Αποτελεσματική έννοια πυρηνικού φορτίου, τρόπος υπολογισμού και παραδείγματα

Το αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο (Zef) είναι η δύναμη έλξης που ασκείται από τον πυρήνα σε οποιοδήποτε από τα ηλεκτρόνια αφού μειώνεται από τα αποτελέσματα της διαλογής και της διείσδυσης. Αν δεν υπήρχαν τέτοιες επιδράσεις, τα ηλεκτρόνια θα αισθανόταν την ελκυστική δύναμη του πραγματικού πυρηνικού φορτίου Ζ.

Στην κάτω εικόνα έχουμε το ατομικό μοντέλο Bohr για ένα πλασματικό άτομο. Ο πυρήνας του έχει μια πυρηνική φορτίο Z = + n, η οποία προσελκύει τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από (τους μπλε κύκλους). Μπορούμε να δούμε ότι δύο ηλεκτρόνια βρίσκονται σε μια τροχιά πιο κοντά στον πυρήνα, ενώ το τρίτο ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε μεγαλύτερη απόσταση από αυτό.

Η τρίτη τροχιά των ηλεκτρονίων που αισθάνεται τις ηλεκτροστατικές αποσπάσεις των άλλων δύο ηλεκτρονίων, οπότε ο πυρήνας τον προσελκύει με λιγότερη δύναμη. δηλαδή, η αλληλεπίδραση πυρήνα-ηλεκτρονίων μειώνεται ως αποτέλεσμα της θωράκισης των δύο πρώτων ηλεκτρονίων.

Στη συνέχεια, τα πρώτα δύο ηλεκτρόνια αισθάνονται την ελκυστική δύναμη ενός φορτίου + n, αλλά η τρίτη εμπειρία αντιθέτως μια αποτελεσματική πυρηνική φορτίο + (n-2).

Ωστόσο, τέτοια Ζεφ είναι έγκυρη μόνον αν οι αποστάσεις (η ακτίνα) σε όλα πυρήνα ηλεκτρόνια ήταν πάντα σταθερή και ορίζεται, εντόπιση αρνητικό φορτίο τους (-1).

Ευρετήριο

• 1 Έννοια
  • 1.1 Επιπτώσεις διείσδυσης και διαλογής
• 2 Πώς να το υπολογίσετε?
  • 2.1 Ο κανόνας του Slater
• 3 Παραδείγματα
  • 3.1 Προσδιορίστε το Zef για τα ηλεκτρόνια του τροχιακού 2s2 σε βηρύλλιο
  • 3.2 Προσδιορίστε το Zef για τα ηλεκτρόνια στο τροχιακό φωσφόρο 3
• 4 Αναφορές

Έννοια

Τα πρωτόνια καθορίζουν τους πυρήνες των χημικών στοιχείων και τα ηλεκτρόνια την ταυτότητά τους μέσα σε ένα σύνολο χαρακτηριστικών (οι ομάδες του περιοδικού πίνακα).

Τα πρωτόνια αυξάνουν το πυρηνικό φορτίο Z με ρυθμό n + 1, το οποίο αντισταθμίζεται από την προσθήκη ενός νέου ηλεκτρονίου για τη σταθεροποίηση του ατόμου.

Καθώς ο αριθμός των πρωτονίων, ο πυρήνας «καλύπτει» μια δυναμική νέφος ηλεκτρονίων στο οποίο οι περιοχές όπου κυκλοφορούν ορίζεται από την κατανομή πιθανότητας των ακτινική και γωνιακή τμήματα των λειτουργιών κύματος ( τα τροχιακά).

Από την προσέγγιση αυτή, η τροχιά ηλεκτρόνιο σε μια καθορισμένη περιοχή του χώρου γύρω από τον πυρήνα, αλλά, όπως και οι λεπίδες ενός περιστρεφόμενου ανεμιστήρα γρήγορα ξεθωριάζουν με τις μορφές των γνωστών τροχιακών s, p, d και f.

