CÀRREGA NUCLEAR EFECTIVA: CONCEPTE, COM CALCULAR-LA I EXEMPLES - QUIMICA - 2026

La càrrega nuclear efectiva (Zef) és la força d'atracció que exerceix el nucli sobre qualsevol dels electrons després de ser reduïda pels efectes d'apantallament i penetració. Si no existissin aquests efectes, els electrons sentirien la força d'atracció de la càrrega nuclear real Z.

A la imatge inferior es té el model atòmic de Bohr per un àtom fictici. El seu nucli posseeix una càrrega nuclear Z = + n, la qual atreu els electrons que orbiten al voltant (els cercles blaus). Es pot observar que dos electrons es troben en una òrbita més propera a l'nucli, mentre que el tercer electró jeu a més distància d'aquest.

El tercer electró orbita sentint les repulsions electrostàtiques dels altres dos electrons, de manera que el nucli l'atreu amb menys força; és a dir, disminueix la interacció nucli-electró com a resultat de l'apantallament dels dos primers electrons.

Llavors, els dos primers electrons senten la força atractiva d'una càrrega + n, però el tercer experimenta en el seu lloc una càrrega nuclear efectiva de + (n-2).

No obstant això, aquesta Zef seria vàlida només si les distàncies (el radi) a el nucli de tots els electrons fossin sempre constants i definides, localitzant les seves càrregues negatives (-1).

concepte

Els protons defineixen els nuclis dels elements químics, i els electrons seva identitat dins d'un conjunt de característiques (els grups de la taula periòdica).

Els protons augmenten la càrrega nuclear Z a raó de n + 1, la qual es compensa per l'addició d'un nou electró per estabilitzar l'àtom.

A mesura que augmenta el nombre de protons, el nucli es "cobreix" d'un núvol dinàmica d'electrons, en la qual les regions per on aquests circulen estan definides per les distribució de probabilitat de les parts radials i angulars de les funcions d'ona (els orbitals).

Des d'aquest enfocament, els electrons no orbiten en una regió definida de l'espai entorn a l'nucli, sinó que, com si fossin les aspes d'un ventilador girant ràpidament, es difuminen en les formes dels orbitals coneguts s, p, d i f.

Per aquesta raó, la càrrega negativa -1 d'un electró es distribueix per aquelles regions que penetrin els orbitals; mentre major sigui l'efecte penetrant, més gran serà la càrrega nuclear efectiva que experimentarà dit electró en l'orbital.

Efectes de penetració i apantallament

D'acord amb l'explicació anterior, els electrons de les capes internes no contribueixen amb una càrrega de -1 a la repulsió estabilitzadora dels electrons de les capes externes.

No obstant això, aquest nucli (les capes prèviament omplertes pels electrons) serveix com a "mur" que impedeix que la força atractiva de l'nucli arribi als electrons externs.

Això es coneix com a efecte pantalla o efecte d'apantallament. Així mateix, no tots els electrons de les capes externes experimenten la mateixa magnitud de l'efecte; per exemple, si ocupen un orbital que tingui un alt caràcter penetrant (això és, que transiti molt a prop de el nucli i altres orbitals), llavors sentirà 1 Zef més gran.

Sorgeix com a resultat un ordre d'estabilitat energètica en funció d'aquestes Zef per als orbitals: s

Això es tradueix en el fet que l'orbital 2p té major energia (menys estabilitzat per la càrrega de l'nucli) que l'orbital 2s.

Com més pobre sigui l'efecte de penetració exercit per l'orbital, menor serà el seu efecte de pantalla sobre la resta dels electrons externs. Els orbitals dif mostren molts buits (nodes) per on el nucli atrau altres electrons.

Com calcular-?

Assumint que les càrregues negatives estiguin localitzades, la fórmula de calcular Zef per a qualsevol electró és:

Zef = Z - σ

En aquesta fórmula σ és la constant d'apantallament determinada pels electrons de l'nucli. Això es deu al fet que, teòricament, els electrons més externs no contribueixen a l'apantallament dels electrons interns. En altres paraules, 1s ² apantalla a l'electró 2s ¹, però 2s ¹ no apantalla Z als electrons 1s ².

Si Z = 40, menyspreant els efectes esmentats, llavors l'últim electró experimentarà una Zef igual a 1 (40-39).

Regla de Slater

La regla de Slater és una bona aproximació dels valors de Zef per als electrons en l'àtom. Per aplicar-la cal seguir amb els passos a continuació:

1- La configuració electrònica de l'àtom (o de l'ió) ha d'escriure així:

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

2- Els electrons que estiguin a la dreta de què s'està considerant no contribueixen a l'efecte d'apantallament.

3- Els electrons que estiguin dins de el mateix grup (marcat pels parèntesis) aporten 0,35 la càrrega de l'electró llevat que es tracti de el grup 1s, sent en el seu lloc 0,30.

4- Si l'electró ocupa un orbital sop, llavors tots els orbitals n-1 aporten 0,85, i tots els orbitals n-2 una unitat.

5- En cas que l'electró ocupi un orbital DOF, tots els que estiguin a la seva esquerra contribueixen amb una unitat.

exemples

Determineu Zef per als electrons de l'orbital 2s

Seguint la manera de representació de Slater, la configuració electrònica de l'Be (Z = 4) és:

(1s ²) (2s ² 2p ⁰)

Com en l'orbital hi ha dos electrons, un d'aquests contribueix a l'apantallament de l'altre, i l'orbital 1s és n-1 de l'orbital 2s. Llavors, desenvolupant la suma algebraica es té el següent:

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

El 0,35 provenir de l'electró 2s, i el 0,85 dels dos electrons de l'1s. Ara, aplicant la fórmula de Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Què vol dir això? Vol dir que els electrons en l'orbital 2s ² experimenten una càrrega de +1,95 que els atreu cap al nucli, en comptes de la càrrega real de +4.

Determineu Zef per als electrons en l'orbital 3p

Novament, es prossegueix com en l'exemple anterior:

(1s ²) (2s ² 2p ⁶) (3s ² 3p ³)

Ara es desenvolupa la suma algebraica per determinar σ:

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

Llavors, Zef és la diferència entre σ i Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

En conclusió, els últims electrons 3p ³ experimenten una càrrega tres vegades menys forta que la real. També cal ressaltar que, d'acord amb aquesta regla, els electrons 3s ² experimenten la mateixa Zef, resultat que pogués desperta dubtes a l'respecte.

No obstant això, hi ha modificacions de la regla de Slater que ajuden a aproximar els valors calculats dels reals.

referències

1. Chemistry Libretexts. (22 d'octubre de 2016). Effective Nuclear Charge. Pres de: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. En Els elements de el grup 1. (Quarta edició., Pàg. 19, 25, 26 i 30). Mc Graw Hill.
3. Slater s rule. Pres de: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. The Shielding Effect and Effective Nuclear Charge. Pres de: courses.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23 d'abril del 2018). How to Calculate Effective Nuclear Charge. Sciencing. Pres de: sciencing.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodic Trends. Western Oregon University. Pres de: wou.edu