מטען גרעיני אפקטיבי: מושג, כיצד לחשב אותו ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

המטען הגרעיני היעיל (Zef) הוא הכח אטרקטיווי כי מפעיל גרעין על כל האלקטרונים לאחר מופחת על ידי ההשפעות של מיגון וחדיר. אם לא היו השפעות כאלה, האלקטרונים היו מרגישים את הכוח האטרקטיבי של המטען הגרעיני בפועל.

בתמונה התחתונה יש לנו את המודל האטומי של בוהר לאטום פיקטיבי. לגרעין שלו יש מטען גרעיני Z = + n, המושך את האלקטרונים שמקיפים אותו (העיגולים הכחולים). ניתן לראות ששני אלקטרונים נמצאים במסלול קרוב יותר לגרעין, ואילו האלקטרון השלישי נמצא רחוק ממנו.

האלקטרונים השלישי מקיף את ההדחות האלקטרוסטטיות של שני האלקטרונים האחרים, כך שהגרעין מושך אותו בפחות כוח; כלומר, האינטראקציה בין הגרעין והאלקטרונים פוחתת כתוצאה מההגנה על שני האלקטרונים הראשונים.

אז שני האלקטרונים הראשונים מרגישים את הכוח האטרקטיבי של מטען + n, אבל השלישי חווה מטען גרעיני יעיל של + (n-2) במקום.

עם זאת, צף זה יהיה תקף רק אם המרחקים (הרדיוס) לגרעין של כל האלקטרונים היו תמיד קבועים ומוגדרים, ואיתור המטענים השליליים שלהם (-1).

מוּשָׂג

פרוטונים מגדירים את גרעיני היסודות הכימיים, ואלקטרונים מגדירים את זהותם בתוך מערך מאפיינים (קבוצות הטבלה המחזורית).

פרוטונים מגדילים את המטען הגרעיני Z בשיעור n + 1, שמפוצה על ידי תוספת של אלקטרון חדש לייצוב האטום.

ככל שמספר הפרוטונים גדל, הגרעין הופך ל"כוסה "על ידי ענן אלקטרונים דינמי, שבו האזורים דרכם הם מסתובבים מוגדרים על ידי התפלגויות ההסתברות של החלקים הרדיאליים והזוויתיים של פונקציות הגל ( אורביטלים).

מתוך גישה זו האלקטרונים אינם עוברים מסלול באזור מוגדר של חלל סביב הגרעין, אלא, בדומה להביו של מאוורר מסתובב במהירות, הם מיטשטשים לצורות האורביטלים s, p, d ו- f הידועים.

מסיבה זו, המטען השלילי -1 של אלקטרון מופץ על ידי אותם אזורים שהאורביטלים חודרים אליהם; ככל שהאפקט החודר גדול יותר, כך המטען הגרעיני האפקטיבי שחווה האלקטרון האמור יחווה במסלול.

אפקטים של חדירה ומיגון

על פי ההסבר לעיל, האלקטרונים במעטפת הפנימית אינם תורמים מטען של -1 לדחיית הייצוב של האלקטרונים בקליפות החיצוניות.

עם זאת, גרעין זה (הקליפות שמילאו בעבר אלקטרונים) משמש כ"קיר "המונע מהכוח האטרקטיבי של הגרעין להגיע אל האלקטרונים החיצוניים.

זה מכונה אפקט המסך או אפקט המגן. כמו כן, לא כל האלקטרונים בקונכיות החיצוניות חווים את אותו גודל של השפעה זו; לדוגמה, אם אתה תופס מסלול שיש לו אופי חודר גבוה (כלומר, שמעביר קרוב מאוד לגרעין ולסבבים אחרים), אתה תרגיש זף גבוה יותר.

כתוצאה מכך, סדר יציבות אנרגטית מתעורר כפונקציה של צף אלה עבור האורביטלים: ש

המשמעות היא שלמסלול 2p יש אנרגיה גבוהה יותר (פחות מיוצבת על ידי המטען של הגרעין) בהשוואה למסלול ה -2 '.

ככל שהאפקט החדירה של המסלול גרוע יותר, כך השפעת המסך שלו על שאר האלקטרונים החיצוניים פחותה. האורביטלים d ו- f מראים חורים (צמתים) רבים שבהם הגרעין מושך אליו אלקטרונים אחרים.

