EFEKTYWNY ŁADUNEK JĄDROWY: KONCEPCJA, SPOSÓB JEGO OBLICZANIA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Dodatniego ładunku jądrowego (Zef) stanowi siła przyciągania, że wywiera na jądro każdy elektronów, po czym zmniejsza się w wyniku działania osłony i penetracji. Gdyby nie było takich efektów, elektrony odczuwałyby siłę przyciągania rzeczywistego ładunku jądrowego Z.

Na dolnym obrazku mamy model atomowy Bohra dla fikcyjnego atomu. Jego jądro ma ładunek jądrowy Z = + n, który przyciąga elektrony krążące wokół niego (niebieskie kółka). Można zauważyć, że dwa elektrony znajdują się na orbicie bliżej jądra, podczas gdy trzeci elektron znajduje się dalej od niego.

Trzeci elektron orbituje, czując elektrostatyczne odpychanie pozostałych dwóch elektronów, więc jądro przyciąga go z mniejszą siłą; to znaczy, oddziaływanie jądro-elektron zmniejsza się w wyniku ekranowania pierwszych dwóch elektronów.

Zatem pierwsze dwa elektrony odczuwają siłę przyciągania ładunku + n, ale trzeci doświadcza zamiast tego efektywnego ładunku jądrowego + (n-2).

Jednak ten Zef byłby ważny tylko wtedy, gdyby odległości (promień) do jądra wszystkich elektronów były zawsze stałe i określone, lokalizując ich ujemne ładunki (-1).

Pojęcie

Protony definiują jądra pierwiastków chemicznych, a elektrony określają ich tożsamość w ramach zbioru cech (grupy układu okresowego).

Protony zwiększają ładunek jądrowy Z w tempie n + 1, co jest kompensowane przez dodanie nowego elektronu w celu stabilizacji atomu.

Wraz ze wzrostem liczby protonów jądro zostaje „pokryte” dynamiczną chmurą elektronów, w której regiony, przez które krążą, są określone przez rozkłady prawdopodobieństwa promieniowych i kątowych części funkcji falowych ( orbitale).

Przy takim podejściu elektrony nie krążą w określonym obszarze przestrzeni wokół jądra, ale raczej, podobnie jak łopatki szybko obracającego się wentylatora, wtapiają się w kształty znanych orbitali s, p, d i f.

Z tego powodu ujemny ładunek -1 elektronu jest rozprowadzany przez te regiony, przez które przenikają orbitale; im większy efekt penetracji, tym większy efektywny ładunek jądrowy, którego wspomniany elektron doświadczy na orbicie.

Efekty penetracji i osłony

Zgodnie z powyższym wyjaśnieniem, elektrony w powłokach wewnętrznych nie wnoszą ładunku -1 do stabilizującego odpychania elektronów w powłokach zewnętrznych.

Jednak to jądro (powłoki wcześniej wypełnione elektronami) służy jako „ściana”, która zapobiega docieraniu siły przyciągania jądra do zewnętrznych elektronów.

Nazywa się to efektem ekranu lub efektem osłony. Ponadto nie wszystkie elektrony w zewnętrznych powłokach doświadczają tej samej wielkości tego efektu; na przykład, jeśli zajmujesz orbital o silnie penetrującym charakterze (to znaczy, który przechodzi bardzo blisko jądra i innych orbitali), poczujesz wyższy Zef.

W rezultacie powstaje rząd stabilności energetycznej jako funkcja tych Zef dla orbitali: s

Oznacza to, że orbital 2p ma wyższą energię (mniej stabilizowaną przez ładunek jądra) niż orbital 2s.

Im słabszy efekt penetracji wywierany przez orbital, tym mniejszy jest jego efekt ekranowania na resztę zewnętrznych elektronów. Orbitale di f wykazują wiele dziur (węzłów), w których jądro przyciąga inne elektrony.

Jak to obliczyć?

