Эффективный ядерный заряд

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 ядерный заряд, испытываемый электроном, также называется зарядом ядра. Определить силу заряда ядра можно по степени окисления атома. Большинство физических и химических свойств элементов можно объяснить на основе электронной конфигурации. Рассмотрим поведение энергий ионизации в таблице Менделеева. 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 самый внешний электрон проникает в облако заряда, созданное внутренним электроном.

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

Описание

Эффективный атомный номер Z _eff (иногда называемый эффективным зарядом ядра) атома — это количество протонов , которые электрон в элементе эффективно «видит» благодаря экранированию электронами внутренней оболочки . Это мера электростатического взаимодействия между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами в атоме. Можно рассматривать электроны в атоме как «сложенные друг на друга» энергией вне ядра; Электроны с самой низкой энергией (например, электроны 1s и 2s) занимают пространство, ближайшее 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, находящиеся ближе всего к ядру, «увидят» почти все из них. Однако электроны, находящиеся дальше, экранируются от ядра другими электронами, находящимися между ними, и в результате ощущают меньше электростатического взаимодействия. 1 -й электрон железа (ближайший к ядру) имеет эффективный атомный номер (число протонов) 25. Причина, по которой он не равен 26, заключается в том, что некоторые электроны в атоме в конечном итоге отталкивают другие, создавая чистое низшее электростатическое взаимодействие с ядром. Один из способов представить этот эффект — представить себе 1s-электрон, сидящий по одну сторону от 26 протонов ядра, а другой электрон, сидящий по другую сторону; каждый электрон будет ощущать силу притяжения меньше, чем 26 протонов, потому что другой электрон вносит вклад в силу отталкивания. 4s-электроны в железе, которые находятся дальше всего от ядра, имеют эффективный атомный номер всего 5,43, поскольку между ним и ядром находится 25 электронов, экранирующих заряд.

Эффективные атомные номера полезны не только для понимания того, почему электроны, находящиеся дальше от ядра, связаны гораздо слабее, чем те, что ближе к ядру, но также и потому, что они могут подсказать нам, когда следует использовать упрощенные методы расчета других свойств и взаимодействий. Например, литий с атомным номером 3 имеет два электрона в оболочке 1s и один в оболочке 2s. Поскольку два 1s-электрона экранируют протоны, обеспечивая эффективный атомный номер 2s-электрона, близкий к 1, мы можем рассматривать этот валентный 2s-электрон 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 принимается как атомный номер минус количество электронов между ядром и рассматриваемым электроном.

Расчеты

См. Также: Эффект экранирования.

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

Однако в атоме с большим количеством электронов внешние электроны одновременно притягиваются к положительному ядру и отталкиваются отрицательно заряженными электронами. Эффективный ядерный заряд такого электрона определяется следующим уравнением: $$Z_{\mathrm {eff} }=Z-S$$где

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

S можно найти путем систематического применения различных наборов правил.

Правила Слейтера

Основная статья: Правила Слейтера

Самый простой метод определения константы экранирования для данного электрона — использование « правил Слейтера », разработанных Джоном Слейтером и опубликованных в 1930 году. Эти алгебраические правила значительно проще, чем определение констант экранирования с помощью вычислений ab initio .

Метод Хартри – Фока

См. Также: метод Хартри – Фока.

Более теоретически обоснованным методом является расчет постоянной экранирования по методу Хартри-Фока . Дуглас Хартри определил эффективный Z орбитали Хартри – Фока как: $$Z_{\mathrm {eff} }={\frac {\langle r\rangle _{\rm {H}}}{\langle r\rangle _{Z}}}$$где

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

Ценности

Обновленные значения эффективного ядерного заряда были предоставлены Клементи и др. в 1963 и 1967 годах. В их работе константы экранирования были оптимизированы для получения эффективных значений заряда ядра, которые согласуются с расчетами SCF. Хотя полученные константы скрининга полезны в качестве модели прогнозирования, они содержат мало химической информации в качестве качественной модели атомной структуры.

