Эффективный ядерный заряд

Измерение в атомной физике

В атомной физике эффективный заряд ядра — это фактическое количество положительного (ядерного) заряда, испытываемого электроном в многоэлектронном атоме. Термин «эффективный» используется потому, что экранирующий эффект отрицательно заряженных электронов не позволяет электронам с более высокой энергией испытывать полный ядерный заряд ядра из -за отталкивающего эффекта внутреннего слоя. Эффективный заряд ядра, испытываемый электроном, также называется зарядом ядра. Можно определить силу ядерного заряда по степени окисления атома. Большинство физических и химических свойств элементов можно объяснить на основе электронной конфигурации. Рассмотрим поведение энергий ионизации в периодической таблице. Известно, что величина потенциала ионизации зависит от следующих факторов:

1. Размер атома;
2. Ядерный заряд;
3. Экранирующий эффект внутренних оболочек и
4. Степень, в которой внешний электрон проникает в облако зарядов, созданное внутренним электроном.

В периодической таблице эффективный заряд ядра уменьшается в группах и увеличивается слева направо в течение периода.

Описание

Эффективное атомное число Z _eff (иногда называемое эффективным ядерным зарядом) атома — это число протонов , которые электрон в элементе эффективно «видит» из-за экранирования электронами внутренней оболочки . Это мера электростатического взаимодействия между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами в атоме. Можно рассматривать электроны в атоме как «уложенные» энергией снаружи ядра; электроны с самой низкой энергией (например, электроны 1s и 2s) занимают пространство ближе всего к ядру, а электроны с более высокой энергией расположены дальше от ядра.

Энергия связи электрона или энергия, необходимая для удаления электрона из атома, является функцией электростатического взаимодействия между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром. Например, в железе (атомный номер 26) ядро ​​содержит 26 протонов. Электроны, которые находятся ближе всего к ядру, будут «видеть» почти все из них. Однако электроны, которые находятся дальше, экранированы от ядра другими электронами между ними и в результате чувствуют меньшее электростатическое взаимодействие. 1s-электрон железа (ближайший к ядру) видит эффективный атомный номер (число протонов), равный 25. Причина, по которой он не равен 26, заключается в том, что некоторые электроны в атоме в конечном итоге отталкивают другие, давая в результате более низкое электростатическое взаимодействие с ядром. Один из способов представить этот эффект — представить себе 1s-электрон, сидящий по одну сторону от 26 протонов в ядре, а другой электрон — по другую сторону; Каждый электрон будет чувствовать меньше, чем сила притяжения 26 протонов, потому что другой электрон вносит отталкивающую силу. Электроны 4s в железе, которые находятся дальше всего от ядра, чувствуют эффективный атомный номер всего 5,43 из-за 25 электронов между ним и ядром, экранирующих заряд.

Эффективные атомные числа полезны не только для понимания того, почему электроны, расположенные дальше от ядра, связаны гораздо слабее, чем те, что ближе к ядру, но и потому, что они могут подсказать нам, когда использовать упрощенные методы расчета других свойств и взаимодействий. Например, литий , атомный номер 3, имеет два электрона в оболочке 1s и один в оболочке 2s. Поскольку два электрона 1s экранируют протоны, давая эффективное атомное число для электрона 2s, близкое к 1, мы можем рассматривать этот валентный электрон 2s с помощью водородной модели.

Математически эффективный атомный номер Z _eff можно рассчитать с помощью методов, известных как расчеты « самосогласованного поля », но в упрощенных ситуациях он просто берется как атомный номер за вычетом числа электронов между ядром и рассматриваемым электроном.

Расчеты

В атоме с одним электроном этот электрон испытывает полный заряд положительного ядра . В этом случае эффективный заряд ядра можно рассчитать по закону Кулона . ^[1]

Однако в атоме со многими электронами внешние электроны одновременно притягиваются к положительно заряженному ядру и отталкиваются отрицательно заряженными электронами. Эффективный ядерный заряд такого электрона определяется следующим уравнением: где $${\displaystyle Z_{\mathrm {eff} }=Z-S}$$

• Z — число протонов в ядре ( атомный номер ), а
• S — константа экранирования.

