ЕФЕКТИВНИЙ ЯДЕРНИЙ ЗАРЯД: ПОНЯТТЯ, ЯК ЙОГО ОБЧИСЛИТИ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Ефективний ядерний заряд (Зеф) є силою тяжіння , що ядро надає на якому - небудь з електронів після зменшення ефектів екранування і проникнення. Якби таких ефектів не було, електрони відчували б привабливу силу фактичного ядерного заряду Z.

На нижньому зображенні маємо атомну модель Бора для вигаданого атома. Її ядро ​​має ядерний заряд Z = + n, який притягує електрони, які орбітують навколо нього (сині кола). Видно, що два електрона знаходяться на орбіті ближче до ядра, тоді як третій електрон лежить далі від нього.

Третій електрон орбітує, відчуваючи електростатичні відштовхування двох інших електронів, тому ядро ​​притягує його з меншою силою; тобто взаємодія ядро-електрон зменшується внаслідок екранування перших двох електронів.

Так перші два електрони відчувають привабливу силу + n заряду, а третій замість цього відчуває ефективний ядерний заряд + (n-2).

Однак цей Зеф був би справедливим лише в тому випадку, якщо відстані (радіус) до ядра всіх електронів завжди були постійними і визначеними, локалізуючи їх негативні заряди (-1).

Концепція

Протони визначають ядра хімічних елементів, а електрони визначають їх ідентичність у межах сукупності характеристик (групи періодичної таблиці).

Протони збільшують ядерний заряд Z зі швидкістю n + 1, що компенсується додаванням нового електрона для стабілізації атома.

Зі збільшенням кількості протонів ядро ​​стає «покритим» динамічною хмарою електронів, в якій області, через які вони циркулюють, визначаються розподілами ймовірності радіальної та кутової частин хвильових функцій ( орбіталі).

При такому підході електрони не орбітують у визначеній області простору навколо ядра, а, як лопатки вентилятора, що швидко обертається, вони розмиваються у формі відомих орбіталей s, p, d та f.

З цієї причини негативний заряд -1 електрона розподіляється по тих областях, в які проникають орбіталі; чим більший проникаючий ефект, тим більший ефективний ядерний заряд, який зазнає зазначений електрон в орбіталі.

Ефекти проникнення та екранування

Згідно з вищенаведеним поясненням, електрони у внутрішніх оболонках не вносять заряд -1 до стабілізуючого відштовхування електронів у зовнішніх оболонках.

Однак це ядро ​​(оболонки, попередньо заповнені електронами) служить «стіною», яка перешкоджає привабливій силі ядра досягати зовнішніх електронів.

Це відомо як ефект екрану або ефект екранування. Також не всі електрони у зовнішніх оболонках відчувають однакову величину цього ефекту; наприклад, якщо ви займаєте орбіталь, що має високий проникаючий характер (тобто проходить дуже близько до ядра та інших орбіталей), то ви відчуєте вищий Зеф.

В результаті виникає порядок енергетичної стійкості як функція цих Зефа для орбіталей: s

Це означає, що орбітала 2p має більшу енергію (менш стабілізовану зарядом ядра), ніж орбітала 2s.

Чим бідніший ефект проникнення, який чиниться на орбіталі, тим менший його екранний вплив на решту зовнішніх електронів. На орбіталях d і f показано багато дірок (вузлів), куди ядро ​​притягує інші електрони.

Як його обчислити?

Припускаючи, що негативні заряди локалізовані, формула для обчислення Зефа для будь-якого електрона:

Zef = Z - σ

У цій формулі σ - константа екранування, що визначається електронами ядра. Це тому, що теоретично, зовнішні електрони не сприяють екрануванню внутрішніх електронів. Іншими словами, 1s ² захищає електрон 2s ¹ , але 2s ¹ не Z захищає електрони 1s ² .

Якщо Z = 40, нехтуючи згаданими ефектами, то останній електрон відчує Zef, рівний 1 (40-39).

Правило Слейтера

Правило Слейтера - це гарне наближення значень Зефа для електронів в атомі. Щоб застосувати його, виконайте наведені нижче дії:

1- Електронну конфігурацію атома (або іона) слід записати так:

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

2- Електрони, що знаходяться праворуч від розглянутого, не сприяють ефекту екранування.

3- Електрони, що знаходяться в одній групі (позначені в дужках), забезпечують 0,35 заряду електрона, якщо це не група 1s, натомість 0,30.

4- Якщо електрон займає собі орбіталі, то всі n-1 орбіталі вносять 0,85, а всі n-2 орбіталі - одна одиниця.

5- У випадку, якщо електрон займає орбіталь dof, всі ті, хто знаходиться зліва, вносять одну одиницю.

Приклади

Визначте Зеф для електронів на орбіталі 2s

Після режиму представлення Слейтера електронна конфігурація Be (Z = 4) є:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Оскільки в орбіталі є два електрони, один з них сприяє екрануванню іншого, а орбітала 1s - n-1 орбіталі 2s. Тоді, розвиваючи алгебраїчну суму, маємо наступне:

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

0,35 прийшов від електрона 2s, а 0,85 - від двох електронів 1s. Тепер, застосовуючи формулу Зефа:

Зеф = 4 - 2,05 = 1,95

Що це означає? Це означає, що електрони в орбіталі 2s ² відчувають заряд +1,95, який притягує їх до ядра, замість фактичного заряду +4.

Визначте Зеф для електронів на орбіталі 3p

Знову ж, це продовжується, як у попередньому прикладі:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Тепер алгебраїчна сума розроблена для визначення σ:

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

Отже, Zef - різниця між σ і Z:

Зеф = 15-10,2 = 4,8

На закінчення, останні 3p ³ електрони відчувають заряд, втричі менший за реальний. Слід також зазначити, що, згідно з цим правилом, електрони 3s ² відчувають той же Зеф, результат, який може викликати сумніви в цьому плані.

Однак існують модифікації правила Слейтера, які допомагають наблизити обчислені значення до фактичних.

Список літератури

1. Хімічні лібретексти. (2016 р., 22 жовтня). Ефективний заряд ядер. Взято з: chem.libretexts.org
2. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. В Елементи групи 1. (Четверте видання., Сторінки 19, 25, 26 і 30). Mc Graw Hill.
3. Правило Слейтера. Взято з: intro.chem.okstate.edu
4. Просвіт. Ефект екранування та ефективний заряд ядер. Взято з :urs.lumenlearning.com
5. Хок, Кріс. (23 квітня 2018 р.). Як розрахувати ефективний заряд ядер. Наукові роботи. Взято з: sciaching.com
6. Доктор Арлін Кортні. (2008). Періодичні тенденції. Університет Західного Орегону. Взято з: wou.edu