UČINKOVITI NUKLEARNI NABOJ: KONCEPT, KAKO GA IZRAČUNATI I PRIMJERI - KEMIJA - 2026

Učinkovite nuklearne naboja (Zef) je privlačna sila koja je jezgra pokazuje bilo kojeg od elektrona nakon što su smanjena učincima zaštita i penetracije. Da nema takvih učinaka, elektroni bi osjetili privlačnu silu stvarnog nuklearnog naboja Z.

Na donjoj slici imamo Bohrov atomski model za fiktivni atom. Njegovo jezgro ima nuklearni naboj Z = + n, koji privlači elektrone koji orbitiraju oko njega (plavi krugovi). Može se vidjeti da su dva elektrona u orbiti bliže jezgri, dok se treći elektron nalazi dalje od nje.

Treći elektron orbituje osjećajući elektrostatička odbijanja ostala dva elektrona, pa ga jezgra privlači s manje sile; to jest, interakcija jezgra-elektron opada kao rezultat zaštite prvih dva elektrona.

Dakle, prva dva elektrona osjećaju privlačnu silu naboja + n, ali treći umjesto toga ima učinkovit nuklearni naboj + (n-2).

Međutim, ovaj Zef bio bi važeći samo ako su udaljenosti (radijus) do jezgre svih elektrona uvijek konstantne i određene, locirajući njihove negativne naboje (-1).

Koncept

Protoni definiraju jezgre kemijskih elemenata, a elektroni određuju svoj identitet unutar skupa karakteristika (grupe periodične tablice).

Protoni povećavaju nuklearni naboj Z brzinom n + 1, što se kompenzira dodavanjem novog elektrona za stabilizaciju atoma.

Kako se broj protona povećava, jezgro postaje "prekriveno" dinamičkim oblakom elektrona, u kojem su regije kroz koje kruže definirane distribucijom vjerojatnosti radijalnog i kutnog dijela valnih funkcija (orbitale).

Iz ovog pristupa, elektroni ne orbitiraju u definiranom području prostora oko jezgre, već se poput lopatica ventilatora koji se brzo rotira, zamagljuju u oblike poznate s, p, d i f orbitale.

Iz tog razloga, negativni naboj -1 elektrona raspodjeljuje se na one regije u koje prolaze orbitale; što je veći prodorni učinak, veći će efektivni nuklearni naboj koji će navedeni elektron doživjeti u orbiti.

Učinci prodiranja i zaštite

Prema prethodnom objašnjenju, elektroni u unutarnjim ljušturama ne doprinose -1 naboju stabilizirajućem odbijanju elektrona u vanjskim ljušturama.

Međutim, ova jezgra (ljuske koje su prethodno napunili elektroni) služi kao "zid" koji sprečava privlačnu silu jezgre da dosegne vanjske elektrone.

To je poznato kao efekt zaslona ili efekt zaštite. Također, nemaju svi elektroni u vanjskim ljuštima iste veličine tog učinka; na primjer, ako zauzmete orbitu koja ima visok prodorni karakter (tj. koja prolazi vrlo blizu jezgre i drugih orbitala), tada ćete osjetiti viši Zef.

Kao rezultat, nastaje red energetske stabilnosti kao funkcija ovih Zef-a za orbitale: s

To znači da 2p orbitala ima veću energiju (manje stabiliziranu nabojem jezgre) od orbita 2s.

Što je lošiji efekt prodiranja orbitali slabiji, to je njegov efekat na ostatak vanjskih elektrona manji. Orbitale d i f pokazuju mnogo rupa (čvorova) u kojima jezgra privlači druge elektrone.

Kako to izračunati?

Pod pretpostavkom da su negativni naboji lokalizirani, formula za izračunavanje Zef-a za bilo koji elektron je:

Zef = Z - σ

U ovoj formuli σ je konstanta zaštite koja je određena elektronima jezgre. To je zato što, teoretski, najudaljeniji elektroni ne doprinose zaštiti unutarnjih elektrona. Drugim riječima, 1s ² štiti 2s ^jedan elektron, ali 2s ^jedan ne z štit 1 S ² elektrona.

Ako je Z = 40, zanemarujući navedene efekte, tada će posljednji elektron doživjeti Zef jednak 1 (40-39).

Vladar Slatera

Pravilo Slatera dobro je približavanje Zef-ovih vrijednosti za elektrone u atomu. Da biste ga primijenili, slijedite korake u nastavku:

1- Elektronska konfiguracija atoma (ili iona) treba biti napisana na sljedeći način:

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

2- Elektroni koji se nalaze desno od onoga koji se razmatra ne doprinose zaštitnom efektu.

3- Elektroni koji se nalaze u istoj grupi (označeni zagradama) daju 0,35 naboja elektrona, osim ako je 1s grupa, umjesto toga 0,30.

4- Ako elektron zauzima sop orbitalu, tada sve n-1 orbitale doprinose 0,85, a sve n-2 orbitale jedna jedinica.

5- U slučaju da elektron zauzima dof orbitalu, svi oni s njegove lijeve strane doprinose jednoj jedinici.

Primjeri

Odredite Zef za elektrone u 2s orbitali

Nakon Slater-ovog načina reprezentacije, elektronička konfiguracija Be (Z = 4) je:

(1s ²) (2s ² 2p. ⁰)

Budući da su u orbitali dva elektrona, jedan od njih doprinosi zaštitnom sloju drugog, a 1s orbitala je n-1 od 2s orbitale. Zatim, razvijajući algebarski zbroj, imamo sljedeće:

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

0,35 dolazi iz elektrona 2s, a 0,85 iz dva 1s elektrona. Sada primjenjujući Zef-ovu formulu:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Što to znači? To znači da elektroni u orbiti 2s ² doživljavaju naboj +1,95 koji ih povlači prema jezgri, umjesto stvarnog naboja od +4.

Odredite Zef za elektrone u 3p orbitali

Opet se nastavlja kao u prethodnom primjeru:

(1s ²) (2s ² 2p ⁶) (3s ² 3p ³)

Sada je razvijen algebarski zbroj za određivanje σ:

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

Dakle, Zef je razlika između σ i Z:

Zef = 15-10.2 = 4.8

U zaključku, posljednjih 3P ³ elektrona doživjeti naboj tri puta manje snažan od stvarnog. Također treba napomenuti da, prema ovom pravilu, 3s ² elektrona doživljavaju isti Zef, rezultat koji bi mogao stvoriti sumnju u vezi s tim.

Međutim, postoje izmjene Slaterovog pravila koje pomažu u približavanju izračunatih vrijednosti stvarnim.

Reference

1. Libreteksti kemije. (2016., 22. listopada). Učinkovito nuklearno punjenje. Preuzeto sa: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. U Elementi grupe 1. (Četvrto izdanje, str. 19, 25, 26 i 30). Mc Graw Hill.
3. Vladar Slatera. Preuzeto sa: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Zaštitni učinak i učinkovito nuklearno punjenje. Preuzeto sa: course.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23. travnja 2018.). Kako izračunati učinkovit nuklearni naboj. Sciencing. Preuzeto sa: sciaching.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodni trendovi. Sveučilište zapadnog Oregona. Preuzeto iz: wou.edu