ЭФФЕКТИВНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЗАРЯД: ПОНЯТИЕ, КАК ЕГО РАССЧИТАТЬ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2024

Эффективный ядерный заряд (Зеф) является силой притяжения , что ядро оказывает на каком - либо из электронов после уменьшения эффектов экранирования и проникновения. Если бы таких эффектов не было, электроны почувствовали бы силу притяжения действительного заряда ядра Z.

На нижнем изображении представлена ​​атомная модель Бора для фиктивного атома. Его ядро ​​имеет ядерный заряд Z = + n, который притягивает электроны, вращающиеся вокруг него (синие кружки). Видно, что два электрона находятся на орбите ближе к ядру, а третий электрон находится дальше от него.

Третий электрон вращается по орбите, ощущая электростатическое отталкивание двух других электронов, поэтому ядро ​​притягивает его с меньшей силой; то есть взаимодействие ядра с электроном уменьшается в результате экранирования первых двух электронов.

Таким образом, первые два электрона ощущают силу притяжения заряда + n, а третий вместо этого испытывает эффективный ядерный заряд + (n-2).

Однако этот Zef был бы действителен только в том случае, если бы расстояния (радиус) до ядра всех электронов всегда были постоянными и определенными, определяя их отрицательные заряды (-1).

концепция

Протоны определяют ядра химических элементов, а электроны определяют их идентичность в рамках набора характеристик (группы периодической таблицы).

Протоны увеличивают заряд ядра Z со скоростью n + 1, что компенсируется добавлением нового электрона для стабилизации атома.

По мере увеличения числа протонов ядро ​​«покрывается» динамическим облаком электронов, в котором области, в которых они циркулируют, определяются распределениями вероятностей радиальной и угловой частей волновых функций ( орбитали).

При таком подходе электроны не вращаются по орбите в определенной области пространства вокруг ядра, а, скорее, подобно лопастям быстро вращающегося вентилятора, они размываются в форме известных орбиталей s, p, d и f.

По этой причине отрицательный заряд -1 электрона распределяется по тем областям, через которые проходят орбитали; чем больше проникающий эффект, тем больше эффективный ядерный заряд, который электрон будет испытывать на орбите.

Эффекты проникновения и экранирования

Согласно вышеприведенному объяснению, электроны во внутренних оболочках не вносят заряд -1 в стабилизирующее отталкивание электронов во внешних оболочках.

Однако это ядро ​​(оболочки, ранее заполненные электронами) служит «стенкой», которая не позволяет силе притяжения ядра достигать внешних электронов.

Это называется эффектом экрана или эффектом экранирования. Кроме того, не все электроны во внешних оболочках испытывают одинаковую величину этого эффекта; например, если вы занимаетесь орбиталью с высокой проникающей способностью (то есть проходящей очень близко к ядру и другим орбиталям), тогда вы почувствуете более высокое Зеф.

В результате возникает порядок устойчивости энергии как функции этих Zef для орбиталей: s

Это означает, что 2p-орбиталь имеет более высокую энергию (менее стабилизированную зарядом ядра), чем 2s-орбиталь.

Чем слабее эффект проникновения орбитали, тем меньше ее экранирующий эффект на остальные внешние электроны. Орбитали d и f показывают множество дырок (узлов), куда ядро ​​притягивает другие электроны.

Как это рассчитать?

Предполагая, что отрицательные заряды локализованы, формула для расчета Zef для любого электрона:

Zef = Z - σ

В этой формуле σ - постоянная экранирования, определяемая электронами ядра. Это потому, что теоретически внешние электроны не способствуют экранированию внутренних электронов. Другими словами, 1s ² экранирует электрон 2s ¹ , но 2s ¹ не экранирует Z электроны 1s ² .

Если Z = 40, пренебрегая упомянутыми эффектами, то последний электрон будет испытывать Zef, равный 1 (40-39).

Правило Слейтера

Правило Слейтера - хорошее приближение значений Zef для электронов в атоме. Чтобы применить его, выполните следующие действия:

1- Электронную конфигурацию атома (или иона) следует записать следующим образом:

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

2- Электроны, которые находятся справа от рассматриваемого, не влияют на экранирующий эффект.

3- Электроны, которые находятся в одной группе (отмечены скобками), обеспечивают 0,35 заряда электрона, если это не группа 1s, вместо 0,30.

4- Если электрон занимает соп-орбиталь, то вклад всех орбиталей n-1 составляет 0,85, а вклад всех орбиталей n-2 составляет одну единицу.

5- В случае, если электрон занимает орбиталь степеней свободы, все те, что слева от него, вносят одну единицу.

Примеры

Определите Zef для электронов на 2s-орбитали.

Следуя способу представления Слейтера, электронная конфигурация Be (Z = 4) такова:

(1с ² ) (2с ² 2п ⁰ )

Поскольку на орбитали есть два электрона, один из них способствует экранированию другого, а орбиталь 1s является n-1 орбитали 2s. Тогда, развивая алгебраическую сумму, получаем следующее:

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

0,35 исходило от 2s-электрона, а 0,85 от двух 1s-электронов. Теперь, применяя формулу Зефа:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Что это значит? Это означает, что электроны на орбите 2s ² испытывают заряд +1,95, который притягивает их к ядру, вместо фактического заряда +4.

Определите Zef для электронов на 3p-орбитали.

И снова, как в предыдущем примере:

(1с ² ) (2с ² 2п ⁶ ) (3с ² 3п ³ )

Теперь алгебраическая сумма используется для определения σ:

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

Итак, Zef - это разница между σ и Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

В заключение, последние 3p ³ электрона испытывают заряд в три раза меньший, чем настоящий. Следует также отметить, что, согласно этому правилу, электроны 3s ² испытывают одинаковый Zef, что может вызвать сомнения в этом отношении.

Однако в правило Слейтера есть модификации, которые помогают приблизить рассчитанные значения к фактическим.

Ссылки

1. Химия Libretexts. (2016, 22 октября). Эффективный ядерный заряд. Взято с сайта chem.libretexts.org
2. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. В элементах группы 1. (Издание четвертое, страницы 19, 25, 26 и 30). Мак Гроу Хилл.
3. Правило Слейтера. Взято с сайта: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Экранирующий эффект и эффективный ядерный заряд. Взято с: course.lumenlearning.com
5. Хок, Крис. (23 апреля 2018 г.). Как рассчитать эффективный ядерный заряд. Sciencing. Взято с: sciencing.com
6. Доктор Арлин Кортни. (2008). Периодические тенденции. Университет Западного Орегона. Взято с: wou.edu