Conceptul de încărcare nucleară eficientă, cum se calculează și exemplele



încărcătura nucleară eficientă (Zef) este forța de atracție exercitată de nucleu pe oricare dintre electroni după ce a fost redusă de efectele de screening și de penetrare. Dacă nu ar exista astfel de efecte, electronii ar simți forța atractivă a încărcăturii nucleare reale Z.

În imaginea inferioară avem modelul atomic Bohr pentru un atom fictiv. Nucleul său are o sarcină nucleară Z = + n, care atrage electronii care orbitează (cercurile albastre). Se poate observa că doi electroni se află într-o orbită mai aproape de nucleu, în timp ce al treilea electron se află la o distanță mai mare de acesta.

Cea de-a treia orbită de electroni sesizează repulsia electrostatică a celorlalți doi electroni, astfel că nucleul îl atrage cu o forță mai mică; adică interacțiunea nucleu-electron scade ca urmare a ecranării primilor doi electroni.

Apoi, primii doi electroni simt forța atractivă a unei încărcări + n, dar a treia experiență în schimb o încărcătură nucleară eficientă de + (n-2).

Cu toate acestea, Zef ar fi valabil numai dacă distanțele (raza) la nucleul tuturor electronilor au fost întotdeauna constante și definite, localizând încărcăturile lor negative (-1).

index

  • 1 Concept
    • 1.1 Efectele de penetrare și de screening
  • 2 Cum se calculează?
    • 2.1 Regula lui Slater
  • 3 Exemple
    • 3.1 Determinarea Zef pentru electronii orbitalului 2s2 în beriliu
    • 3.2 Determinarea Zef pentru electroni în orbitalul fosfor 3
  • 4 Referințe

concept

Protonii definesc nucleele elementelor chimice, iar electronii identitatea lor într-un set de caracteristici (grupurile din tabelul periodic).

Protonii măresc încărcătura nucleară Z la o rată de n + 1, compensată prin adăugarea unui nou electron pentru a stabiliza atomul.

Odată cu creșterea numărului de protoni, nucleul este "acoperit" de un nor dinamic de electroni, în care regiunile prin care circulă sunt definite de distribuția probabilității părților radiale și unghiulare ale funcțiilor de undă ( orbitele).

Din această abordare, electronii nu orbitează într-o regiune definită a spațiului din jurul nucleului, dar, ca și cum ar fi cuțitele unui ventilator care se rotesc rapid, ele se estompează în formele orbitalilor cunoscuți s, p, d și f.

Din acest motiv, sarcina negativă -1 a unui electron este distribuită de acele regiuni care penetrează orbitele; cu cât efectul de penetrare este mai mare, cu atât este mai mare încărcătura nucleară eficientă pe care electronul o va experimenta în orbitală.

Penetrare și efecte de screening

Conform explicației anterioare, electronii straturilor interioare nu contribuie cu o sarcină de -1 la repulsia stabilizatoare a electronilor straturilor exterioare.

Cu toate acestea, acest kernel (straturile umplute anterior de electroni) servește ca un "perete" care împiedică forța atractivă a nucleului să ajungă la electronii exteriori.

Acest lucru este cunoscut ca efect de ecran sau efect de screening. De asemenea, nu toți electronii din straturile exterioare experimentează aceeași magnitudine a acelui efect; de exemplu, dacă ocupă o orbită care are un caracter foarte pătrunzător (adică tranzitează foarte aproape de nucleu și alte orbite), atunci se va simți un Zef mai mare.

Ca urmare, există o ordine a stabilității energetice pe baza acestor Zef pentru orbite: s<><>

Aceasta înseamnă că orbitalul 2p are mai multă energie (mai puțin stabilizat de sarcina de bază) decât orbitalul 2s.

Cu cât e mai slab efectul de penetrare exercitat de orbital, cu atât este mai redus efectul ecranului asupra restului electronilor externi. D orbele f și f arată multe găuri (noduri) unde nucleul atrage alți electroni.

Cum se calculează?

Presupunând că sunt localizate plățile negative, formula pentru calcularea lui Zef pentru orice electron este:

Zef = Z - σ

În formula respectivă σ este constanta de ecranare determinată de electronii kernelului. Acest lucru se datorează faptului că, teoretic, electronii ultraperiferici nu contribuie la ecranarea electronilor interne. Cu alte cuvinte, 1s2 Protejează electronii 2s1, dar 2s1 nu protejează Z la 1s electroni2.

Dacă Z = 40, neglijând efectele menționate, atunci ultimul electron va avea un Zef egal cu 1 (40-39).

Regulamentul lui Slater

Regula lui Slater este o aproximare bună a valorilor Zef pentru electronii din atom. Pentru ao aplica, este necesar să urmați pașii de mai jos:

1- Configurația electronică a atomului (sau ionului) trebuie să fie scrisă după cum urmează:

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

2 - Electronii care se află la dreapta celui considerat nu contribuie la efectul de ecranare.

3 - Electronii care se află în același grup (marcată de paranteze) contribuie 0,35 la încărcarea electronului dacă nu este grupul 1s, fiind în locul lui 0,30.

4 - Dacă electronul ocupă un s sau p orbital, atunci toate orbitele n-1 contribuie cu 0,85 și toate n-2 orbitale o unitate.

5- În cazul în care electronul ocupă un orbital d sau f, toți cei din stânga lui contribuie cu o unitate.

Exemple

Determinați Zef pentru electronii orbitali ai 2s2 în beriliu

Urmând modul de reprezentare al lui Slater, configurația electronică a lui Be (Z = 4) este:

(1s2) (2s22p0)

Ca și în orbital există doi electroni, unul dintre aceștia contribuie la ecranarea celuilalt, iar orbita 1s este n-1 a orbitalului 2s. Apoi, dezvoltarea sumelor algebrice are următoarele:

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

Cele 0,35 au provenit de la electronul 2s, iar 0,85 de la cei doi electroni de la 1s. Acum, aplicând formula lui Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Ce înseamnă asta? Înseamnă că electronii din orbitalul 2s2 ei au o încărcătură de +1.95 care le atrage spre miez, în loc de încărcarea reală de +4.

Determinați Zef pentru electroni în orbitalul 3p3 de fosfor

Din nou, vom continua ca în exemplul precedent:

(1s2) (2s22p6) (3s23p3)

Acum, suma algebrică este dezvoltată pentru a determina σ:

(,35)(4) + (0.85)(8) + (1)(2)= 10,2

Deci, Zef este diferența dintre σ și Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

În concluzie, ultimii 3p electroni3 Ei au o taxă de trei ori mai puțin puternică decât cea reală. De asemenea, trebuie remarcat faptul că, conform acestei reguli, electronii 3s2 Ei experimentează același Zef, un rezultat care ar putea ridica îndoieli în legătură cu acesta.

Cu toate acestea, există modificări ale regulii Slater care ajută la aproximarea valorilor calculate ale celor reale.

referințe

  1. Chemistry Libretexts. (22 octombrie 2016). Charge nuclear efectiv. Luat de la: chem.libretexts.org
  2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică În Elementele grupului 1. (ediția a patra, paginile 19, 25, 26 și 30). Mc Graw Hill.
  3. Regula lui Slater. Luat de la: intro.chem.okstate.edu
  4. Lumen. Efectul de ecranare și încărcarea nucleară eficientă. Luat de la: courses.lumenlearning.com
  5. Hoke, Chris. (23 aprilie 2018). Cum se calculează încărcarea efectivă a energiei nucleare. Sciencing. Luat de la: sciencing.com
  6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Tendințe periodice. Universitatea din Western Oregon. Luat de la: wou.edu