Effektives Kernlastkonzept, Berechnung und Beispiele

Die effektive nukleare Belastung (Zef) ist die Anziehungskraft, die vom Kern auf irgendeines der Elektronen ausgeübt wird, nachdem es durch die Wirkungen des Screenings und der Penetration reduziert wurde. Gäbe es solche Effekte nicht, würden die Elektronen die Anziehungskraft der echten Kernladung Z fühlen.

Im unteren Bild haben wir das Bohr-Atommodell für ein fiktives Atom. Sein Kern hat eine Kernladung Z = + n, die die umlaufenden Elektronen anzieht (die blauen Kreise). Man sieht, dass zwei Elektronen in einer dem Kern näher liegenden Umlaufbahn liegen, während das dritte Elektron in größerer Entfernung von diesem liegt.

Die dritten Elektronenbahnen spüren die elektrostatischen Abstoßungen der anderen zwei Elektronen auf, so dass der Kern sie mit geringerer Kraft anzieht; das heißt, die Kern-Elektronen-Wechselwirkung nimmt infolge der Abschirmung der ersten beiden Elektronen ab.

Dann fühlen die ersten zwei Elektronen die Anziehungskraft einer Ladung + n, aber die dritte erfährt stattdessen eine effektive Kernladung von + (n-2).

Dieses Zef wäre jedoch nur dann gültig, wenn die Abstände (der Radius) zum Kern aller Elektronen immer konstant und definiert wären und ihre negativen Ladungen (-1) lokalisiert wären.

Index

• 1 Konzept
  • 1.1 Penetrations- und Screening-Effekte
• 2 Wie berechnet man es?
  • 2.1 Slater-Regel
• 3 Beispiele
  • 3.1 Bestimmen Sie Zef für die Elektronen des 2s2-Orbitals in Beryllium
  • 3.2 Bestimmen Sie Zef für Elektronen im Phosphor-3-Orbital
• 4 Referenzen

Konzept

Die Protonen definieren die Kerne der chemischen Elemente und die Elektronen ihre Identität innerhalb einer Reihe von Eigenschaften (die Gruppen des Periodensystems).

Die Protonen erhöhen die Kernladung Z mit der Rate von n + 1, was durch die Zugabe eines neuen Elektrons zur Stabilisierung des Atoms kompensiert wird.

Da die Anzahl der Protonen, in der der Kern „bedeckt“, um eine dynamische Elektronenwolke die Regionen, wo sie zirkulieren durch die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Radial- und Winkelteil der Wellenfunktionen definiert sind ( die Orbitale).

Von diesem Ansatz wird die Elektronenbahn in einem definierten Bereich des Raumes um den Kern, sondern, wie die Schaufeln eines rotierenden Ventilator schnell verblasst in den Formen der bekannten orbital s, p, d und f.

Aus diesem Grund wird die negative Ladung -1 eines Elektrons durch jene Regionen verteilt, die die Orbitale durchdringen; Je größer die Penetrationswirkung ist, desto größer ist die effektive Kernladung, die das Elektron im Orbital erfahren wird.

Penetrations- und Screening-Effekte

Nach der vorhergehenden Erklärung tragen die Elektronen der inneren Schichten keine Ladung von -1 zur stabilisierenden Abstoßung der Elektronen der äußeren Schichten bei.

Dieser Kern (die zuvor mit Elektronen gefüllten Schichten) dient jedoch als "Wand", die verhindert, dass die anziehende Kraft des Kerns die äußeren Elektronen erreicht.

Dies wird als Screen-Effekt oder Screening-Effekt bezeichnet. Nicht alle Elektronen in den äußeren Schichten erfahren dieselbe Wirkung. Wenn beispielsweise eine orbitale mit einem hohen eindringende Charakter einnimmt (dh Durchfuhr der Nähe des Kerns und andere orbital) dann mehr Zef fühlen.

Folglich gibt es eine Ordnung der Energiestabilität auf der Grundlage dieser Zef für die Orbitale: s<><>

Dies bedeutet, dass das 2p-Orbital mehr Energie hat (weniger stabilisiert durch die Kernladung) als das 2s-Orbital.

Je schlechter der Penetrationseffekt durch das Orbital ist, desto geringer ist seine Schirmwirkung auf den Rest der äußeren Elektronen. Die d- und f-Orbitale zeigen viele Löcher (Knoten), an denen der Kern andere Elektronen anzieht.

