mit seiner Umwandlung in ein negatives Ion E − (die Affinität eines Atoms zu einem Elektron ist numerisch gleich, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, zur Ionisierungsenergie des entsprechenden isolierten einfach geladenen Anions).

E + e − = E − + ε

Elektronegativität- chemische Eigenschaft eines Atoms, ein quantitatives Merkmal der Fähigkeit eines Atoms in einem Molekül, Elektronen von Atomen anderer Elemente anzuziehen.

Die stärksten metallischen Eigenschaften sind jene Elemente, deren Atome leicht Elektronen abgeben. Die Werte ihrer Elektronegativität sind klein (χ ≤ 1).

Nichtmetallische Eigenschaften sind besonders ausgeprägt bei jenen Elementen, deren Atome kräftig Elektronen anlagern.

In jeder Periode des Periodensystems nimmt die Elektronegativität der Elemente mit steigender Seriennummer zu (von links nach rechts), in jeder Gruppe des Periodensystems nimmt die Elektronegativität mit steigender Seriennummer ab (von oben nach unten).

Element Fluor F hat das höchste und das Element Cäsium Cs - die kleinste Elektronegativität unter den Elementen von 1-6 Perioden.

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Eine der wichtigsten Eigenschaften der chemischen Elemente, die an der Bildung einer chemischen Bindung beteiligt sind, ist die Größe eines Atoms (Ions): Mit seiner Zunahme nimmt die Stärke der Bindungen zwischen Atomen ab. Die Größe eines Atoms (Ions) wird normalerweise durch den Wert seines Radius oder Durchmessers bestimmt. Da ein Atom (Ion) keine klaren Grenzen hat, impliziert das Konzept des "Atom-(Ionen-)Radius", dass 90–98% der Elektronendichte eines Atoms (Ions) in der Sphäre dieses Radius enthalten sind. Die Kenntnis der Werte der Atom- (Ionen-) Radien ermöglicht die Abschätzung der Abstände zwischen den Kernen in Kristallen (dh der Struktur dieser Kristalle), da für viele Probleme die kürzesten Abstände zwischen den Kernen von Atomen (Ionen) berücksichtigt werden können Summe ihrer Atom-(Ionen-)Radien, obwohl eine solche Additivität ungefähr ist und nicht in allen Fällen erfüllt ist.

Unter Atomradius chemisches Element (über den Ionenradius, siehe unten), das an der Bildung einer chemischen Bindung beteiligt ist, stimmte im allgemeinen Fall zu, die Hälfte des Gleichgewichtsabstands zwischen den Kernen zwischen den nächsten Atomen im Kristallgitter des Elements zu verstehen. Dieses Konzept, das ziemlich einfach ist, wenn wir Atome (Ionen) als starre Kugeln betrachten, erweist sich tatsächlich als komplex und oft mehrdeutig. Der Atom-(Ionen-)Radius eines chemischen Elements ist kein konstanter Wert, sondern variiert in Abhängigkeit von einer Reihe von Faktoren, von denen die wichtigsten die Art der chemischen Bindung sind

und Koordinationsnummer.

Wenn dasselbe Atom (Ion) in verschiedenen Kristallen verschiedene Arten chemischer Bindungen bildet, dann hat es in einem Kristall mit einer kovalenten Bindung mehrere Radiikovalente; ionisch in einem Kristall mit einer ionischen Bindung; metallisch in Metall; van der Waals in einem Molekülkristall. Der Einfluss der Art der chemischen Bindung ist an folgendem Beispiel zu sehen. In Diamant sind alle vier chemischen Bindungen kovalent und werden gebildet sp 3-Hybride, also sind alle vier Nachbarn eines gegebenen Atoms auf dem gleichen und

gleich weit davon entfernt d= 1,54 A˚) und der Kovalenzradius von Kohlenstoff in Diamant wird sein

ist gleich 0,77 A˚. In einem Arsenkristall ist der Abstand zwischen kovalent gebundenen Atomen ( d 1 = 2,52 A˚), viel weniger als zwischen Atomen, die durch Van-der-Waals-Kräfte gebunden sind ( d 2 = 3,12 A˚), also hat As einen Kovalenzradius von 1,26 A˚ und van der Waals von 1,56 A˚ .

