刘建川・GROMACS 干货 | 原子/离子半径周期表

大家好，我是刘建川，14 年深耕 GROMACS 分子模拟领域，始终专注分子模拟实战。今天给大家分享两张非常实用的 原子 / 离子半径周期表。

如果你平时做的是：

GROMACS｜分子动力学｜材料模拟｜离子体系｜配位分析｜力场参数

这两张图非常值得收藏。

🔴 一张看趋势，一张查数据。

很多做分子模拟时经常要临时查的基础尺寸信息，这两张图基本都能快速找到。

🔵 01｜常见离子半径周期表

单位：pm（皮米）

这张图最大的优点就是：

🔴 直观。

不同离子的大小直接通过圆圈尺寸表示，因此可以非常快速地比较不同元素、不同价态离子的尺寸差异。

例如：

🟢 一个很明显的周期规律

同族元素从上到下，离子半径通常逐渐增大：

Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺

随着周期数增加，电子层数增加，最外层电子距离原子核越来越远，因此离子尺寸通常逐渐增大。

同时通常还可以观察到：

🔵 阳离子半径通常小于对应中性原子半径

🔴 阴离子半径通常大于对应中性原子半径

🟢 02｜原子、共价及离子半径周期表

相比第一张图，第二张表包含的信息更加丰富。

其中整理了：

• 🟢 原子半径
• 🟢 共价半径
• 🔵 不同氧化态下的离子半径
• 🟠 部分过渡金属离子数据
• 🟠 镧系元素相关数据

对于需要快速查阅基础尺寸数据的同学来说，这张表非常方便。

🔵 举两个简单例子

Na

原子半径约：

🟢 154 pm

而 Na⁺ 半径约：

🟢 95 pm

Mg

原子半径约：

🟢 136 pm

而 Mg²⁺ 半径约：

🟢 65 pm

从这些数据可以明显看到：

🔴 原子失去电子形成阳离子之后，半径通常会明显减小。

主要原因包括：

1. 最外层电子被移除后，电子层数可能减少；
2. 剩余电子受到原子核的有效吸引增强；
3. 电子云整体向原子核方向收缩。

相反：

🔵 原子得到电子形成阴离子之后，半径通常会增大。

电子数增加以后，电子之间的排斥增强，电子云整体会进一步扩展。

🟠 03｜这些半径数据和 GROMACS 有什么关系？

这里有一个做分子模拟时非常重要的概念。

在经典分子动力学中，我们一般不会直接把某个“离子半径”作为固定尺寸输入 GROMACS。

原子或离子的空间尺寸，更多是通过力场中的参数体现，例如：

• 🟠 Lennard-Jones 参数
• 🟠 σ / ε 参数
• 🟢 范德华相互作用
• 🔵 静电相互作用
• 🟢 原子类型
• 🟠 力场参数化方案

共同决定。

🔴 因此，周期表中的“离子半径”和 GROMACS 力场里的 LJ 参数，并不是完全相同的概念。

这一点要特别注意。

🔵 04｜那为什么做分子模拟还要看离子半径？

虽然我们不会直接把离子半径填进 .top 或 .itp 文件，但这些基础数据依然很有参考价值。

🟢 ① 判断结构尺寸是否合理

例如：

Na⁺、K⁺、Ca²⁺ 等离子的相对大小，至少应该符合基本的化学规律。

如果模拟得到的结构在尺寸关系上明显异常，就值得进一步检查模型是否合理。

🟢 ② 辅助分析离子配位结构

离子尺寸会影响很多结构性质，例如：

• 配位距离
• 配位数
• 第一水合层
• 第二水合层
• 蛋白质配位
• 配体结合
• 表面吸附

尤其是在分析金属离子体系时，离子尺寸往往是理解配位结构的重要基础。

🟢 ③ 理解 Na⁺ 和 K⁺ 为什么表现不同

Na⁺ 和 K⁺ 都是：

🔵 +1 价离子

但它们的尺寸明显不同。

这种尺寸差异会进一步影响：

• 🟢 水合结构
• 🔵 离子通道选择性
• 🟠 界面吸附
• 🟢 配位行为
• 🔵 与蛋白质或材料表面的相互作用

🔴 “价态相同”并不意味着“模拟行为相同”。

🟠 ④ 辅助检查力场参数

如果模拟中发现：

🔴 某个离子与配体距离明显过近

或者：

🔴 某个金属离子的第一配位层结构明显异常

可以进一步检查：

• 🟠 原子类型是否正确
• 🟠 电荷参数是否合理
• 🟠 LJ 参数是否合适
• 🟠 当前力场是否适合该体系
• 🟠 离子参数是否与所用水模型兼容

这也是为什么很多金属离子体系，不能简单地“加一个离子进去”就结束了。

🔴 05｜特别注意：离子半径不是唯一固定值

⚠️ 同一个离子，在不同资料中查到的半径可能并不完全一样。

这并不一定意味着某一组数据是错误的。

因为离子半径会受到很多因素影响，例如：

• 🟢 氧化态
• 🟢 配位数
• 🟢 晶体结构
• 🟢 化学环境
• 🟢 自旋状态
• 🟢 半径定义方法
• 🟢 数据来源

因此科研中经常会看到：

🔴 同一个元素、同一个价态，不同文献给出的离子半径仍然可能存在差异。

这是正常现象。

🟠 06｜正式科研时应该以什么数据为准？

如果只是：

🟢 快速判断趋势、比较不同离子的尺寸

这两张图已经非常方便。

但如果涉及：

• 力场参数构建
• 金属离子参数化
• 配位距离定量分析
• 论文数据比较
• 模型参数验证

建议优先参考：

🟠 具体力场参数

🔵 权威数据库

🟢 原始文献

而不要直接把周期表里的某一个半径数值，当成分子动力学中的“原子尺寸参数”。

🔵 07｜一个很实用的单位换算

做分子模拟的同学建议记住：

🟢 1 Å = 100 pm

同时：

🟢 100 pm = 1 Å = 0.1 nm

对于 GROMACS 用户尤其方便。

因为 GROMACS 中：

🟠 距离通常使用 nm 作为单位

例如：

2 Å = 0.2 nm

3 Å = 0.3 nm

5 Å = 0.5 nm

看到论文中的 Å，就可以很快换算成 GROMACS 中常用的 nm。

今天分享的两张图：

🔵 第一张

适合：

快速看离子尺寸和周期变化趋势

🟢 第二张

适合：

查询原子半径、共价半径以及不同价态离子半径

如果你平时做：

GROMACS｜分子动力学｜材料模拟｜金属离子体系｜电解液｜蛋白配体｜配位分析｜力场参数

建议收藏下来。以后很多时候都会用到。

🟠 特别说明

本文中的半径数据主要用于科研学习、趋势判断与快速查询。 不同文献、不同配位环境以及不同半径定义下，数值可能存在差异。

🔴 如用于正式科研计算、参数构建或定量分析，请以具体力场、权威数据库及原始文献为准。

🔴图片说明：本文部分图片来源于网络公开资料，仅用于科研学习与知识分享。如涉及版权，请联系删除。