EFFEKTIV NUKLEAR LADNING: KONCEPT, HVORDAN MAN BEREGNER DET OG EKSEMPLER - KEMI - 2025

Den effektive atomladning (Zef) er den attraktive kraft, som kernen udøver på nogen af ​​elektronerne, efter at de er reduceret af virkningerne af afskærmning og penetration. Hvis der ikke var sådanne effekter, ville elektronerne føle den attraktive kraft af den faktiske atomladning Z.

I det nedre billede har vi Bohr-atommodellen for et fiktivt atom. Dens kerne har en nuklear ladning Z = + n, som tiltrækker de elektroner, der kredser rundt om den (de blå cirkler). Det kan ses, at to elektroner befinder sig i en bane tættere på kernen, mens den tredje elektron ligger længere væk fra den.

Den tredje elektron går i bane rundt om de elektrostatiske frastødelser fra de to andre elektroner, så kernen tiltrækker den med mindre kraft; det vil sige, at nucleus-elektron-interaktionen falder som et resultat af afskærmningen af ​​de to første elektroner.

Så de første to elektroner føler den attraktive kraft ved en + n-ladning, men den tredje oplever en effektiv atomladning på + (n-2) i stedet.

Denne Zef ville imidlertid kun være gyldig, hvis afstandene (radius) til kernen i alle elektroner altid var konstante og bestemte og lokaliserer deres negative ladninger (-1).

Koncept

Protoner definerer kernerne i kemiske elementer, og elektroner definerer deres identitet inden for et sæt egenskaber (grupperne i den periodiske tabel).

Protoner øger den nukleare ladning Z med hastigheden n + 1, som kompenseres ved tilsætning af en ny elektron for at stabilisere atomet.

Når antallet af protoner øges, bliver kernen "dækket" af en dynamisk sky af elektroner, hvor regionerne, gennem hvilke de cirkulerer, er defineret af sandsynlighedsfordelingen af ​​de radiale og vinkeldele af bølgefunktionerne (orbitaler).

Fra denne tilgang kredser elektronerne ikke i et defineret rumområde omkring kernen, men snarere, som bladerne i en hurtigt roterende ventilator, sløres de ud i formene af de kendte s, p, d og f orbitaler.

Af denne grund fordeles den negative ladning -1 af et elektron af de regioner, som orbitalerne trænger ind i; jo større den penetrerende effekt er, jo større er den effektive atomladning, som nævnte elektron vil opleve i orbitalen.

Penetrations- og afskærmningseffekter

I henhold til ovenstående forklaring bidrager elektronerne i de indre skaller ikke en ladning på -1 til den stabiliserende frastødelse af elektronerne i de ydre skaller.

Imidlertid tjener denne kerne (de skaller, der tidligere er fyldt med elektroner), som en "væg", der forhindrer den attraktive kraft i kernen i at nå de ydre elektroner.

Dette er kendt som skærmeffekt eller afskærmningseffekt. Desuden oplever ikke alle elektronerne i de ydre skaller den samme størrelse af denne effekt; for eksempel, hvis du besætter en orbital, der har en høj penetrerende karakter (det vil sige, der passerer meget tæt på kernen og andre orbitaler), vil du føle en højere Zef.

Som et resultat opstår en rækkefølge af energistabilitet som en funktion af disse Zef for orbitalerne: s

Dette betyder, at 2p-orbitalen har højere energi (mindre stabiliseret ved ladningen af ​​kernen) end 2-orbitalen.

Jo dårligere penetrationseffekt, som orbitalen udøver, jo mindre er dens skærmeffekt på resten af ​​de eksterne elektroner. D- og f-orbitalerne viser mange huller (knuder), hvor kernen tiltrækker andre elektroner.

Hvordan beregnes det?

Forudsat at negative ladninger er lokaliseret, er formlen til beregning af Zef for enhver elektron:

Zef = Z - σ

I denne formel σ er afskærmningskonstanten bestemt af kernernes elektroner. Dette skyldes, at de yderste elektroner teoretisk set ikke bidrager til afskærmningen af ​​de indre elektroner. Med andre ord, 1s ² afskærmer 2s ¹ elektron, men 2s ¹ ikke Z skjold 1s ² elektroner.

Hvis Z = 40, når man ignorerer de nævnte effekter, vil den sidste elektron opleve en Zef lig med 1 (40-39).

Slater's regel

Slater's regel er en god tilnærmelse af Zef-værdierne for elektronerne i atomet. Følg nedenstående trin for at anvende det:

1- Den elektroniske konfiguration af atomet (eller ion) skal skrives som følger:

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

2- Elektronerne, der er til højre for den, der overvejes, bidrager ikke til afskærmningseffekten.

3- Elektronerne, der er inden for den samme gruppe (markeret med parenteserne) bidrager med 0,35 ladningen af ​​elektronet, medmindre det er 1s-gruppen, der i stedet er 0,30.

4- Hvis elektronet optager en sop-orbital, bidrager alle n-1-orbitaler 0,85, og alle n-2-orbitalerne en enhed.

5- I tilfælde af at elektronet besætter en dof-orbital, bidrager alle dem til venstre med en enhed.

eksempler

Bestem Zef for elektronerne i 2'erne orbital

Efter Slater's repræsentationsmåde er den elektroniske konfiguration af Be (Z = 4):

(1s ²) (2s ² 2p ⁰)

Da der er to elektroner i orbitalen, bidrager den ene til afskærmningen af ​​den anden, og 1s-orbitalen er n-1 for 2s-orbitalen. Derefter udvikler vi den algebraiske sum har vi følgende:

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

0,35 kom fra 2'ers elektron, og 0,85 fra de to 1'ers elektroner. Anvend nu Zefs formel:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Hvad betyder det? Det betyder, at elektronerne i 2s ^2- kredsløbet oplever en ladning på +1,95, som trækker dem mod kernen i stedet for den faktiske ladning på +4.

Bestem Zef for elektronerne i 3p-orbitalen

Igen fortsætter det som i det forrige eksempel:

(1s ²) (2s ² 2p ⁶) (3s ² 3p ³)

Nu er den algebraiske sum udviklet til at bestemme σ:

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

Så Zef er forskellen mellem σ og Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Afslutningsvis oplever de sidste 3p ³ elektroner en opladning tre gange mindre stærk end den reelle. Det skal også bemærkes, at 3s ^2- elektroner ifølge denne regel oplever den samme Zef, et resultat, der kunne rejse tvivl i denne henseende.

Der er dog ændringer til Slater's regel, der hjælper med at tilnærme de beregnede værdier til de faktiske.

Referencer

1. Kemi Libretexts. (2016, 22. oktober). Effektiv atomafgift. Taget fra: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. I elementerne i gruppe 1. (Fjerde udgave., Side 19, 25, 26 og 30). Mc Graw Hill.
3. Slater's regel. Taget fra: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Den afskærmende virkning og den effektive atomafladning. Taget fra: kurser.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23. april 2018). Sådan beregnes effektiv nuklearafgift. Sciencing. Taget fra: sciencing.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodiske tendenser. Western Oregon University. Taget fra: wou.edu