Concept de charge nucléaire efficace, calcul et exemples



Le charge nucléaire effective (Zef) est la force d'attraction exercée par le noyau sur l'un des électrons après avoir été réduite par les effets du criblage et de la pénétration. S'il n'y avait pas de tels effets, les électrons sentiraient la force d'attraction de la charge nucléaire réelle Z.

Dans l'image inférieure, nous avons le modèle atomique de Bohr pour un atome fictif. Son noyau a une charge nucléaire Z = + n, qui attire les électrons qui tournent autour (les cercles bleus). On peut voir que deux électrons sont dans une orbite plus proche du noyau, tandis que le troisième électron se trouve à une plus grande distance de celui-ci.

Les orbites du troisième électron détectant les répulsions électrostatiques des deux autres électrons, le noyau l'attire avec moins de force; c'est-à-dire que l'interaction cœur-électron diminue en raison du blindage des deux premiers électrons.

Ensuite, les deux premiers électrons ressentent la force d'attraction d'une charge + n, mais la troisième éprouve une charge nucléaire effective de + (n-2).

Cependant, une telle Zef est valable que si les distances (le rayon) à tous les électrons de base étaient toujours constant et défini, localisant leur charge négative (-1).

Index

  • 1 concept
    • 1.1 Effets de pénétration et de dépistage
  • 2 Comment le calculer?
    • 2.1 La règle de Slater
  • 3 exemples
    • 3.1 Déterminer Zef pour les électrons de l'orbitale 2s2 dans le béryllium
    • 3.2 Déterminer Zef pour les électrons dans l'orbitale au phosphore 3
  • 4 références

Concept

Les protons définissent les noyaux des éléments chimiques et les électrons leur identité dans un ensemble de caractéristiques (les groupes du tableau périodique).

Les protons augmentent la charge nucléaire Z au taux de n + 1, ce qui est compensé par l'ajout d'un nouvel électron pour stabiliser l'atome.

Comme le nombre de protons, le noyau « couvre » un nuage d'électrons dynamique dans lequel les régions où elles circulent sont définies par la distribution de probabilité des parties radiales et angulaires des fonctions d'onde ( les orbitales).

De cette approche, l'orbite d'électrons dans une région définie de l'espace autour du noyau, mais, comme les pales d'un ventilateur rotatif décolore rapidement dans les formes de s orbitaux connus, p, d et f.

Pour cette raison, la charge négative -1 d'un électron est distribuée par les régions qui pénètrent dans les orbitales; plus l'effet pénétrant est important, plus la charge nucléaire effective de l'électron dans l'orbitale est grande.

Effets de pénétration et de dépistage

Selon l'explication précédente, les électrons des couches internes ne fournissent pas une charge de -1 à la répulsion stabilisante des électrons des couches externes.

Cependant, ce noyau (les couches préalablement remplies d'électrons) sert de "mur" qui empêche la force d'attraction du noyau d'atteindre les électrons extérieurs.

Ceci est connu comme un effet d'écran ou effet de dépistage. En outre, tous les électrons des couches externes ne subissent pas la même ampleur que cet effet. par exemple, si occupant une orbitale ayant un caractère de pénétration élevé (transitant proche du noyau et d'autres orbitales) se sentent alors plus Zef.

En conséquence, il existe un ordre de stabilité énergétique basé sur ces Zef pour les orbitales: s<><>

Cela signifie que l'orbitale 2p a plus d'énergie (moins stabilisée par la charge de base) que l'orbitale 2s.

Plus l'effet de pénétration exercé par l'orbitale est faible, plus son effet d'écran sur le reste des électrons externes est faible. Les orbitales d et f présentent de nombreux trous (nœuds) où le noyau attire d’autres électrons.

Comment le calculer?

En supposant que les charges négatives sont localisées, la formule pour calculer Zef pour tout électron est la suivante:

Zef = Z - σ

Dans ladite formule, σ est la constante de blindage déterminée par les électrons du noyau. En effet, théoriquement, les électrons les plus externes ne contribuent pas au blindage des électrons internes. En d'autres termes, 1s2 Protège les électrons 2s1, mais 2s1 ne protège pas les électrons de Z à 12.

Si Z = 40, en négligeant les effets mentionnés, le dernier électron connaîtra un Zef égal à 1 (40-39).

Règle de slater

La règle de Slater est une bonne approximation des valeurs de Zef pour les électrons dans l'atome. Pour l'appliquer, il est nécessaire de suivre les étapes ci-dessous:

1- La configuration électronique de l'atome (ou de l'ion) doit être écrite comme suit:

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

2- Les électrons qui sont à droite de celui considéré ne contribuent pas à l'effet de blindage.

3- Les électrons sont dans le même groupe (marquée par des parenthèses) fournir la charge d'électrons de 0,35 à moins que le groupe concerné 1s, au lieu d'être 0,30.

4- Si l'électron occupe une orbitale s ou p, alors toutes les orbitales n-1 fournissent 0,85 et toutes les unités orbitales n-2.

5- Si l'électron occupe une orbitale d ou f, tous ceux de gauche contribuent avec une unité.

Des exemples

Déterminer Zef pour les électrons orbitaux 2s2 en béryllium

Suivant le mode de représentation de Slater, la configuration électronique de Be (Z = 4) est:

(1s2) (2s22p0)

Comme dans l'orbitale, il y a deux électrons, l'un contribuant au blindage de l'autre, et l'orbitale 1s est le n-1 de l'orbitale 2s. Ensuite, le développement de la somme algébrique a les caractéristiques suivantes:

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

Le 0.35 provenait de l'électron 2s et le 0.85 des deux électrons des 1s. Maintenant, en appliquant la formule de Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Qu'est ce que ça signifie? Cela signifie que les électrons de l'orbitale 2s2 ils subissent une charge de +1,95 qui les attire vers le noyau, au lieu de la charge réelle de +4.

Déterminer Zef pour les électrons dans l'orbitale 3p3 du phosphore

Encore une fois, nous continuons comme dans l'exemple précédent:

(1s2) (2s22p6) (3s23p3)

Maintenant, la somme algébrique est développée pour déterminer σ:

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

Donc, Zef est la différence entre σ et Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

En conclusion, les derniers électrons 3p3 Ils subissent une charge trois fois moins forte que la vraie. Il convient également de noter que, selon cette règle, les électrons 3s2 Ils vivent le même Zef, un résultat qui pourrait susciter des doutes à ce sujet.

Cependant, il existe des modifications à la règle Slater qui permettent d'approcher les valeurs calculées des valeurs réelles.

Références

  1. Libretextes de chimie. (22 octobre 2016). Charge nucléaire efficace. Tiré de: chem.libretexts.org
  2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie inorganique Dans Les éléments du groupe 1. (Quatrième édition, pages 19, 25, 26 et 30). Mc Graw Hill.
  3. La règle de Slater. Tiré de: intro.chem.okstate.edu
  4. Lumen L'effet protecteur et la charge nucléaire efficace. Tiré de: courses.lumenlearning.com
  5. Hoke, Chris. (23 avril 2018). Comment calculer une charge nucléaire efficace. Sciencing. Tiré de: sciencing.com
  6. Dr. Arlene Courtney. (2008). Tendances périodiques Université de l'ouest de l'Oregon. Tiré de: wou.edu