EFFEKTIV KÄRNKRAFTLADDNING: KONCEPT, HUR MAN BERÄKNAR DET OCH EXEMPEL - KEMI - 2026

Den effektiva kärnladdningen (Zef) är den attraktiva kraften som kärnan utövar på någon av elektronerna efter att ha minskat genom effekterna av skärmning och penetrering. Om det inte fanns några sådana effekter skulle elektronerna känna den attraktiva kraften hos den faktiska kärnkraftsladdningen Z.

I den nedre bilden har vi Bohr-atommodellen för en fiktiv atom. Dess kärna har en kärnkraftsladdning Z = + n, som drar till sig de elektroner som går runt den (de blå cirklarna). Man ser att två elektroner befinner sig i en bana närmare kärnan, medan den tredje elektronen ligger längre bort från den.

Den tredje elektronbanan kretsar om de elektrostatiska avstötningarna från de andra två elektronerna, så att kärnan lockar den med mindre kraft; det vill säga kärn-elektroninteraktionen minskar till följd av skärmningen av de första två elektronerna.

Så de första två elektronerna känner den attraktiva kraften hos en + n laddning, men den tredje upplever en effektiv kärnladdning på + (n-2) istället.

Emellertid skulle denna Zef vara giltig endast om avståndet (radien) till kärnan i alla elektroner alltid var konstant och bestämd och lokaliserar deras negativa laddningar (-1).

Begrepp

Protoner definierar kärnorna i kemiska element, och elektroner definierar deras identitet inom en uppsättning egenskaper (grupperna i det periodiska systemet).

Protoner ökar kärnladdningen Z med hastigheten n + 1, vilket kompenseras genom tillsatsen av en ny elektron för att stabilisera atomen.

När antalet protoner ökar blir kärnan "täckt" av ett dynamiskt moln av elektroner, i vilka regionerna genom vilka de cirkulerar definieras av sannolikhetsfördelningarna av de radiella och vinklade delarna av vågfunktionerna ( orbitaler).

Från detta tillvägagångssätt går banorna inte i ett definierat område i rymden runt kärnan, utan snarare, som bladen hos en snabbt roterande fläkt, suddas de in i formen av de kända s, p, d och f orbitalerna.

Av denna anledning fördelas den negativa laddningen -1 för en elektron av de områden som orbitalerna penetrerar; ju större den penetrerande effekten, desto större är den effektiva kärnladdningen som nämnda elektron kommer att uppleva i kretsloppet.

Penetrations- och skärmningseffekter

Enligt ovanstående förklaring bidrar elektronerna i de inre skalen inte med en laddning av -1 till den stabiliserande avstötningen av elektronerna i de yttre skalen.

Emellertid tjänar denna kärna (skalen som tidigare har fyllts med elektroner) som en "vägg" som förhindrar kärnans attraktiva kraft från att nå de yttre elektronerna.

Detta kallas skärmeffekt eller skärmningseffekt. Dessutom upplever inte alla elektroner i de yttre skalen samma storlek av denna effekt; till exempel, om du upptar en orbital som har en hög penetrerande karaktär (det vill säga som passerar mycket nära kärnan och andra orbitaler), kommer du att känna en högre Zef.

Som ett resultat uppstår en ordning av energistabilitet som en funktion av dessa Zef för orbitalerna: s

Detta innebär att 2p-omloppet har högre energi (mindre stabiliserat av laddningen av kärnan) än 2-bana.

Ju sämre penetrationseffekt som orbitalen utövar, desto mindre är dess skärmeffekt på resten av externa elektroner. D- och f-orbitalerna visar många hål (noder) där kärnan lockar andra elektroner.

Hur beräknar jag det?

Förutsatt att negativa laddningar är lokaliserade är formeln för beräkning av Zef för vilken elektron som helst:

Zef = Z - σ

I denna formel σ är skärmningskonstanten bestämd av kärnans elektroner. Detta beror teoretiskt på att de yttersta elektronerna inte bidrar till att skydda de inre elektronerna. Med andra ord, 1s ² skyddar 2s ^1- elektron , men 2s ¹ skyddar inte Zs 1s ^2- elektroner .

Om Z = 40, försummar effekterna som nämns, kommer den sista elektronen att uppleva en Zef som är lika med 1 (40-39).

Slater's regel

Slater's regel är en bra tillnärmning av Zef-värdena för elektronerna i atomen. Följ stegen nedan för att tillämpa den:

1- Den elektroniska konfigurationen av atomen (eller jonen) ska skrivas på följande sätt:

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

2- Elektronerna som är till höger om den som beaktas bidrar inte till skärmningseffekten.

3- Elektronerna som är inom samma grupp (markerade av parenteserna) ger 0,35 laddningen för elektronen såvida det inte är 1-gruppen, i stället 0,30.

4- Om elektronen upptar en sop-bana bidrar alla n-1-orbitalerna 0,85, och alla n-2-orbitalerna en enhet.

5- I händelse av att elektronen upptar en dof-bana bidrar alla till vänster en enhet.

exempel

Bestäm Zef för elektronerna i 2s-kretsloppet

Efter Slater's representationsläge är den elektroniska konfigurationen av Be (Z = 4):

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Eftersom det finns två elektroner i kretsloppet, bidrar en av dessa till skärmningen av den andra, och 1: s kretslopp är n-1 för 2: s kretslopp. Sedan utvecklar vi den algebraiska summan har vi följande:

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

0,35 kom från 2s-elektron och 0,85 från de två 1-elektronerna. Använd nu Zefs formel:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Vad betyder det här? Det betyder att elektronerna i 2s ^2- kretsloppet upplever en laddning på +1,95 som drar dem mot kärnan istället för den faktiska laddningen på +4.

Bestäm Zef för elektronerna i 3p-banan

Återigen fortsätter det som i föregående exempel:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Nu utvecklas den algebraiska summan för att bestämma σ:

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

Så Zef är skillnaden mellan σ och Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Sammanfattningsvis upplever de sista 3p ^3- elektronerna en laddning tre gånger mindre stark än den verkliga. Det bör också noteras att enligt denna regel upplever 3s ^2- elektroner samma Zef, ett resultat som kan väcka tvivel i detta avseende.

Det finns dock ändringar av Slater-regel som hjälper till att ungefärliga de beräknade värdena till de faktiska värdena.

referenser

1. Kemi Libretexts. (2016, 22 oktober). Effektiv kärnkraftsavgift. Hämtad från: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi. I elementen i grupp 1. (Fjärde upplagan, sidorna 19, 25, 26 och 30). Mc Graw Hill.
3. Slater's regel. Hämtad från: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Skyddseffekten och effektiv kärnkraftsladdning. Hämtad från: kurser.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23 april 2018). Hur man beräknar effektiv kärnkraftladdning. Sciencing. Hämtad från: sciencing.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodiska trender. Västra Oregon universitet. Hämtad från: wou.edu