Auch der Atom-(Ionen-)Radius ändert sich sehr stark mit einer Änderung der Koordinationszahl (dies kann bei polymorphen Umwandlungen von Elementen beobachtet werden). Je kleiner die Koordinationszahl, desto geringer der Raumfüllungsgrad mit Atomen (Ionen) und desto kleiner die Kernabstände. Eine Zunahme der Koordinationszahl geht immer mit einer Zunahme der Kernabstände einher.

Aus dem Vorstehenden folgt, dass die atomaren (ionischen) Radien verschiedener an der Bildung einer chemischen Bindung beteiligter Elemente nur verglichen werden können, wenn sie Kristalle bilden, in denen die gleiche Art der chemischen Bindung verwirklicht ist, und diese Elemente in den gebildeten Kristallen aufweisen die gleichen Koordinationszahlen.

Betrachten wir die Hauptmerkmale von Atom- und Ionenradien genauer.

Unter kovalente Radien von Elementen Es ist üblich, die Hälfte des Gleichgewichtsabstands zwischen den Kernen zwischen den nächsten Atomen zu verstehen, die durch eine kovalente Bindung verbunden sind.

Ein Merkmal kovalenter Radien ist ihre Konstanz in verschiedenen "kovalenten Strukturen" mit gleicher Koordinationszahl Z j) Außerdem sind kovalente Radien in der Regel additiv miteinander verbunden, dh der A-B-Abstand ist die Hälfte der Summe der A-A- und B-B-Abstände in Gegenwart kovalenter Bindungen und gleich Koordinationsnummern in allen drei Strukturen.

Es gibt normale, tetraedrische, oktaedrische, quadratische und lineare Kovalenzradien.

Der normale Kovalenzradius eines Atoms entspricht dem Fall, wenn ein Atom so viele kovalente Bindungen ausbildet, wie es seinem Platz im Periodensystem entspricht: für Kohlenstoff - 2, für Stickstoff - 3 usw. Daraus ergeben sich unterschiedliche Werte von Normalradien in Abhängigkeit von der Vielfachheit (Ordnung) Bindungen (Einfachbindung, Doppelbindung, Dreifachbindung). Wenn die Bindung entsteht, wenn sich die hybriden Elektronenwolken überlappen, dann spricht man von Tetraeder

(Z k = 4, sp 3-Hybridorbitale), Oktaeder ( Z k = 6, d 2sp 3-Hybridorbitale), quadratisch ( Z k = 4, dsp 2-Hybridorbitale), linear ( Z k = 2, sp-hybride Orbitale) kovalente Radien.

Es ist nützlich, Folgendes über Kovalenzradien zu wissen (die Werte der Kovalenzradien für eine Reihe von Elementen sind angegeben).

1. Kovalente Radien können im Gegensatz zu ionischen nicht als Radien von Atomen interpretiert werden, die eine Kugelform haben. Kovalente Radien werden nur verwendet, um die Kernabstände zwischen Atomen zu berechnen, die durch kovalente Bindungen verbunden sind, und sagen nichts über die Abstände zwischen Atomen des gleichen Typs aus, die nicht kovalent verbunden sind.

2. Der Wert des Kovalenzradius wird durch die Multiplizität der kovalenten Bindung bestimmt. Eine Dreifachbindung ist kürzer als eine Doppelbindung, die wiederum kürzer ist als eine Einfachbindung, sodass der Kovalenzradius einer Dreifachbindung kleiner ist als der Kovalenzradius einer Doppelbindung, die kleiner ist

Single. Dabei ist zu beachten, dass die Ordnung der Vielfachheit der Beziehung nicht ganzzahlig sein muss. Sie kann auch gebrochen sein, wenn die Bindung resonant ist (Benzolmolekül, Mg2Sn-Verbindung, siehe unten). In diesem Fall hat der Kovalenzradius einen Zwischenwert zwischen den Werten, die ganzzahligen Ordnungen der Bindungsmultiplizität entsprechen.

3. Wenn die Bindung gemischt kovalent-ionischer Natur ist, aber mit einem hohen Grad an kovalenter Komponente der Bindung, dann kann das Konzept des kovalenten Radius eingeführt werden, aber der Einfluss der ionischen Komponente der Bindung auf seinen Wert nicht vernachlässigt werden. In einigen Fällen kann dieser Effekt zu einer signifikanten Abnahme des Kovalenzradius führen, manchmal bis auf 0,1 A˚. Leider gibt es verschiedene Versuche, das Ausmaß dieses Effekts vorherzusagen

Fälle waren noch nicht erfolgreich.

