Conceito de Carga Nuclear Eficaz, Como Calcular e Exemplos



O carga nuclear efetiva (Zef) é a força de atração exercida pelo núcleo em qualquer um dos elétrons após ser reduzida pelos efeitos da triagem e penetração. Se não houvesse tais efeitos, os elétrons sentiriam a força atrativa da carga nuclear real Z.

Na imagem inferior, temos o modelo atômico de Bohr para um átomo fictício. Seu núcleo tem uma carga nuclear Z = + n, que atrai os elétrons que orbitam ao redor (os círculos azuis). Pode ser visto que dois elétrons estão em uma órbita mais próxima do núcleo, enquanto o terceiro elétron está a uma distância maior do mesmo.

O terceiro elétron orbita sentindo as repulsões eletrostáticas dos outros dois elétrons, de modo que o núcleo atrai-o com menos força; isto é, a interação núcleo-elétron diminui como resultado da blindagem dos dois primeiros elétrons.

Então, os dois primeiros elétrons sentem a força atrativa de uma carga + n, mas a terceira experimenta uma carga nuclear efetiva de + (n-2).

No entanto, o dito Zef só seria válido se as distâncias (o raio) ao núcleo de todos os elétrons fossem sempre constantes e definidas, localizando suas cargas negativas (-1).

Índice

  • 1 conceito
    • 1.1 Penetração e efeitos de triagem
  • 2 Como calcular isso?
    • 2.1 Regra do Slater
  • 3 exemplos
    • 3.1 Determine Zef para os elétrons do orbital 2s2 em berílio
    • 3.2 Determine Zef para elétrons no orbital do fósforo 3
  • 4 referências

Conceito

Os prótons definem os núcleos dos elementos químicos, e os elétrons, sua identidade dentro de um conjunto de características (os grupos da tabela periódica).

Os prótons aumentam a carga nuclear Z na taxa de n + 1, que é compensada pela adição de um novo elétron para estabilizar o átomo.

À medida que o número de prótons aumenta, o núcleo é "coberto" por uma nuvem dinâmica de elétrons, na qual as regiões por onde circulam são definidas pela distribuição de probabilidade das partes radial e angular das funções de onda ( os orbitais).

A partir desta abordagem, os elétrons não orbitam em uma região definida do espaço ao redor do núcleo, mas, como se fossem as pás de um ventilador girando rapidamente, eles se desvanecem nas formas dos orbitais conhecidos s, p, d e f.

Por essa razão, a carga negativa -1 de um elétron é distribuída pelas regiões que penetram nos orbitais; quanto maior o efeito penetrante, maior a carga nuclear efetiva que o elétron experimentará no orbital.

Efeitos de penetração e triagem

De acordo com a explicação anterior, os elétrons das camadas internas não contribuem com uma carga de -1 para a repulsão estabilizadora dos elétrons das camadas externas.

No entanto, este núcleo (as camadas previamente preenchidas por elétrons) serve como uma "parede" que impede que a força atrativa do núcleo atinja os elétrons externos.

Isso é conhecido como efeito de tela ou efeito de triagem. Além disso, nem todos os elétrons nas camadas externas experimentam a mesma magnitude desse efeito; por exemplo, se eles ocupam um orbital que tem um caráter de alta penetração (isto é, transita muito próximo ao núcleo e outros orbitais), então ele sentirá um Zef maior.

Como resultado, há uma ordem de estabilidade de energia baseada nesses Zef para os orbitais: s<><>

Isso significa que o orbital 2p tem mais energia (menos estabilizada pela carga do núcleo) do que o orbital 2s.

Quanto mais fraco o efeito de penetração exercido pelo orbital, menor o efeito de tela no restante dos elétrons externos. Os orbitais d e f mostram muitos buracos (nós) onde o núcleo atrai outros elétrons.

Como calcular isso?

Supondo que as cargas negativas estejam localizadas, a fórmula para calcular Zef para qualquer elétron é:

Zef = Z - σ

Na referida fórmula, σ é a constante de proteção determinada pelos elétrons do núcleo. Isso porque, teoricamente, os elétrons mais externos não contribuem para a proteção dos elétrons internos. Em outras palavras, 1s2 Protege o elétron 2s1mas 2s1 não protege elétrons de Z a 1s2.

Se Z = 40, negligenciando os efeitos mencionados, então o último elétron experimentará um Zef igual a 1 (40-39).

Regra do Slater

A regra de Slater é uma boa aproximação dos valores de Zef para os elétrons no átomo. Para aplicá-lo, é necessário seguir os passos abaixo:

1- A configuração eletrônica do átomo (ou íon) deve ser escrita da seguinte forma:

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

2- Os elétrons que estão à direita daquele que está sendo considerado não contribuem para o efeito de blindagem.

3- Os elétrons que estão dentro do mesmo grupo (marcados pelos parênteses) contribuem com 0.35 a carga do elétron a menos que seja o grupo 1s, estando em seu lugar 0.30.

4- Se o elétron ocupa um orbital s ou p, então todos os orbitais n-1 contribuem com 0,85, e todos os orbitais n-2 com uma unidade.

5- No caso de o elétron ocupar um d ou f orbital, todos aqueles à sua esquerda contribuem com uma unidade.

Exemplos

Determine Zef para os elétrons orbitais de 2s2 em berílio

Seguindo o modo de representação de Slater, a configuração eletrônica de Be (Z = 4) é:

(1s2) (2s22p0)

Como no orbital existem dois elétrons, um deles contribui para a blindagem do outro, e o orbital 1s é n-1 do orbital 2s. Então, desenvolvendo a soma algébrica tem o seguinte:

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

O 0,35 veio do elétron 2s e 0,85 dos dois elétrons dos 1s. Agora, aplicando a fórmula do Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

O que significa isto? Isso significa que os elétrons no orbital 2s2 eles experimentam uma carga de +1.95 que os atrai ao núcleo, em vez da carga real de +4.

Determine Zef para elétrons no orbital 3p3 de fósforo

Novamente, continuamos como no exemplo anterior:

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

Agora a soma algébrica é desenvolvida para determinar σ:

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

Então, Zef é a diferença entre σ e Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Em conclusão, os últimos elétrons 3p3 Eles experimentam uma carga três vezes menos forte que a real. Também deve ser notado que, de acordo com esta regra, os elétrons 3s2 Eles experimentam o mesmo Zef, um resultado que poderia levantar dúvidas sobre isso.

No entanto, existem modificações na regra de Slater que ajudam a aproximar os valores calculados dos reais.

Referências

  1. Libretos de Química. (22 de outubro de 2016). Carga Nuclear Eficaz. Retirado de: chem.libretexts.org
  2. Arrepio e Atkins. (2008). Química Inorgânica Em Os elementos do grupo 1. (Quarta edição, páginas 19, 25, 26 e 30). Mc Graw Hill.
  3. Regra de Slater. Retirado de: intro.chem.okstate.edu
  4. Lúmen O efeito de blindagem e carga nuclear efetiva. Retirado de: courses.lumenlearning.com
  5. Hoke, Chris. (23 de abril de 2018) Como calcular a carga nuclear efetiva. Sciencing Retirado de: sciencing.com
  6. Dra. Arlene Courtney. (2008). Tendências periódicas. Western Oregon University. Retirado de: wou.edu