Carico nucleare efficace

Cos'è un carico nucleare efficace?

IL carico nucleare efficace (rappresentato come z_EF E in alcuni casi come z^*) È il carico nucleare netto che un elettrone sperimenta quando si trova in un atomo polielettronico (cioè ha più di un elettrone).

In un modo più preciso, è la carica elettrica che avrebbe il nucleo di un ipotetico atomo in grado di attirare il suo unico elettrone con la stessa forza con cui il nucleo del vero atomo attira lo stesso elettrone in presenza di tutti gli altri elettroni.

È un carico nucleare corretto che tiene conto dell'effetto della presenza di altri elettroni su un atomo polilettronico. Questo carico ridotto spiega perché gli elettroni più esterni in un atomo polielettronico sono deboli legati al nucleo rispetto agli elettroni interni.

Un carico nucleare efficace è un concetto di grande importanza nella chimica, poiché ci consente di comprendere la tendenza periodica di molte proprietà come il raggio atomico, il raggio ionico, l'elettronegatività, le energie di ionizzazione e altro ancora.

Perché esiste il carico nucleare efficace?

L'efficace carico nucleare deriva da due fenomeni:

• L'effetto di schermatura degli elettroni sugli atomi di polielettronici.
• Repulsione elettrostatica tra gli elettroni perché tutti hanno la stessa carica elettrica.

Lui Effetto di schermatura È costituito da una specie di scudo formato dagli elettroni interni di un atomo che copre il nucleo. Questo rende gli elettroni più esterni "sentirsi" un'attrazione più bassa da parte del nucleo di quanto si sentirebbero se gli altri elettroni non fossero presenti.

Figura che mostrano schematicamente elettroni interni che agiscono come uno schermo che protegge gli elettroni esterni dell'attrazione del nucleo

Ad esempio, il carico nucleare dell'atomo di sodio è +11 (il suo numero atomico è z = 11), ma l'unico elettrone di Valencia che possiede, sente in realtà la forza di attrazione di un carico di soli +2,2.

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In altre parole, la schermatura degli altri 10 elettroni interni fa sì che l'elettrone di Valencia del sodio sentasse una forza di attrazione nucleare del solo quinto di quello che dovrebbe essere.

Oltre all'effetto di schermatura, il repulsione tra elettroni (che hanno la stessa carica elettrica) contribuisce anche a contrastare la capacità del nucleo di attrarre elettroni esterni. Cioè, questa repulsione aiuta anche a ridurre il carico nucleare efficace.

Caratteristiche importanti della carico nucleare efficace

Va notato che l'effetto di schermatura responsabile della riduzione del carico nucleare efficace influisce solo sugli elettroni che si trovano nello stesso livello di energia o negli strati superiori, ma non gli elettroni più interni. Inoltre, l'effetto non è lo stesso per gli elettroni trovati negli orbitali atomici S e P rispetto a quelli trovati negli orbitali D e F.

Per questo motivo, ogni set di elettroni di ciascun livello o livello di energia sente un carico nucleare efficace diverso. Ciò ha importanti implicazioni riguardo alle proprietà chimiche dei diversi elementi.

Tendenza periodica della carico nucleare efficace

Su un periodo

Gli elettroni situati allo stesso livello di energia sono meno protettivi di quelli riscontrati nei livelli di energia inferiori.

Per questo motivo, l'effetto di schermatura non aumenta considerevolmente quando ci muoviamo per un periodo, ma il vero carico nucleare lo fa. Per questo motivo, l'effettivo carico nucleare aumenti da sinistra a destra nella tabella periodica.

In un gruppo

D'altra parte, quando si passa da un periodo all'altro nello stesso gruppo (cioè quando ci muoviamo lungo un gruppo), vengono aggiunti interi strati di elettroni interni molto protettivi. Questo rende l'effettiva diminuzione del carico nucleare dall'alto verso il basso o, qual è lo stesso, aumentare dal basso verso l'alto.

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Formula efficace di carico nucleare

Un carico nucleare efficace può essere calcolato mediante un'equazione semi -tempo molto semplice che tiene conto del valore effettivo del carico nucleare (dato dal numero atomico, z) e un termine chiamato schermatura costante. Quest'ultimo comprende gli effetti della presenza di altri elettroni in uno.

L'equazione è data da:

dove z è il numero atomico e σ (lettera greca sigma) rappresenta la costante di schermatura, che dipende dalla configurazione elettronica.

Regole di slater

La costante di schermatura può essere stimata da un sistema noto come Slater Rules. Queste regole consentono di calcolare la costante di scudo di un elettrone aggiungendo i contributi degli altri elettroni a detta costante di schermatura. Queste regole possono essere riassunte come segue:

• Qualsiasi elettrone che è allo stesso livello di energia (livello N₀) Fornisce una quantità di 0,35 alla costante di schermatura, a meno che entrambi non siano al livello 1, nel qual caso fornisce 0,30.
• Ogni elettrone che si trova al livello immediatamente precedente (a livello N₀-1) in un orbitale s o p, porta 0,85; D'altra parte, se si trova in un orbitale d o f contribuisce 1.
• Tutti gli altri elettroni che sono a livelli di energia più bassi (n₀-2, n₀-3, ecc.), contribuire 1 alla costante di schermatura.

Esempio di efficace calcolo del carico nucleare

Valencia Electron of the Sodio Atom

La configurazione elettronica dell'atomo di sodio è 1s²2s²2 p⁶3s¹. Vale a dire che se vogliamo calcolare l'effettiva carico nucleare che si sente l'elettrone di Valencia (l'elettrone 3S¹), dobbiamo aggiungere i contributi degli altri 10 elettroni seguendo le regole di Slater.

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Come stiamo calcolando costante lo scudo elettronico 3s¹ (N₀= 3) e questo è solo nello strato di Valencia, non ci sono altri elettroni allo stesso livello di energia.

Il livello immediatamente precedente è n₀-1 = 2, dove ci sono 8 elettroni in orbitale s o p che contribuiscono a 0,85 ciascuno e non ci sono elettroni negli orbitali d o f.

Infine, l'unico livello inferiore a 2 è n = 1, in cui ci sono solo 2 elettroni. Tutto ciò è riassunto nella tabella seguente:

Come si può vedere, gli elettroni interni del sodio forniscono una costante di scudo di 8,8, quindi l'effettiva carico nucleare che l'elettrone sente 3s¹ È:

Elettroni di Arsenico Valencia

La configurazione elettronica arsenica è 1s²2s²2 p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³. Lo strato di Valencia è strato 4 (n₀= 4) che ha 5 elettroni: (4s²4p³). In questo caso, ciascuno di questi 5 elettroni sentirà l'effetto degli altri 4 che si trovano nello stesso strato e quello degli altri 28 elettroni interni come mostrato nella tabella:

Pertanto, l'effettivo carico nucleare che sentono gli elettroni di Valencia di arsenico: