EFFEKTIVE KERNLADUNG: KONZEPT, BERECHNUNGSMETHODE UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die effektive Kernladung (Zef) ist die Anziehungskraft, die der Kern auf eines der Elektronen ausübt, nachdem er durch die Auswirkungen von Abschirmung und Penetration reduziert wurde. Wenn es keine solchen Effekte gäbe, würden die Elektronen die Anziehungskraft der tatsächlichen Kernladung Z spüren.

Im unteren Bild haben wir das Bohr-Atommodell für ein fiktives Atom. Sein Kern hat eine Kernladung Z = + n, die die Elektronen anzieht, die ihn umkreisen (die blauen Kreise). Es ist zu sehen, dass sich zwei Elektronen in einer Umlaufbahn befinden, die näher am Kern liegt, während das dritte Elektron weiter davon entfernt liegt.

Das dritte Elektron umkreist die elektrostatischen Abstoßungen der beiden anderen Elektronen, so dass der Kern sie mit weniger Kraft anzieht. das heißt, die Kern-Elektronen-Wechselwirkung nimmt infolge der Abschirmung der ersten beiden Elektronen ab.

Die ersten beiden Elektronen spüren also die Anziehungskraft einer + n-Ladung, während die dritte stattdessen eine effektive Kernladung von + (n-2) erfährt.

Dieser Zef wäre jedoch nur gültig, wenn die Abstände (der Radius) zum Kern aller Elektronen immer konstant und eindeutig wären und ihre negativen Ladungen (-1) lokalisieren würden.

Konzept

Protonen definieren die Kerne chemischer Elemente, und Elektronen definieren ihre Identität innerhalb einer Reihe von Merkmalen (die Gruppen des Periodensystems).

Protonen erhöhen die Kernladung Z mit einer Geschwindigkeit von n + 1, die durch die Zugabe eines neuen Elektrons zur Stabilisierung des Atoms kompensiert wird.

Mit zunehmender Anzahl von Protonen wird der Kern von einer dynamischen Elektronenwolke „bedeckt“, in der die Bereiche, durch die sie zirkulieren, durch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der radialen und eckigen Teile der Wellenfunktionen definiert werden ( Orbitale).

Bei diesem Ansatz kreisen die Elektronen nicht in einem definierten Raumbereich um den Kern herum, sondern verschwimmen wie die Schaufeln eines schnell rotierenden Fächers in die Formen der bekannten s-, p-, d- und f-Orbitale.

Aus diesem Grund wird die negative Ladung -1 eines Elektrons durch die Bereiche verteilt, in die die Orbitale eindringen. Je größer der Penetrationseffekt ist, desto größer ist die effektive Kernladung, die das Elektron im Orbital erfahren wird.

Penetrations- und Abschirmeffekte

In Übereinstimmung mit der obigen Erklärung tragen die Elektronen in den inneren Schalen keine -1-Ladung zur stabilisierenden Abstoßung der Elektronen in den äußeren Schalen bei.

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

Dies wird als Bildschirmeffekt oder Abschirmeffekt bezeichnet. Auch erfahren nicht alle Elektronen in den Außenschalen die gleiche Stärke dieses Effekts; Wenn Sie beispielsweise ein Orbital besetzen, das einen hohen Durchdringungscharakter hat (dh sehr nahe am Kern und anderen Orbitalen verläuft), spüren Sie einen höheren Zef.

Infolgedessen ergibt sich eine Funktion der Energiestabilität als Funktion dieses Zef für die Orbitale: s

Dies bedeutet, dass das 2p-Orbital eine höhere Energie hat (weniger stabilisiert durch die Ladung des Kerns) als das 2s-Orbital.

Je schlechter der vom Orbital ausgeübte Penetrationseffekt ist, desto geringer ist sein Bildschirmeffekt auf den Rest der externen Elektronen. Die d- und f-Orbitale zeigen viele Löcher (Knoten), in denen der Kern andere Elektronen anzieht.

Wie berechnet man das?

Unter der Annahme, dass negative Ladungen lokalisiert sind, lautet die Formel zur Berechnung des Zef für jedes Elektron:

Zef = Z - σ

In dieser Formel ist σ die Abschirmkonstante, die durch die Elektronen des Kerns bestimmt wird. Dies liegt daran, dass theoretisch die äußersten Elektronen nicht zur Abschirmung der inneren Elektronen beitragen. Mit anderen Worten, 1s ² schirmt das 2s ^1- Elektron ab , aber 2s ¹ schirmt die 1s ^2- Elektronen nicht ab .

Wenn Z = 40 ist und die genannten Effekte vernachlässigt werden, erfährt das letzte Elektron einen Zef von 1 (40-39).

Slaters Regel

Die Slater-Regel ist eine gute Annäherung an die Zef-Werte für die Elektronen im Atom. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um es anzuwenden:

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 rechts von dem betrachteten tragen nicht zum Abschirmeffekt bei.

3- Die Elektronen innerhalb derselben Gruppe (durch die Klammern gekennzeichnet) tragen 0,35 zur Ladung des Elektrons bei, es sei denn, es handelt sich um die 1s-Gruppe, stattdessen 0,30.

4- Wenn das Elektron ein Sop-Orbital einnimmt, tragen alle n-1-Orbitale 0,85 und alle n-2-Orbitale eine Einheit bei.

5- Für den Fall, dass das Elektron ein dof-Orbital einnimmt, tragen alle links davon eine Einheit bei.

Beispiele

Bestimmen Sie Zef für die Elektronen im 2s-Orbital

Nach Slaters Darstellungsweise lautet die elektronische Konfiguration von Be (Z = 4):

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Da sich im Orbital zwei Elektronen befinden, trägt eines davon zur Abschirmung des anderen bei, und das 1s-Orbital ist das n-1 des 2s-Orbitals. Wenn wir dann die algebraische Summe entwickeln, haben wir Folgendes:

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

Die 0,35 stammten vom 2s-Elektron und die 0,85 von den beiden 1s-Elektronen. Wenden wir nun die Formel von Zef an:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Was bedeutet das? Dies bedeutet, dass die Elektronen im 2s ² -Orbital eine Ladung von +1,95 erfahren, die sie zum Kern anstatt zur tatsächlichen Ladung von +4 zieht.

Bestimmen Sie Zef für die Elektronen im 3p-Orbital

Wieder geht es weiter wie im vorherigen Beispiel:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

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

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

Zef ist also der Unterschied zwischen σ und Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Zusammenfassend erfahren die letzten 3p ³ -Elektronen eine Ladung, die dreimal weniger stark ist als die reale. Es sollte auch beachtet werden, dass nach dieser Regel die 3s ² -Elektronen den gleichen Zef erfahren, ein Ergebnis, das diesbezüglich Zweifel aufkommen lassen könnte.

Es gibt jedoch Änderungen an der Slater-Regel, die dazu beitragen, die berechneten Werte an die tatsächlichen Werte anzunähern.

Verweise

1. Chemie Libretexte. (2016, 22. Oktober). Effektive Kernladung. Entnommen aus: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische Chemie. In Die Elemente der Gruppe 1. (Vierte Ausgabe., Seiten 19, 25, 26 und 30). Mc Graw Hill.
3. Slaters Regel. Entnommen aus: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Der Abschirmeffekt und die effektive Kernladung. Entnommen aus: Kurse.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23. April 2018). Berechnung der effektiven Kernladung. Wissenschaft. Entnommen aus: sciencing.com
6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Periodische Trends. Western Oregon University. Entnommen aus: wou.edu