S можно найти путем систематического применения различных наборов правил.

Правила Слейтера

Самым простым методом определения константы экранирования для данного электрона является использование « правил Слейтера », разработанных Джоном С. Слейтером и опубликованных в 1930 году. ^[2] Эти алгебраические правила значительно проще, чем нахождение констант экранирования с помощью расчета ab initio .

Метод Хартри-Фока

Более теоретически обоснованным методом является расчет константы экранирования с использованием метода Хартри-Фока . Дуглас Хартри определил эффективное Z орбитали Хартри-Фока как: где $${\displaystyle Z_{\mathrm {eff} }={\frac {\langle r\rangle _{\rm {H}}}{\langle r\rangle _{Z}}}}$$

• ${\displaystyle \langle r\rangle _{\rm {H}}}$- средний радиус орбитали для водорода , а
• ${\displaystyle \langle r\rangle _{Z}}$— средний радиус орбитали для конфигурации протона с зарядом ядра Z.

Ценности

Обновленные значения эффективного ядерного заряда были предоставлены Клементи и др. в 1963 и 1967 годах. ^{[3] [4]} В их работе константы экранирования были оптимизированы для получения эффективных значений ядерного заряда, которые согласуются с расчетами SCF. Хотя полученные константы экранирования полезны в качестве предсказательной модели, они содержат мало химического понимания как качественная модель атомной структуры.

Сравнение с ядерным зарядом

Ядерный заряд — это электрический заряд ядра атома, равный числу протонов в ядре, умноженному на элементарный заряд . Напротив, эффективный ядерный заряд — это притягивающий положительный заряд ядерных протонов, действующих на валентные электроны, который всегда меньше общего числа протонов, присутствующих в ядре, из-за экранирующего эффекта . ^[5]

Смотрите также

• Атомные орбитали
• Основной заряд
• сокращение d-блока (или сокращение скандида)
• Электроотрицательность
• Сокращение лантаноидов
• Эффект экранирования
• Орбитали слейтеровского типа
• Валентные электроны
• Слабый заряд

Ссылки

1. Huray, Уравнения Пола Г. Максвелла . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley. ISBN 978-0-470-54991-9. OCLC  739118459.
2. Slater, JC (1930). "Atomic Shielding Constants" (PDF) . Phys. Rev . 36 (1): 57–64. Bibcode :1930PhRv...36...57S. doi :10.1103/PhysRev.36.57. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-03-23.
3. Клементи, Э.; Раймонди, Д. Л. (1963). «Константы атомного экранирования из функций SCF». J. Chem. Phys . 38 (11): 2686–2689. Bibcode :1963JChPh..38.2686C. doi :10.1063/1.1733573.
4. Клементи, Э.; Раймонди, Д. Л.; Рейнхардт, В. П. (1967). «Константы атомного экранирования из функций SCF. II. Атомы с 37–86 электронами». Журнал химической физики . 47 (4): 1300–1307. Bibcode : 1967JChPh..47.1300C. doi : 10.1063/1.1712084.
5. «Эффективный ядерный заряд — определение и тенденции — UBC Wiki».

5.Подробнее→

https://chem.libretexts.org/Courses/Mount_Royal_University/Chem_1201/Unit_2._Periodic_Properties_of_the_Elements/2.05%3A_Effective_Nuclear_Charge

Ресурсы

• Браун, Теодор; Интехаб Хан, Х.Э.; и Берстен, Брюс (2002). Химия: Центральная наука (8-е пересмотренное издание). Аппер Сэддл Ривер, Нью-Джерси 07458: Прентис-Холл. ISBN 0-13-061142-5 .