EFFEKTIV KJERNEFYSISK LADNING: KONSEPT, HVORDAN BEREGNE DET OG EKSEMPLER - KJEMI - 2026

Den effektive kjernefysiske ladningen (Zef) er den attraktive kraften som kjernen utøver på noen av elektronene etter å ha blitt redusert av virkningene av skjerming og penetrering. Hvis det ikke var noen slike effekter, ville elektronene føle den attraktive kraften til den faktiske atomladningen Z.

I det nedre bildet har vi Bohr-atommodellen for et fiktivt atom. Kjerne har en kjernefysisk ladning Z = + n, som tiltrekker seg elektronene som går i bane rundt den (de blå sirklene). Det kan sees at to elektroner befinner seg i en bane nærmere kjernen, mens den tredje elektron ligger lenger unna.

Den tredje elektron går i bane rundt følelsen av de elektrostatiske frastøtningene fra de to andre elektronene, slik at kjernen tiltrekker den med mindre kraft; det vil si at kjernen-elektron-interaksjonen avtar som et resultat av skjerming av de to første elektronene.

Så de to første elektronene føler den attraktive kraften til en + n ladning, men den tredje opplever en effektiv kjernefysisk ladning på + (n-2) i stedet.

Imidlertid ville denne Zef bare være gyldig hvis avstandene (radiusen) til kjernen til alle elektronene alltid var konstante og bestemte, og lokaliserer deres negative ladninger (-1).

Konsept

Protoner definerer kjernene til kjemiske elementer, og elektroner definerer deres identitet innenfor et sett med egenskaper (gruppene i det periodiske systemet).

Protoner øker kjernefysisk ladning Z med hastigheten n + 1, som kompenseres ved tilsetning av et nytt elektron for å stabilisere atomet.

Når antallet protoner øker, blir kjernen "dekket" av en dynamisk sky av elektroner, der områdene de sirkulerer gjennom er definert av sannsynlighetsfordelingene av de radiale og vinkeldelene av bølgefunksjonene ( orbitaler).

Fra denne tilnærmingen går ikke elektronene i bane i et definert romområde rundt kjernen, men snarere, som bladene til en raskt roterende vifte, blir de uskarpt til formene til de kjente s, p, d og f orbitaler.

Av denne grunn blir den negative ladningen -1 for et elektron distribuert av de områdene som orbitalene trenger gjennom; jo større gjennomtrengende effekt, jo større er den effektive kjernefysiske ladningen som nevnte elektron vil oppleve i kretsløpet.

Inntrengnings- og skjermingseffekter

I henhold til forklaringen ovenfor bidrar ikke elektronene i de indre skjellene med en ladning på -1 til den stabiliserende frastøtningen av elektronene i de ytre skjellene.

Imidlertid fungerer denne kjernen (skjellene som tidligere er fylt av elektroner) som en "vegg" som forhindrer at den attraktive kraften fra kjernen når de ytre elektronene.

Dette er kjent som skjermeffekt eller skjermingseffekt. Ikke alle elektronene i de ytre skjellene opplever den samme størrelsesorden av denne effekten; for eksempel hvis du okkuperer en orbital som har en høy penetrerende karakter (det vil si som passerer veldig nær kjernen og andre orbitaler), vil du føle deg en høyere Zef.

Som et resultat oppstår en rekkefølge av energistabilitet som en funksjon av disse Zef for orbitalene: s

Dette betyr at 2p-bane har høyere energi (mindre stabilisert ved ladning av kjernen) enn 2s-bane.

Jo dårligere penetrasjonseffekt som orbitalen utøver, jo mindre er skjermeffekten på resten av de eksterne elektronene. D- og f-orbitalene viser mange hull (noder) der kjernen tiltrekker seg andre elektroner.

Hvordan beregne det?

Forutsatt at negative ladninger er lokalisert, er formelen for å beregne Zef for ethvert elektron:

Zef = Z - σ

I denne formelen er σ skjermingskonstanten bestemt av elektronene i kjernen. Dette fordi teoretisk sett ikke de ytterste elektronene bidrar til skjerming av de indre elektronene. Med andre ord, 1s ² skjermer 2s ^1- elektronet , men 2s ¹ beskytter ikke Zs 1s ^2- elektronene .

Hvis Z = 40, ved å neglisjere effektene som er nevnt, vil den siste elektron få en Zef lik 1 (40-39).

Skiferens regel

Slater-regelen er en god tilnærming av Zef-verdiene for elektronene i atomet. Følg trinnene nedenfor for å bruke det:

1- Den elektroniske konfigurasjonen av atomet (eller ionet) skal skrives som følger:

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

2- Elektronene som ligger til høyre for den som blir vurdert, bidrar ikke til skjermingseffekten.

3- Elektronene som er innenfor samme gruppe (merket av parentesene) gir 0,35 ladningen til elektronet med mindre det er 1s-gruppen, og er 0,30 i stedet.

4- Hvis elektronet opptar en sop-bane, bidrar alle n-1-orbitaler med 0,85, og alle n-2-baneene en enhet.

5- I tilfelle at elektronet okkuperer en dof-bane, bidrar alle til venstre for en enhet.

eksempler

Bestem Zef for elektronene i 2s-bane

Etter Slaters representasjonsmodus er den elektroniske konfigurasjonen av Be (Z = 4):

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Siden det er to elektroner i orbitalen, bidrar den ene av disse til skjerming av den andre, og 1s orbitalen er n-1 til 2s orbital. Deretter utvikler vi den algebraiske summen vi har følgende:

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

0.35 kom fra 2s elektron, og 0.85 fra de to 1 elektronene. Nå bruker du Zefs formel:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Hva betyr dette? Det betyr at elektronene i 2s ^2- bane opplever en ladning på +1,95 som trekker dem mot kjernen, i stedet for den faktiske ladningen på +4.

Bestem Zef for elektronene i 3p-bane

Igjen fortsetter det som i forrige eksempel:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Nå er den algebraiske summen utviklet for å bestemme σ:

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

Så Zef er forskjellen mellom σ og Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Avslutningsvis opplever de siste 3p ³ elektronene en ladning tre ganger mindre sterk enn den ekte. Det skal også bemerkes at i henhold til denne regelen opplever 3s ^2- elektronene den samme Zef, et resultat som kan reise tvil i denne forbindelse.

Imidlertid er det endringer i Slaters regel som hjelper tilnærming til å beregne de beregnede verdiene til de faktiske.

referanser

1. Kjemi Libretexts. (2016, 22. oktober). Effektiv kjernefysisk avgift. Hentet fra: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. I Elementene i gruppe 1. (Fjerde utgave., Side 19, 25, 26 og 30). Mc Graw Hill.
3. Skiferens regel. Hentet fra: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Skjermingseffekten og effektiv kjernefysisk avgift. Hentet fra: kurs.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23. april 2018). Hvordan beregne effektiv kjernefysisk avgift. Sciencing. Hentet fra: sciencing.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodiske trender. Western Oregon University. Hentet fra: wou.edu