Για το λόγο αυτό, το αρνητικό φορτίο -1 ενός ηλεκτρόνου διανέμεται από εκείνες τις περιοχές που διεισδύουν στα τροχιακά. όσο μεγαλύτερη είναι η διεισδυτική επίδραση, τόσο μεγαλύτερο είναι το αποτελεσματικό πυρηνικό φορτίο που το ηλεκτρόνιο θα βιώσει στο τροχιακό.

Επιδράσεις διείσδυσης και διαλογής

Σύμφωνα με την προηγούμενη εξήγηση, τα ηλεκτρόνια των εσωτερικών στρωμάτων δεν συνεισφέρουν φορτίο -1 στην σταθεροποιητική απώθηση των ηλεκτρονίων από τα εξωτερικά στρώματα.

Ωστόσο, αυτός ο πυρήνας (τα στρώματα που είχαν προηγουμένως γεμίσει με ηλεκτρόνια) χρησιμεύει ως "τοίχος" που εμποδίζει την ελκυστική δύναμη του πυρήνα να φτάσει στα εξωτερικά ηλεκτρόνια.

Αυτό είναι γνωστό ως εφέ οθόνης ή εφέ προβολής. Επίσης, δεν έχουν όλα τα ηλεκτρόνια στα εξωτερικά στρώματα το ίδιο μέγεθος αυτού του αποτελέσματος. για παράδειγμα, εάν καταλαμβάνοντας μια τροχιακή που έχει ένα χαρακτήρα υψηλής διεισδυρικής (δηλαδή, διέρχονται κοντά στον πυρήνα και άλλα τροχιακή), τότε αισθάνονται πιο Ζεφ.

Ως αποτέλεσμα, υπάρχει μια τάξη ενεργειακής σταθερότητας με βάση αυτά τα Zef για τα τροχιακά: s

Αυτό σημαίνει ότι το τροχό 2p έχει υψηλότερη ενέργεια (λιγότερο σταθεροποιημένη από το φορτίο πυρήνα) από το τροχιακό 2s.

Όσο χειρότερη είναι η επίδραση της διείσδυσης που ασκείται από την τροχιά, τόσο μικρότερη είναι η επίδραση της οθόνης στο υπόλοιπο των εξωτερικών ηλεκτρονίων. Τα δ και f τροχιακά δείχνουν πολλές οπές (κόμβοι) όπου ο πυρήνας προσελκύει άλλα ηλεκτρόνια.

Πώς να το υπολογίσετε?

Υποθέτοντας ότι βρίσκονται οι αρνητικές χρεώσεις, ο τύπος για τον υπολογισμό του Zef για οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο είναι:

Zef = Ζ - σ

Στον αναφερόμενο τύπο σ είναι η σταθερά θωράκισης που προσδιορίζεται από τα ηλεκτρόνια του πυρήνα. Αυτό οφείλεται στο ότι, θεωρητικά, τα εξόχως απόκεντρα ηλεκτρόνια δεν συμβάλλουν στη θωράκιση των εσωτερικών ηλεκτρονίων. Με άλλα λόγια, 1s² Ασπίδες του ηλεκτρονίου 2s¹, αλλά 2s¹ δεν προστατεύει το Z σε 1s ηλεκτρόνια².

Εάν Z = 40, παραμένοντας τα προαναφερθέντα αποτελέσματα, τότε το τελευταίο ηλεκτρόνιο θα βιώσει Zef ίση με 1 (40-39).

Ο κανόνας του Slater

Ο κανόνας του Slater είναι μια καλή προσέγγιση των τιμών Zef για τα ηλεκτρόνια στο άτομο. Για να το εφαρμόσετε, είναι απαραίτητο να ακολουθήσετε τα παρακάτω βήματα:

1- Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του ατόμου (ή του ιόντος) πρέπει να γραφεί ως εξής:

(3δ) (3δ 3ρ) (3δ) (4δ 4β) (4δ) (4στ) ...