4. Der Wert des Kovalenzradius hängt von der Art der Hybridorbitale ab, die an der Bildung einer kovalenten Bindung beteiligt sind.

Ionenradien, kann natürlich nicht als halbe Summe der Abstände zwischen den Kernen der nächsten Ionen definiert werden, da sich die Größen von Kationen und Anionen in der Regel stark unterscheiden. Außerdem kann die Symmetrie der Ionen etwas von der Kugel abweichen. Trotzdem für echte Ionenkristalle unter Ionenradius Es ist üblich, den Radius der Kugel zu verstehen, der sich dem Ion annähert.

Ionenradien werden für ungefähre Schätzungen von Kernabständen in Ionenkristallen verwendet. Es wird angenommen, dass der Abstand zwischen dem nächsten Kation und Anion gleich der Summe ihrer Ionenradien ist. Der typische Fehler bei der Bestimmung der Kernabstände in Form von Ionenradien in solchen Kristallen beträgt ≈0,01 Å.

Es gibt mehrere Systeme von Ionenradien, die sich in den Werten der Ionenradien einzelner Ionen unterscheiden, aber zu ungefähr gleichen Kernabständen führen. Die ersten Arbeiten zur Bestimmung von Ionenradien wurden von V. M. Goldshmit in den 1920er Jahren durchgeführt. Darin verwendete der Autor einerseits die durch Röntgenstrukturanalyse gemessenen Kernabstände in Ionenkristallen und andererseits die durch ermittelten Werte der Ionenradien F– und O2–

Refraktometrische Methode. Die meisten anderen Systeme verlassen sich auch auf die durch Beugungsmethoden bestimmten Kernabstände in Kristallen und auf einige "Referenz" -Werte des Ionenradius eines bestimmten Ions. Im bekanntesten System

Pauling, dieser Referenzwert ist der Ionenradius des Peroxid-Ions O2−, gleich

1,40A˚. Dieser Wert für O2– stimmt gut mit theoretischen Berechnungen überein. Im System von G. B. Bokiya und N. V. Belov, das als eines der zuverlässigsten gilt, wird der Ionenradius O2– mit 1,36 A˚ angenommen.

In den 1970er und 1980er Jahren wurde versucht, die Radien von Ionen durch Messung der Elektronendichte mittels Röntgenstrukturanalyse direkt zu bestimmen, vorausgesetzt, dass als Grenze der Ionen das Minimum der Elektronendichte auf der Verbindungslinie der Kerne genommen wird . Es stellte sich heraus, dass diese direkte Methode zu überschätzten Werten der Ionenradien von Kationen und zu unterschätzten Werten der Ionenradien von Anionen führt. Außerdem stellte sich heraus, dass die direkt ermittelten Werte der Ionenradien nicht von einer Verbindung auf eine andere übertragen werden können und die Abweichungen von der Additivität zu groß sind. Daher werden solche Ionenradien nicht zur Vorhersage von Kernabständen verwendet.

Es ist nützlich, Folgendes über Ionenradien zu wissen (in den folgenden Tabellen sind die Werte der Ionenradien nach Bokiy und Belov angegeben).

1. Der Ionenradius für Ionen desselben Elements variiert in Abhängigkeit von seiner Ladung, und für dasselbe Ion hängt er von der Koordinationszahl ab. Je nach Koordinationszahl werden tetraedrische und oktaedrische Ionenradien unterschieden.

2. Innerhalb einer vertikalen Reihe, genauer gesagt innerhalb einer Gruppe, periodisch

System nehmen die Radien von Ionen gleicher Ladung mit zunehmender Ordnungszahl des Elements zu, da die Anzahl der von Elektronen besetzten Schalen und damit die Größe des Ions zunimmt.

Radius, A˚

3. Für positiv geladene Ionen von Atomen aus der gleichen Periode nehmen die Ionenradien mit zunehmender Ladung schnell ab. Die schnelle Abnahme erklärt sich durch die Wirkung zweier Hauptfaktoren in eine Richtung: die starke Anziehung „eigener“ Elektronen durch das Kation, dessen Ladung mit zunehmender Ordnungszahl zunimmt; eine Zunahme der Stärke der Wechselwirkung zwischen dem Kation und den es umgebenden Anionen mit einer Zunahme der Ladung des Kations.