Wie berechnet man es?

Unter der Annahme, dass die negativen Ladungen lokalisiert sind, lautet die Formel für die Berechnung von Zef für jedes Elektron:

Zef = Z - σ

In dieser Formel ist σ die Abschirmkonstante, die durch die Kernelektronen bestimmt wird. Dies liegt daran, dass die äußersten Elektronen theoretisch nicht zur Abschirmung der internen Elektronen beitragen. Mit anderen Worten, 1s² Schützt das Elektron 2s¹, aber 2s¹ schirmt Z nicht gegen 1s Elektronen ab².

Wenn Z = 40, unter Vernachlässigung der erwähnten Effekte, dann wird das letzte Elektron ein Zef gleich 1 (40-39) erfahren.

Slaters Regel

Slaters Regel ist eine gute Näherung der Zef-Werte für die Elektronen im Atom. Um es anzuwenden, müssen Sie die folgenden Schritte ausführen:

1- Die elektronische Konfiguration des Atoms (oder Ions) sollte wie folgt geschrieben werden:

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

2- Die Elektronen, die sich rechts von dem betrachteten befinden, tragen nicht zum Abschirmungseffekt bei.

3. Die Elektronen, die innerhalb der gleichen Gruppe sind (durch die Klammern gekennzeichnet), tragen 0,35 zur Ladung des Elektrons bei, es sei denn, es handelt sich um die Gruppe 1, die an ihrer Stelle 0,30 ist.

4- Wenn das Elektron ein s- oder p-Orbital besetzt, tragen alle n-1-Orbitale 0.85 und alle n-2-Orbitale eine Einheit bei.

5- Wenn das Elektron ein Orbital d oder f besetzt, tragen alle auf seiner linken Seite mit einer Einheit bei.

Beispiele

Bestimmen Sie Zef für die 2s-Orbitalelektronen² in Beryllium

Nach dem Darstellungsmodus von Slater ist die elektronische Konfiguration von Be (Z = 4):

(1s²) (2s²2p⁰)

Wie im Orbital gibt es zwei Elektronen, eines davon trägt zur Abschirmung des anderen bei, und das 1s-Orbital ist n-1 des 2s-Orbitals. Dann hat die Entwicklung der algebraischen Summe folgendes:

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

Die 0,35 stammt von dem 2s-Elektron und die 0,85 von den zwei Elektronen von den 1s. Nun, Zefs Formel anwenden:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Was bedeutet das? Es bedeutet, dass die Elektronen im 2s-Orbital sind² Sie erleiden eine Gebühr von +1,95, die sie an den Kern zieht, anstatt die tatsächliche Ladung von +4.

Bestimmen Sie Zef für Elektronen im 3p-Orbital³ von Phosphor

Wir fahren wie im vorherigen Beispiel fort:

(1s²) (2s²2p⁶) (3s²3p³)

Jetzt wird die algebraische Summe entwickelt, um σ zu bestimmen:

(,35)(4) + (0.85)(8) + (1)(2)= 10,2

Also, Zef ist der Unterschied zwischen σ und Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Abschließend die neuesten 3p-Elektronen³ Sie erfahren eine Ladung, die dreimal weniger stark ist als die echte. Es sollte auch beachtet werden, dass gemäß dieser Regel Elektronen 3s² Sie erleben denselben Zef, ein Ergebnis, das Zweifel aufkommen lassen könnte.

Es gibt jedoch Änderungen an der Slater-Regel, die dazu beitragen, die berechneten Werte der realen näherungsweise zu berechnen.

Referenzen

1. Chemie Libretexte. (22. Oktober 2016). Effektive Kernladung. Genommen von: chem.libretexts.org
2. Zittern und Atkins. (2008). Anorganische Chemie In den Elementen der Gruppe 1. (Vierte Ausgabe, Seiten 19, 25, 26 und 30). Mc Graw Hill.
3. Slaters Herrschaft. Entnommen von: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen Der Abschirmungseffekt und die effektive Kernladung. Genommen von: courses.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23. April 2018). Wie man effektive Kernladung berechnet. Erleben. Genommen von: scening.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodische Trends. Western Oregon Universität. Genommen von: wou.edu