ÎNCĂRCARE NUCLEARĂ EFICIENTĂ: CONCEPT, MODUL DE CALCULARE ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Sarcina nucleară eficientă (Zef) este forța atractivă pe care nucleul o exercită asupra oricăruia dintre electroni după ce a fost redusă prin efectele de ecranare și penetrare. Dacă nu ar exista astfel de efecte, electronii ar simți forța atractivă a încărcării nucleare Z reale.

În imaginea inferioară avem modelul atomic Bohr pentru un atom fictiv. Nucleul său are o sarcină nucleară Z = + n, care atrage electronii care orbitează în jurul lui (cercurile albastre). Se poate observa că doi electroni sunt într-o orbită mai aproape de nucleu, în timp ce al treilea electron se află mai departe de acesta.

Al treilea electron orbitează simțind repulsiile electrostatice ale celorlalți doi electroni, astfel încât nucleul îl atrage cu mai puțină forță; adică interacțiunea nucleu-electron scade ca urmare a ecranării primilor doi electroni.

Deci primii doi electroni simt forța atrăgătoare a unei sarcini + n, dar al treilea experimentează în schimb o sarcină nucleară eficientă de + (n-2).

Totuși, acest Zef ar fi valabil doar dacă distanțele (raza) față de nucleul tuturor electronilor ar fi întotdeauna constante și definite, localizând sarcinile lor negative (-1).

Concept

Protonii definesc nucleele elementelor chimice, iar electronii își definesc identitatea în cadrul unui set de caracteristici (grupele tabelului periodic).

Protonii cresc încărcarea nucleară Z la rata de n + 1, care este compensată prin adăugarea unui nou electron pentru a stabiliza atomul.

Pe măsură ce numărul protonilor crește, nucleul devine „acoperit” de un nor dinamic de electroni, în care regiunile prin care circulă sunt definite prin distribuțiile de probabilitate ale părților radiale și unghiulare ale funcțiilor de undă ( orbitali).

Din această abordare, electronii nu orbitează într-o regiune de spațiu definită din jurul nucleului, ci mai degrabă, ca și lamele unui ventil cu rotire rapidă, acestea se estompează în formele orbitalelor s, p, d și f cunoscute.

Din acest motiv, sarcina negativă -1 a unui electron este distribuită de acele regiuni prin care orbitalii pătrund; cu cât este mai mare efectul penetrant, cu atât încărcătura nucleară eficientă pe care o va înregistra electronul în orbital.

Efecte de penetrare și ecranare

Conform explicației de mai sus, electronii din carcasele interioare nu contribuie la o încărcare de -1 la repulsia stabilizatoare a electronilor din carcasele exterioare.

Cu toate acestea, acest nucleu (cochilii completate anterior de electroni) servește ca un "perete" care împiedică forța atractivă a nucleului să ajungă la electronii exteriori.

Acesta este cunoscut sub numele de efect de ecran sau efect de ecranare. De asemenea, nu toți electronii din carcasele exterioare prezintă aceeași amploare a acestui efect; de exemplu, dacă ocupați un orbital care are un caracter penetrant ridicat (adică care tranzitează foarte aproape de nucleu și de alte orbitale), atunci veți simți un Zef superior.

Ca urmare, o ordine a stabilității energetice apare ca o funcție a acestor Zef pentru orbitalele: s

Aceasta înseamnă că orbitalul 2p are o energie mai mare (mai puțin stabilizată de sarcina nucleului) decât orbitalul 2s.

Cu cât este mai slab efectul de penetrare exercitat de orbital, cu atât este mai mic efectul ecranului asupra restului electronilor externi. Orbitalii d și f prezintă multe găuri (noduri) în care nucleul atrage alți electroni.

Cum să-l calculez?

Presupunând că sunt localizate sarcini negative, formula pentru calculul Zef pentru orice electron este:

Zef = Z - σ

În această formulă σ este constanta de ecranare determinată de electronii nucleului. Acest lucru se datorează faptului că, teoretic, electronii cei mai exteriori nu contribuie la ecranarea electronilor interiori. Cu alte cuvinte, 1s ² protejează electronul 2s ¹ , dar 2s ¹ nu protejează Z-ul 1s ² electroni .

Dacă Z = 40, neglijând efectele menționate, atunci ultimul electron va experimenta un Zef egal cu 1 (40-39).

Regula lui Slater

Regula lui Slater este o bună aproximare a valorilor Zef pentru electronii din atom. Pentru ao aplica, urmați pașii de mai jos:

1- Configurația electronică a atomului (sau a ionului) trebuie scrisă după cum urmează:

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

2- Electronii care se află la dreapta celui considerat, nu contribuie la efectul de ecranare.

3- Electronii care se află în cadrul aceluiași grup (notat de paranteze) asigură 0,35 încărcarea electronului, cu excepția cazului în care este grupul 1s, fiind în schimb 0,30.

4- Dacă electronul ocupă un orbital sop, atunci toți orbitalii n-1 contribuie cu 0,85, iar toți n-2 orbitali o singură unitate.

5- În cazul în care electronul ocupă un orbital dof, toți cei din stânga sa contribuie cu o unitate.

Exemple

Determinați Zef pentru electronii din orbitalul 2s

După modul de reprezentare al lui Slater, configurația electronică a Be (Z = 4) este:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Deoarece există doi electroni în orbital, unul dintre aceștia contribuie la ecranarea celuilalt, iar orbitalul 1 este n-1 al orbitalului 2s. Apoi, dezvoltând suma algebrică avem următoarele:

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

0,35 provine de la electronii 2s, iar 0,85 de la cei doi electroni 1s. Acum, aplicând formula Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Ce inseamna asta? Înseamnă că electronii din orbitalul 2s ² prezintă o sarcină de +1,95 care îi atrage spre nucleu, în loc de încărcarea efectivă de +4.

Determinați Zef pentru electronii din orbitalul 3p

Din nou, continuă ca în exemplul precedent:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Acum suma algebrică este dezvoltată pentru a determina σ:

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

Deci, Zef este diferența dintre σ și Z:

Zef = 15-10.2 = 4.8

În concluzie, ultimii 3p ³ electroni experimentează o încărcare de trei ori mai puțin puternică decât cea reală. De asemenea, trebuie menționat că, conform acestei reguli, electronii 3s ² experimentează același Zef, un rezultat care ar putea ridica îndoieli în această privință.

Cu toate acestea, există modificări la regula lui Slater care ajută la aproximarea valorilor calculate la cele reale.

Referințe

1. Chimie Libretexts. (2016, 22 octombrie). Încărcarea nucleară eficientă. Luat de la: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. În Elementele grupului 1. (Ediția a patra., Paginile 19, 25, 26 și 30). Mc Graw Hill.
3. Regula lui Slater. Luat de la: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Efectul de protecție și încărcarea nucleară eficientă. Preluat de la: courses.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23 aprilie 2018). Cum se calculează sarcina nucleară eficientă. Sciencing. Preluat de la: sciencing.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Tendințe periodice. Western Oregon University. Luat de la: wou.edu