Radius, A˚

4. Für negativ geladene Ionen von Atomen aus der gleichen Periode nehmen die Ionenradien mit zunehmender negativer Ladung zu. Die beiden im vorigen Absatz diskutierten Faktoren wirken in diesem Fall gegenläufig, und der erste Faktor überwiegt (eine Zunahme der negativen Ladung des Anions geht mit einer Zunahme seines Ionenradius einher), also eine Zunahme der Ionenradien mit eine Zunahme der negativen Ladung erfolgt viel langsamer als eine Abnahme im vorherigen Fall.

Radius, A˚

5. Bei gleichem Element, dh bei gleicher elektronischer Anfangskonfiguration, ist der Radius des Kations kleiner als der des Anions. Dies liegt an einer Abnahme der Anziehungskraft externer "zusätzlicher" Elektronen zum Anionenkern und einer Erhöhung der Abschirmwirkung durch innere Elektronen (das Kation hat einen Elektronenmangel, während das Anion einen Elektronenüberschuss hat).

Radius, A˚

6. Die Größen von Ionen gleicher Ladung folgen der Periodizität des Periodensystems. Der Wert des Ionenradius ist jedoch nicht proportional zur Ladung des Kerns Z, was auf die starke Anziehungskraft der Elektronen durch den Kern zurückzuführen ist. Eine Ausnahme von der periodischen Abhängigkeit bilden außerdem die Lanthanoide und Actiniden, in deren Reihen die Radien von Atomen und Ionen gleicher Ladung nicht zunehmen, sondern mit zunehmender Ordnungszahl abnehmen (die sogenannte Lanthanoidenkontraktion und Actinidenkontraktion). .11

11 Lanthanidenkontraktion und Aktinidenkontraktion sind darauf zurückzuführen, dass in Lanthaniden und Aktiniden Elektronen hinzugefügt werden, die mit einer Erhöhung der Ordnungszahl gefüllt werden intern d und f-Schalen mit einer Hauptquantenzahl kleiner als die Hauptquantenzahl einer bestimmten Periode. Gleichzeitig geht es nach quantenmechanischen Berechnungen in d und vor allem drin f Zustände, das Elektron ist viel näher am Kern als in s und p Zustände einer bestimmten Periode mit einer großen Quantenzahl, also d und f-Elektronen befinden sich in den inneren Bereichen des Atoms, wobei die Auffüllung dieser Zustände mit Elektronen (wir sprechen von elektronischen Niveaus im Energieraum) anders erfolgt.

Radien aus Metall werden als die Hälfte des kürzesten Abstands zwischen den Atomkernen in der Kristallstruktur eines Metallelements angesehen. Sie sind abhängig von der Koordinationszahl. Nehmen wir den metallischen Radius irgendeines Elements an Z k \u003d 12 pro Einheit, wann dann Z k = 8, 6 und 4, die metallischen Radien desselben Elements betragen jeweils 0,98; 0,96; 0,88. Metallische Radien haben die Eigenschaft der Additivität. Die Kenntnis ihrer Werte ermöglicht es, die Parameter der Kristallgitter intermetallischer Verbindungen ungefähr vorherzusagen.

Die Atomradien von Metallen sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet (Daten zu den Werten der Atomradien von Metallen finden Sie in).

1. Die metallischen Atomradien von Übergangsmetallen sind im Allgemeinen kleiner als die metallischen Atomradien von Nicht-Übergangsmetallen, was die größere Bindungsstärke in Übergangsmetallen widerspiegelt. Dieses Merkmal ist darauf zurückzuführen, dass die Metalle der Nebengruppen und die Metalle, die ihnen im Periodensystem am nächsten stehen, elektronisch sind d-Schalen und Elektronen darin d-Zustände können an der Bildung einer chemischen Bindung teilnehmen. Die Verstärkung der Bindung kann teilweise auf das Auftreten einer kovalenten Komponente der Bindung und teilweise auf die Van-der-Waals-Wechselwirkung der ionischen Kerne zurückzuführen sein. In Kristalle aus Eisen und Wolfram beispielsweise treten Elektronen ein d-Zustände leisten einen wesentlichen Beitrag zur Bindungsenergie.

2. Innerhalb einer vertikalen Gruppe nehmen die Atomradien der Metalle von oben nach unten zu, was auf eine sequentielle Zunahme der Anzahl der Elektronen zurückzuführen ist (die Anzahl der von Elektronen besetzten Schalen nimmt zu).

