UČINKOVIT JEDRSKI NABOJ: KONCEPT, KAKO GA IZRAČUNATI IN PRIMERI - KEMIJA - 2026

Učinkovite jedrske naboj (Zef) je privlačna sila, ki se nukleus deluje na kateremkoli od elektronov po zmanjšana zaradi učinkov ščit in penetracijo. Če teh učinkov ne bi bilo, bi elektroni čutili privlačno silo dejanskega jedrskega naboja Z.

Na spodnji sliki imamo Bohrov atomski model za fiktivni atom. Njegovo jedro ima jedrski naboj Z = + n, ki privlači elektrone, ki krožijo okoli njega (modri krogi). Vidimo, da sta dva elektrona v orbiti bližje jedru, tretji elektron pa je oddaljen od njega.

Tretji elektroni krožijo, čutijo elektrostatične odbojnosti drugih dveh elektronov, zato ga jedro privlači z manj sile; to pomeni, da interakcija jedro-elektroni upada kot posledica zaščite prvih dveh elektronov.

Torej prva dva elektrona čutita privlačno silo naboja + n, tretji pa namesto tega doživi učinkovit jedrski naboj + (n-2).

Vendar bi ta Zef veljal le, če bi bile razdalje (polmer) do jedra vseh elektronov vedno konstantne in dokončne, locirajoč svoje negativne naboje (-1).

Koncept

Protoni definirajo jedra kemičnih elementov, elektroni pa definirajo svojo identiteto znotraj nabora značilnosti (skupine periodične tabele).

Protoni povečajo jedrski naboj Z s hitrostjo n + 1, kar se kompenzira z dodatkom novega elektrona za stabilizacijo atoma.

Ko se število protonov poveča, jedro postane "prekrito" z dinamičnim oblakom elektronov, v katerem so območja, skozi katera krožijo, določena z verjetnostnimi porazdelitvami radialnih in kotnih delov valovnih funkcij ( orbite).

Pri tem pristopu elektroni ne krožijo v določenem območju prostora okoli jedra, temveč se, podobno kot lopatice hitro vrtljivega ventilatorja, zabrišejo v oblike znane s, p, d in f orbitale.

Zaradi tega se negativni naboj -1 elektrona porazdeli po tistih področjih, v katere orbitele prodrejo; večji kot je prodorni učinek, večji bo učinek jedrskega naboja, ki ga bo omenjeni elektron doživel v orbiti.

Učinki prodiranja in zaščite

Skladno z zgornjo razlago elektroni v notranjih lupinah ne prispevajo -1 naboja k stabilizacijskemu odbojnosti elektronov v zunanjih lupinah.

Vendar pa to jedro (lupine, ki so ga prej napolnili elektroni) služi kot "stena", ki prepreči privlačni sili jedra, da bi dosegla zunanje elektrone.

To je znano kot učinek zaslona ali učinek zaščite. Prav tako nimajo vsi elektroni v zunanjih lupinah enake razsežnosti tega učinka; na primer, če zasedate orbito, ki ima visok prodoren značaj (se pravi, da prehaja zelo blizu jedra in drugih orbital), potem boste začutili višji Zef.

Posledično nastane vrstni red energetske stabilnosti kot funkcija teh Zef za orbite: s

To pomeni, da ima 2p orbitala večjo energijo (manj stabilizirano z nabojem jedra) kot orbita 2s.

Čim slabši je prodorni učinek orbitale, manjši je njegov zaslonski učinek na preostale zunanje elektrone. Orbitala d in f prikazuje veliko lukenj (vozlišč), kjer jedro privlači druge elektrone.

Kako izračunati?

Ob predpostavki, da so negativni naboji lokalizirani, je formula za izračun Zef za kateri koli elektron:

Zef = Z - σ

V tej formuli σ je zaščitna konstanta, ki jo določajo elektroni jedra. To je zato, ker teoretično najbolj zunanji elektroni ne prispevajo k zaščiti notranjih elektronov. Z drugimi besedami, 1s ² ščiti 2s ¹ elektronov , vendar 2s ¹ ne Ž ščit +1 ² elektrone .

Če je Z = 40, če zanemarimo omenjene učinke, bo zadnji elektron doživel Zef, ki je enak 1 (40-39).

Pravilo Slaterja

Pravilo Slejter je dober približek vrednosti Zef za elektrone v atomu. Če ga želite uporabiti, sledite spodnjim korakom:

1- Elektronska konfiguracija atoma (ali iona) mora biti zapisana na naslednji način:

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

2- Elektroni, ki so desno od obravnavanega, ne prispevajo k zaščitnemu učinku.

3- Elektroni, ki so v isti skupini (označeni z oklepaji), oddajo 0,35 naboja elektrona, razen če je skupina 1s, namesto tega je 0,30.

4- Če elektron zaseda sop orbitalo, potem vse n-1 orbitale prispevajo 0,85, vse n-2 orbitale pa eno enoto.

5- V primeru, da elektron zaseda dof orbitalno, vsi tisti na levi strani prispevajo eno enoto.

Primeri

Določite Zef za elektrone v orbiti 2s

Po načinu predstavitve Slejterja je elektronska konfiguracija Be (Z = 4):

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Ker sta v orbitali dva elektrona, eden od teh prispeva k zaščiti drugega, orbita 1s pa je n-1 iz orbita 2s. Nato razvijamo algebrsko vsoto:

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

0,35 je prišel iz elektrona 2s, 0,85 pa iz dveh 1s elektronov. Zdaj uporabljamo Zef-ovo formulo:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Kaj to pomeni? To pomeni, da elektroni v orbiti 2s ² doživijo naboj +1,95, ki jih potegne proti jedru, namesto dejanskega naboja +4.

Določite Zef za elektrone v 3p orbitali

Spet se nadaljuje kot v prejšnjem primeru:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Zdaj je razvita algebrska vsota za določitev σ:

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

Zef je torej razlika med σ in Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Za konec, zadnji 3p ³ elektroni doživijo naboj trikrat manj močan od pravega. Upoštevati je treba tudi, da v skladu s tem pravilom 3s ² elektroni doživljajo isti Zef, kar bi lahko v zvezi s tem vzbudilo dvome.

Vendar pa obstajajo spremembe Slejterjevega pravila, ki pomagajo približati izračunane vrednosti dejanskim.

Reference

1. Kemija Libretexts. (2016, 22. oktobra). Učinkovita jedrska polnitev. Izvedeno iz: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. V Elementi 1. skupine (četrta izdaja, strani 19, 25, 26 in 30). Mc Graw Hill.
3. Pravilo Slaterja. Vzeto iz: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Zaščitni učinek in učinkovito jedrsko polnjenje. Izvedeno iz: groups.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23. april 2018). Kako izračunati učinkovito jedrsko polnjenje. Sciaching. Vzeto iz: sciaching.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodični trendi. Univerza Western Oregon. Vzeto iz: wou.edu