Zakładając, że ładunki ujemne są zlokalizowane, wzór na obliczenie Zef dla dowolnego elektronu jest następujący:

Zef = Z - σ

W tym wzorze σ jest stałą ekranowania wyznaczoną przez elektrony jądra. Dzieje się tak, ponieważ teoretycznie najbardziej zewnętrzne elektrony nie przyczyniają się do ekranowania wewnętrznych elektronów. Innymi słowy, 1s ² osłania elektron 2s ¹ , ale 2s ¹ nie osłania Z elektronów 1s ² .

Jeśli Z = 40, pomijając wspomniane efekty, ostatni elektron doświadczy Zef równego 1 (40-39).

Reguła Slatera

Reguła Slatera jest dobrym przybliżeniem wartości Zef dla elektronów w atomie. Aby go zastosować, wykonaj poniższe czynności:

1- Elektroniczną konfigurację atomu (lub jonu) należy zapisać w następujący sposób:

(1s) (2s 2p) (3s 3p) (3d) (4s 4p) (4d) (4f)…

2- Elektrony znajdujące się na prawo od rozpatrywanego nie przyczyniają się do efektu ekranowania.

3- Elektrony znajdujące się w tej samej grupie (zaznaczone w nawiasach) zapewniają 0,35 ładunku elektronu, chyba że jest to grupa 1s, a zamiast tego wynosi 0,30.

4- Jeśli elektron zajmuje orbital sop, wówczas wszystkie orbitale n-1 wnoszą 0,85, a wszystkie orbitale n-2 jedną jednostkę.

5- W przypadku, gdy elektron zajmuje orbital dof, wszyscy po jego lewej stronie wnoszą jedną jednostkę.

Przykłady

Wyznacz Zef dla elektronów na orbicie 2s

Zgodnie ze sposobem reprezentacji Slatera, elektroniczna konfiguracja Be (Z = 4) to:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Ponieważ na orbicie znajdują się dwa elektrony, jeden z nich przyczynia się do ekranowania drugiego, a orbital 1s to n-1 orbitalu 2s. Następnie, rozwijając sumę algebraiczną, otrzymujemy:

(0,35) (1) + (0,85) (2) = 2,05

0,35 pochodziło z elektronu 2s, a 0,85 z dwóch elektronów 1s. Teraz stosując formułę Zefa:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Co to znaczy? Oznacza to, że elektrony na orbicie 2s ² doświadczają ładunku +1,95, który przyciąga je w kierunku jądra, zamiast rzeczywistego ładunku +4.

Wyznacz Zef dla elektronów na orbicie 3p

Ponownie postępuje tak, jak w poprzednim przykładzie:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Teraz suma algebraiczna jest rozwijana w celu określenia σ:

(, 35) (4) + (0,85) (8) + (1) (2) = 10,2

Tak więc Zef jest różnicą między σ i Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Podsumowując, ostatnie 3p ³ elektrony są ładowane trzy razy mniej silnie niż rzeczywisty. Należy również zauważyć, że zgodnie z tą zasadą elektrony 3s ² doświadczają tego samego Zef, co może budzić wątpliwości w tym zakresie.

Istnieją jednak modyfikacje reguły Slatera, które pomagają w przybliżeniu obliczonych wartości do rzeczywistych.

Bibliografia

1. Chemia Libretexts. (22 października 2016). Skuteczne ładunki jądrowe. Zaczerpnięte z: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. W Elementy z grupy 1. (Wydanie czwarte, strony 19, 25, 26 i 30). Mc Graw Hill.
3. Reguła Slatera. Zaczerpnięte z: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Efekt osłonowy i efektywne ładunki jądrowe. Zaczerpnięte z: course.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23 kwietnia 2018). Jak obliczyć efektywny ładunek jądrowy. Nauka. Zaczerpnięte z: sciencing.com
6. Dr Arlene Courtney. (2008). Okresowe trendy. Uniwersytet Zachodniego Oregonu. Zaczerpnięte z: wou.edu