3. Innerhalb einer Periode, genauer gesagt ausgehend vom Alkalimetall bis zur Mitte der Übergangsmetallgruppe, in Richtung von links nach rechts, nehmen die Atommetallradien ab. Im gleichen Ablauf nimmt die elektrische Ladung des Atomkerns zu und die Zahl der Elektronen in der Valenzschale zu. Mit einer Erhöhung der Anzahl der Bindungselektronen pro Atom wird die metallische Bindung gestärkt, und gleichzeitig nimmt aufgrund einer Erhöhung der Ladung des Kerns die Anziehung von Kernelektronen (inneren) Elektronen durch den Kern zu, so die Wert des metallischen Atomradius abnimmt.

4. Übergangsmetalle der Gruppen VII und VIII aus der gleichen Zeit haben in erster Näherung fast die gleichen Metallradien. Anscheinend, wenn es um Elemente geht, die 5 oder mehr haben d-Elektronen, eine Erhöhung der Kernladung und die damit verbundenen Anziehungseffekte von Kernelektronen, die zu einer Verringerung des metallischen Atomradius führen, werden durch die Effekte kompensiert, die durch die zunehmende Anzahl von Elektronen im Atom (Ion) verursacht werden, die dies nicht tun an der Bildung einer Metallbindung teilnehmen und zu einer Vergrößerung des Metallradius führen (Erhöhung der Anzahl der von Elektronen besetzten Zustände).

5. Die Zunahme der Radien (siehe Absatz 2) für Übergangselemente, die beim Übergang von der vierten in die fünfte Periode auftritt, wird bei Übergangselementen nicht beachtet

Übergang von der fünften in die sechste Periode; die metallischen Atomradien der entsprechenden (vertikalen Vergleichs-)Elemente in diesen letzten beiden Perioden sind nahezu gleich. Offenbar liegt dies daran, dass die dazwischen befindlichen Elemente relativ tief abgeschlossen sind f-Schale, so fallen die Zunahme der Ladung des Kerns und die damit verbundenen Anziehungseffekte stärker aus als die Effekte, die mit einer zunehmenden Anzahl von Elektronen (Lanthanidenkontraktion) einhergehen.

Element aus 4 Perioden

Radius, A˚

Element aus Periode 5

Radius, A˚

Element aus Periode 6

Radius, A˚

6. Normalerweise sind metallische Radien viel größer als Ionenradien, aber sie unterscheiden sich nicht so stark von den kovalenten Radien der gleichen Elemente, obwohl sie alle ausnahmslos größer als kovalente sind. Der große Unterschied in den Werten der metallischen Atom- und Ionenradien derselben Elemente erklärt sich aus der Tatsache, dass die Bindung, die ihren Ursprung fast freien Leitungselektronen verdankt, nicht stark ist (daher die beobachteten relativ großen Atomabstände in das Metallgitter). Ein deutlich geringerer Unterschied in den Werten der metallischen und kovalenten Radien derselben Elemente lässt sich erklären, wenn wir die metallische Bindung als eine spezielle „resonante“ kovalente Bindung betrachten.

Unter Van-der-Waals-Radius Es ist üblich, die Hälfte des Gleichgewichtsabstands zwischen den Kernen zwischen den nächsten Atomen zu verstehen, die durch eine Van-der-Waals-Bindung verbunden sind. Van-der-Waals-Radien bestimmen die effektive Größe von Edelgasatomen. Wie aus der Definition hervorgeht, kann der Van-der-Waals-Atomradius außerdem als die Hälfte des Kernabstands zwischen den nächsten gleichnamigen Atomen angesehen werden, die durch eine Van-der-Waals-Bindung verbunden sind und zu verschiedenen Molekülen gehören (z Molekülkristalle). Wenn sich Atome in einem Abstand nähern, der kleiner ist als die Summe ihrer Van-der-Waals-Radien, tritt eine starke interatomare Abstoßung auf. Daher charakterisieren Van-der-Waals-Atomradien die minimal zulässigen Kontakte von Atomen, die zu verschiedenen Molekülen gehören. Daten zu den Werten der Van-der-Waals-Atomradien für einige Atome finden sich in).

Die Kenntnis der Van-der-Waals-Atomradien ermöglicht es, die Form von Molekülen und ihre Packung in Molekülkristallen zu bestimmen. Die Van-der-Waals-Radien sind viel größer als alle oben aufgeführten Radien der gleichen Elemente, was durch die Schwäche der Van-der-Waals-Kräfte erklärt wird.