2- Ηλεκτρόνια στα δεξιά του θεωρούμενου δεν συμβάλλουν στην επίδραση θωράκισης.

3- Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται μέσα στην ίδια ομάδα (σημειωμένα με τις παρενθέσεις) συμβάλλουν 0,35 το φορτίο του ηλεκτρονίου εκτός αν είναι η ομάδα 1s, είναι στη θέση του 0,30.

4- Εάν το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει s ή p τροχιακό, τότε όλα τα orbital n-1 συνεισφέρουν 0,85 και όλα τα orbitals n-2 μια μονάδα.

5- Σε περίπτωση που το ηλεκτρόνιο καταλαμβάνει ένα τροχιακό d ή f, όλοι όσοι βρίσκονται στα αριστερά του συμβάλλουν με μία μονάδα.

Παραδείγματα

Προσδιορίστε το Zef για τα τροχιακά ηλεκτρόνια του 2s² σε βηρύλλιο

Μετά από τη λειτουργία αναπαράστασης του Slater, η ηλεκτρονική διαμόρφωση του Be (Z = 4) είναι:

(1s²) (2δ²2ρ⁰)

Όπως και στις τροχιακές δύο ηλεκτρόνια, ένα από αυτά συμβάλλει στην θωράκιση το άλλο, και τα 1s τροχιακό είναι n-1 2s τροχιακό. Στη συνέχεια, η ανάπτυξη του αλγεβρικού ποσού έχει τα εξής:

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

Το 0,35 προέρχεται από το ηλεκτρόνιο 2s και το 0,85 από τα δύο ηλεκτρόνια από το 1s. Τώρα, εφαρμόζοντας τον τύπο του Zef:

Zef = 4 - 2.05 = 1.95

Τι σημαίνει αυτό; Σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια στην τροχιά του 2ου² βιώνουν μια χρέωση +1,95 που τους προσελκύει στον πυρήνα, αντί για το πραγματικό φορτίο +4.

Προσδιορίστε Zef για τα ηλεκτρόνια στο τροχιακό 3p³ φωσφόρου

Και πάλι, συνεχίστε όπως στο προηγούμενο παράδειγμα:

(1s²) (2δ²2ρ⁶) (3s²3ρ³)

Τώρα το αλγεβρικό άθροισμα αναπτύσσεται για να προσδιορίσει σ:

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

Έτσι, Zef είναι η διαφορά μεταξύ σ και Ζ:

Zef = 15-10.2 = 4.8

Συμπερασματικά, τα τελευταία 3p ηλεκτρόνια³ Βιώνουν μια χρέωση 3 φορές λιγότερο ισχυρή από την πραγματική. Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι, σύμφωνα με αυτόν τον κανόνα, 3s ηλεκτρόνια² δοκιμάστε το ίδιο Zef, αποτέλεσμα που θα μπορούσε να προκαλέσει αμφιβολίες.

Ωστόσο, υπάρχουν τροποποιήσεις στον κανόνα Slater που βοηθούν στην προσέγγιση των υπολογισμένων αξιών των πραγματικών.

Αναφορές

1. Χημεία Libretexts. (22 Οκτωβρίου 2016). Αποτελεσματική πυρηνική επιβάρυνση. Από: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Ανόργανη χημεία Στα στοιχεία της ομάδας 1. (Τέταρτη έκδοση, σελ. 19, 25, 26 και 30). Mc Graw Hill.
3. Ο κανόνας του Slater. Λαμβάνεται από: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen Η επίδραση θωράκισης και η αποτελεσματική πυρηνική φόρτιση. Λαμβάνεται από: courses.lumenlearning.com
5. Χόκε, Κρις. (23 Απριλίου 2018). Πώς να υπολογίσετε την αποτελεσματική πυρηνική φόρτιση. Sciencing. Από: sciencing.com
6. Δρ Arlene Courtney. (2008). Περιοδικές τάσεις. Δυτικό Πανεπιστήμιο του Όρεγκον. Από: wou.edu