EFEKTIVNÍ JADERNÝ NÁBOJ: KONCEPCE, JAK JI VYPOČÍTAT A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Efektivní nukleární náboj (Zef) je přitažlivá síla, že jádro působí na některý z elektronů poté, co byl snížen účinků stínění a pronikání. Pokud by takové účinky neexistovaly, elektrony by pocítily přitažlivou sílu skutečného jaderného náboje Z.

Na dolním obrázku máme atomový model Bohra pro fiktivní atom. Jádro má jaderný náboj Z = + n, který přitahuje elektrony, které obíhají kolem něj (modré kruhy). Je vidět, že dva elektrony jsou na oběžné dráze blíže k jádru, zatímco třetí elektron leží dále od něj.

Třetí elektron obíhá kolem elektrostatických odrazů dalších dvou elektronů, takže jádro je přitahuje s menší silou; to znamená, že interakce jádro-elektron klesá v důsledku stínění prvních dvou elektronů.

První dva elektrony tedy pociťují přitažlivou sílu náboje + n, ale u třetího dochází k efektivnímu jadernému náboji + (n-2).

Tento Zef by však platil pouze tehdy, kdyby vzdálenosti (poloměr) k jádru všech elektronů byly vždy konstantní a definitivní, lokalizovaly by jejich záporné náboje (-1).

Pojem

Protony definují jádra chemických prvků a elektrony definují svou identitu v rámci souboru charakteristik (skupiny periodické tabulky).

Protony zvyšují jaderný náboj Z rychlostí n + 1, což je kompenzováno přidáním nového elektronu ke stabilizaci atomu.

Se zvyšujícím se počtem protonů se jádro „zakrývá“ dynamickým mrakem elektronů, ve kterém jsou oblasti, kterými cirkulují, definovány pravděpodobnostními distribucemi radiální a úhlové části vlnových funkcí (orbitaly).

Z tohoto přístupu elektrony neobíhají v definované oblasti prostoru kolem jádra, ale spíše, jako lopatky rychle se otáčejícího ventilátoru, rozostřují se do tvarů známých orbitálů s, p, d a f.

Z tohoto důvodu je záporný náboj -1 elektronu distribuován těmi regiony, které orbity pronikají; čím větší je penetrační efekt, tím větší je efektivní jaderný náboj, který uvedený elektron zažije v orbitálu.

Penetrační a stínící účinky

V souladu s výše uvedeným vysvětlením elektrony ve vnitřních obalech nepřispívají -1 ke stabilizačnímu odpuzování elektronů ve vnějších obalech.

Toto jádro (skořápky dříve zaplněné elektrony) však slouží jako „stěna“, která zabraňuje přitažlivé síle jádra dosáhnout vnějších elektronů.

Toto je známé jako efekt stínění nebo stínění. Také ne všechny elektrony ve vnějších obalech zažívají stejnou velikost tohoto účinku; například, pokud obsadíte orbital, který má vysokou penetraci (tj. že se velmi blíží jádru a jiným orbitálům), budete cítit vyšší Zef.

Výsledkem je, že v závislosti na těchto Zef pro orbitaly vzniká pořadí energetické stability

To znamená, že orbitál 2p má vyšší energii (méně stabilizovanou nábojem jádra) než orbitál 2s.

Čím slabší je penetrační účinek orbitální, tím menší je jeho stínící účinek na zbytek vnějších elektronů. Orbitaly d a f ukazují mnoho děr (uzlů), kde jádro přitahuje další elektrony.

Jak to spočítat?

Za předpokladu, že jsou lokalizovány záporné náboje, je vzorec pro výpočet Zef pro jakýkoli elektron:

Zef = Z - σ

V tomto vzorci σ je stínící konstanta určená elektrony jádra. Je tomu tak proto, že teoreticky nejvzdálenější elektrony nepřispívají k stínění vnitřních elektronů. Jinými slovy, 1s ² stíní elektrony 2s ¹, ale 2s ¹ nestíní Z elektrony 1s ².

Pokud Z = 40, opomíjející uvedené účinky, pak poslední elektron zažije Zef rovné 1 (40-39).

Slaterovo pravidlo

Slaterovo pravidlo je dobrá aproximace hodnot Zef pro elektrony v atomu. Chcete-li použít, postupujte takto:

1- Elektronická konfigurace atomu (nebo iontu) by měla být zapsána takto:

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

2- Elektrony, které jsou napravo od uvažovaného, ​​nepřispívají k stínění.

3- Elektrony, které jsou ve stejné skupině (označené závorkami), poskytují 0,35 náboj elektronu, pokud se nejedná o 1s skupinu, místo toho je 0,30.

4 - Pokud elektron zabírá sop orbital, pak všechny orbitaly n-1 přispívají 0,85 a všechny orbitaly n-2 jednu jednotku.

5 - V případě, že elektron zaujme dof orbitál, přispějí všichni po jeho levé straně jednu jednotku.

Příklady

Určete Zef pro elektrony ve 2s orbitále

Podle Slaterova režimu reprezentace je elektronická konfigurace Be (Z = 4):

(1s ²) (2s ² 2p ⁰)

Protože v orbitále jsou dva elektrony, jeden z nich přispívá k stínění druhého a 1s orbitál je n-1 orbitálu 2s. Poté, vyvíjíme algebraický součet, máme následující:

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

0,35 pochází z 2s elektronu a 0,85 z obou 1s elektronů. Nyní použijeme Zefův vzorec:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Co to znamená? To znamená, že elektrony v orbitální dráze 2s ² zažívají náboj +1,95, který je přitahuje směrem k jádru, místo skutečného náboje +4.

Určete Zef pro elektrony v orbitálu 3p

Znovu to pokračuje jako v předchozím příkladu:

(1s ²) (2s ² 2p ⁶) (3s ² 3p ³)

Nyní se vyvinula algebraická suma k určení σ:

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

Zef je tedy rozdíl mezi σ a Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Závěrem lze říci, že poslední 3p ³ elektrony zažijí náboj třikrát méně silný než ten skutečný. Je třeba také poznamenat, že podle tohoto pravidla zažívají elektrony 3s ² stejný Zef, což by mohlo v tomto ohledu vyvolat pochybnosti.

Existují však úpravy Slaterova pravidla, které pomáhají přiblížit vypočtené hodnoty skutečným hodnotám.

Reference

1. Chemie Libretexts. (2016, 22. října). Efektivní jaderný náboj. Převzato z: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. V části Prvky skupiny 1. (Čtvrté vydání., Strany 19, 25, 26 a 30). Mc Graw Hill.
3. Slaterovo pravidlo. Převzato z: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Stínící efekt a efektivní jaderný náboj. Převzato z: courses.lumenlearning.com
5. Hoke, Chrisi. (23. dubna 2018). Jak vypočítat efektivní jaderný náboj. Sciencing. Převzato z: sciencing.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodické trendy. Západní Oregonská univerzita. Převzato z: wou.edu