איך לחשב את זה?

בהנחה שמטענים שליליים הם מקומיים, הנוסחה לחישוב Zef עבור כל אלקטרון היא:

Zef = Z - σ

בנוסחה זו σ הוא קבוע המיגון שנקבע על ידי האלקטרונים של הגרעין. הסיבה לכך היא, שבאופן תיאורטי, האלקטרונים החיצוניים ביותר אינם תורמים למיגון האלקטרונים הפנימיים. במילים אחרות, 1s ² מגן על האלקטרון 2s ¹ , אך 2s ¹ לא מגן על האלקטרונים 1s ² .

אם Z = 40, תוך הזנחת ההשפעות שהוזכרו, האלקטרון האחרון יחווה Zef השווה ל 1 (40-39).

שלטונו של סלייטר

הכלל של סלייטר הוא קירוב טוב לערכי ה- Zef עבור האלקטרונים באטום. כדי להחיל אותו, בצע את הצעדים שלהלן:

1- את התצורה האלקטרונית של האטום (או היון) יש לכתוב באופן הבא:

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

2- האלקטרונים שנמצאים מימין לזו שנחשבת אינם תורמים לאפקט הסיכוך.

3- האלקטרונים הנמצאים באותה קבוצה (המסומנים בסוגריים) מספקים 0.35 את המטען של האלקטרון אלא אם כן מדובר בקבוצת ה- 1, והיא במקום זאת 0.30.

4- אם האלקטרון תופס מסלול סופ, כל האורביטלים n-1 תורמים 0.85, וכל האורביטלים n-2 יחידה אחת.

5- במקרה שהאלקטרון תופס מסלול של DOF, כל אלה שמשמאלו תורמים יחידה אחת.

דוגמאות

קבע זף עבור האלקטרונים במסלול 2s

בעקבות מצב הייצוג של Slater, התצורה האלקטרונית של Be (Z = 4) היא:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

מכיוון שיש שני אלקטרונים במסלול, אחד מהם תורם להגנה על השני, והמסלול 1s הוא ה- n-1 של מסלול ה- 2s. לאחר מכן, לפתח את הסכום האלגברי יש לנו את הדברים הבאים:

(0.35) (1) + (0.85) (2) = 2.05

0.35 הגיע מאלקטרון 2s, וה 0.85 משני האלקטרונים של ה- 1. כעת, החלת הנוסחה של צף:

Zef = 4 - 2.05 = 1.95

מה זה אומר? זה אומר שהאלקטרונים במסלול 2s ² חווים מטען של +1.95 שמושך אותם לכיוון הגרעין, במקום המטען בפועל של +4.

קבע זף עבור האלקטרונים במסלול 3p

שוב, זה ממשיך כמו בדוגמא הקודמת:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

כעת מתפתח הסכום האלגברי לקביעת σ:

(, 35) (4) + (0.85) (8) + (1) (2) = 10.2

אז, Zef הוא ההבדל בין σ ל- Z:

Zef = 15-10.2 = 4.8

לסיכום, האלקטרונים 3p ³ האחרונים חווים מטען חזק פי שלוש פחות מזה של האמיתי. יצוין גם כי על פי כלל זה, האלקטרונים 3s ² חווים את אותו צף, תוצאה שעלולה לעורר ספקות לגביו.

עם זאת, ישנם שינויים בחוק של Slater המסייעים בקירוב הערכים המחושבים לערכים בפועל.

הפניות

1. ליברטקס כימיה. (2016, 22 באוקטובר). חיוב גרעיני יעיל. נלקח מ: chem.libretexts.org
2. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. באלמנטים של קבוצה 1. (מהדורה רביעית. עמודים 19, 25, 26 ו -30). מק גריי היל.
3. שלטונו של סלייטר. נלקח מ: intro.chem.okstate.edu
4. לומן. השפעת הסיכוך והמטען הגרעיני האפקטיבי. נלקח מ: Courses.lumenlearning.com
5. הוק, כריס. (23 באפריל 2018). כיצד לחשב מטען גרעיני יעיל. מדע. נלקח מ: sciencing.com
6. ד"ר ארלין קורטני. (2008). מגמות תקופתיות. אוניברסיטת אורגון המערבית. נלקח מ: wou.edu