EFFECTIEVE NUCLEAIRE LADING: CONCEPT, HOE DEZE TE BEREKENEN EN VOORBEELDEN - CHEMIE

De effectieve nucleaire lading (Zef) is de aantrekkingskracht die de kern uitoefent op een van de elektronen na te zijn verminderd door de effecten van afscherming en penetratie. Als er geen dergelijke effecten waren, zouden de elektronen de aantrekkingskracht van de werkelijke nucleaire lading Z voelen.

In de onderste afbeelding hebben we het Bohr-atomaire model voor een fictief atoom. De kern heeft een nucleaire lading Z = + n, die de elektronen aantrekt die eromheen draaien (de blauwe cirkels). Het is te zien dat twee elektronen zich in een baan dichter bij de kern bevinden, terwijl het derde elektron er verder van af ligt.

Het derde elektron draait rond en voelt de elektrostatische afstoting van de andere twee elektronen, dus de kern trekt het met minder kracht aan; dat wil zeggen, de kern-elektron-interactie neemt af als gevolg van de afscherming van de eerste twee elektronen.

Dus de eerste twee elektronen voelen de aantrekkingskracht van a + n lading, maar de derde ervaart in plaats daarvan een effectieve nucleaire lading van + (n-2).

Deze Zef zou echter alleen geldig zijn als de afstanden (de straal) tot de kern van alle elektronen altijd constant en duidelijk waren, waarbij hun negatieve ladingen (-1) werden gelokaliseerd.

Concept

Protonen definiëren de kernen van chemische elementen en elektronen bepalen hun identiteit binnen een reeks kenmerken (de groepen van het periodiek systeem).

Protonen verhogen de nucleaire lading Z met een snelheid van n + 1, die wordt gecompenseerd door de toevoeging van een nieuw elektron om het atoom te stabiliseren.

Naarmate het aantal protonen toeneemt, wordt de kern 'bedekt' door een dynamische wolk van elektronen, waarin de gebieden waardoor ze circuleren worden bepaald door de kansverdelingen van de radiale en hoekige delen van de golffuncties ( orbitalen).

Vanuit deze benadering draaien de elektronen niet in een bepaald gebied van de ruimte rond de kern, maar vervagen ze, net als de bladen van een snel roterende ventilator, tot de vormen van de bekende s, p, d en f orbitalen.

Om deze reden wordt de negatieve lading -1 van een elektron verdeeld door die gebieden waarin de orbitalen doordringen; hoe groter het doordringende effect, hoe groter de effectieve kernlading die het elektron in de orbitaal zal ervaren.

Penetratie- en afschermingseffecten

Volgens bovenstaande uitleg dragen de elektronen in de binnenschillen geen lading -1 bij aan de stabiliserende afstoting van de elektronen in de buitenschillen.

Deze kern (de omhulsels die voorheen gevuld waren met elektronen) dient echter als een "muur" die verhindert dat de aantrekkingskracht van de kern de buitenste elektronen bereikt.

Dit staat bekend als het schermeffect of het afschermeffect. Ook ervaren niet alle elektronen in de buitenste schillen dezelfde omvang van dit effect; Als u bijvoorbeeld een orbitaal bezet met een hoog penetrerend karakter (dat wil zeggen, die zeer dicht bij de kern en andere orbitalen gaat), dan voelt u een hogere Zef.

Als gevolg hiervan ontstaat een volgorde van energiestabiliteit als functie van deze Zef voor de orbitalen: s

Dit betekent dat de 2p-orbitaal een hogere energie heeft (minder gestabiliseerd door de lading van de kern) dan de 2s-orbitaal.

Hoe slechter het penetratie-effect uitgeoefend door de orbitaal, hoe minder het schermeffect op de rest van de externe elektronen. De d- en f-orbitalen vertonen veel gaten (knooppunten) waar de kern andere elektronen aantrekt.

Hoe bereken je het?

Ervan uitgaande dat negatieve ladingen gelokaliseerd zijn, is de formule voor het berekenen van Zef voor elk elektron:

Zef = Z - σ

In deze formule is σ de afschermingsconstante bepaald door de elektronen van de kern. Dit komt omdat, theoretisch, de buitenste elektronen niet bijdragen aan de afscherming van de binnenste elektronen. Met andere woorden, 1s ² schermt het 2s ¹ elektron af , maar 2s ¹ schermt de 1s ² elektronen niet af .

Als Z = 40, de genoemde effecten verwaarloosd, zal het laatste elektron een Zef ervaren gelijk aan 1 (40-39).

De regel van Slater

De regel van Slater is een goede benadering van de Zef-waarden voor de elektronen in het atoom. Volg de onderstaande stappen om het toe te passen:

1- De elektronische configuratie van het atoom (of ion) moet als volgt worden geschreven:

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

2- De elektronen die zich rechts van de beschouwde elektronen bevinden, dragen niet bij aan het afschermende effect.

3- De elektronen die zich binnen dezelfde groep bevinden (aangegeven door de haakjes) leveren 0,35 van de lading van het elektron, tenzij het de 1s-groep is, in plaats daarvan 0,30.

4- Als het elektron een sop-orbitaal bezet, dragen alle n-1-orbitalen 0,85 bij, en alle n-2-orbitalen één eenheid.

5- In het geval dat het elektron een dof-orbitaal bezet, dragen alle links daarvan één eenheid bij.

Voorbeelden

Bepaal Zef voor de elektronen in de 2s-orbitaal

Volgens de weergavemodus van Slater is de elektronische configuratie van Be (Z = 4):

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Omdat er twee elektronen in de orbitaal zijn, draagt een van deze bij aan de afscherming van de andere, en de 1s-orbitaal is de n-1 van de 2s-orbitaal. Vervolgens hebben we de volgende algebraïsche som ontwikkeld:

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

De 0,35 kwam van het 2s-elektron en de 0,85 van de twee 1s-elektronen. Nu, de formule van Zef toepassen:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Wat betekent dit? Het betekent dat de elektronen in de 2s ^2- orbitaal een lading van +1,95 ervaren die ze naar de kern trekt, in plaats van de feitelijke lading van +4.

Bepaal Zef voor de elektronen in de 3p-orbitaal

Nogmaals, het gaat verder zoals in het vorige voorbeeld:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Nu wordt de algebraïsche som ontwikkeld om σ te bepalen:

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

Dus Zef is het verschil tussen σ en Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Concluderend, de laatste 3p ³ elektronen ervaren een lading die drie keer minder sterk is dan de echte. Er moet ook worden opgemerkt dat, volgens deze regel, de 3s ² elektronen dezelfde Zef ervaren, een resultaat dat in dit opzicht twijfel zou kunnen oproepen.

Er zijn echter wijzigingen in de regel van Slater die helpen de berekende waarden bij de werkelijke waarden te brengen.

Referenties

Chemie Libretexts. (2016, 22 oktober). Effectieve nucleaire lading. Genomen uit: chem.libretexts.org
Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. In The elements of group 1. (Fourth edition., Pages 19, 25, 26 and 30). Mc Graw Hill.
De regel van Slater. Genomen uit: intro.chem.okstate.edu
Lumen. Het afschermende effect en effectieve nucleaire lading. Ontleend aan: courses.lumenlearning.com
Hoke, Chris. (23 april 2018). Hoe effectieve nucleaire lading te berekenen. Wetenschappelijk. Genomen uit: sciencing.com
Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodieke trends. Western Oregon University. Genomen uit: wou.edu

EFFECTIEVE NUCLEAIRE LADING: CONCEPT, HOE DEZE TE BEREKENEN EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025