Эффективные ядерные заряды

	ЧАС																	Он
С	1																	2
1 с	1.000																	1.688
	Что	Быть											Б	С	Н	ТО	Ф	Ne
С	3	4											5	6	7	8	9	10
1 с	2.691	3.685											4.680	5.673	6.665	7.658	8.650	9.642
2 с	1.279	1.912											2.576	3.217	3.847	4.492	5.128	5.758
2р													2.421	3.136	3.834	4.453	5.100	5.758
	Уже	мг											Ал	И	П	С	кл.	С
С	11	12											13	14	15	16	17	18
1 с	10.626	11.609											12.591	13.575	14.558	15.541	16.524	17.508
2 с	6.571	7.392											8.214	9.020	9.825	10.629	11.430	12.230
2р	6.802	7.826											8.963	9.945	10.961	11.977	12.993	14.008
3 с	2.507	3.308											4.117	4.903	5.642	6.367	7.068	7.757
3р													4.066	4.285	4.886	5.482	6.116	6.764
	К	Что	наук	Из	V	Кр	Мин.	Фе	Ко	В	С	Зн	Здесь	Ге	Как	Се	Бр	НОК
С	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36
1 с	18.490	19.473	20.457	21.441	22.426	23.414	24.396	25.381	26.367	27.353	28.339	29.325	30.309	31.294	32.278	33.262	34.247	35.232
2 с	13.006	13.776	14.574	15.377	16.181	16.984	17.794	18.599	19.405	20.213	21.020	21.828	22.599	23.365	24.127	24.888	25.643	26.398
2р	15.027	16.041	17.055	18.065	19.073	20.075	21.084	22.089	23.092	24.095	25.097	26.098	27.091	28.082	29.074	30.065	31.056	32.047
3 с	8.680	9.602	10.340	11.033	11.709	12.368	13.018	13.676	14.322	14.961	15.594	16.219	16.996	17.790	18.596	19.403	20.219	21.033
3р	7.726	8.658	9.406	10.104	10.785	11.466	12.109	12.778	13.435	14.085	14.731	15.369	16.204	17.014	17.850	18.705	19.571	20.434
4 с	3.495	4.398	4.632	4.817	4.981	5.133	5.283	5.434	5.576	5.711	5.842	5.965	7.067	8.044	8.944	9.758	10.553	11.316
3d			7.120	8.141	8.983	9.757	10.528	11.180	11.855	12.530	13.201	13.878	15.093	16.251	17.378	18.477	19.559	20.626
4р													6.222	6.780	7.449	8.287	9.028	9.338
	руб.	старший	И	Зр	Нб	Мо	Тс	Ру	резус	ПД	В	компакт-диск	В	Сн	Сб	Te	я	Машина
С	37	38	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50	51	52	53	54
1 с	36.208	37.191	38.176	39.159	40.142	41.126	42.109	43.092	44.076	45.059	46.042	47.026	48.010	48.992	49.974	50.957	51.939	52.922
2 с	27.157	27.902	28.622	29.374	30.125	30.877	31.628	32.380	33.155	33.883	34.634	35.386	36.124	36.859	37.595	38.331	39.067	39.803
2р	33.039	34.030	35.003	35.993	36.982	37.972	38.941	39.951	40.940	41.930	42.919	43.909	44.898	45.885	46.873	47.860	48.847	49.835
3 с	21.843	22.664	23.552	24.362	25.172	25.982	26.792	27.601	28.439	29.221	30.031	30.841	31.631	32.420	33.209	33.998	34.787	35.576
3р	21.303	22.168	23.093	23.846	24.616	25.474	26.384	27.221	28.154	29.020	29.809	30.692	31.521	32.353	33.184	34.009	34.841	35.668
4 с	12.388	13.444	14.264	14.902	15.283	16.096	17.198	17.656	18.582	18.986	19.865	20.869	21.761	22.658	23.544	24.408	25.297	26.173
3d	21.679	22.726	25.397	25.567	26.247	27.228	28.353	29.359	30.405	31.451	32.540	33.607	34.678	35.742	36.800	37.839	38.901	39.947
4р	10.881	11.932	12.746	13.460	14.084	14.977	15.811	16.435	17.140	17.723	18.562	19.411	20.369	21.265	22.181	23.122	24.030	24.957
5 с	4.985	6.071	6.256	6.446	5.921	6.106	7.227	6.485	6.640	(пустой)	6.756	8.192	9.512	10.629	11.617	12.538	13.404	14.218
4д			15.958	13.072	11.238	11.392	12.882	12.813	13.442	13.618	14.763	15.877	16.942	17.970	18.974	19.960	20.934	21.893
5 пенсов													8.470	9.102	9.995	10.809	11.612	12.425

Сравнение с ядерным зарядом

Заряд ядра — это электрический заряд ядра атома, равный числу протонов в ядре, умноженному на элементарный заряд . Напротив, эффективный заряд ядра — это притягивающий положительный заряд ядерных протонов, действующий на валентные электроны, который всегда меньше общего числа протонов, присутствующих в ядре, из-за эффекта экранирования .

См. также

• Атомные орбитали
• Основной заряд
• Сокращение d-блока (или скандидное сокращение)
• Электроотрицательность
• Лантанидное сокращение
• Экранирующий эффект
• Орбитали типа Слейтера
• Валентные электроны
• Слабый заряд

Ресурсы

• Браун, Теодор; Интехаб хан, ОН; и Берстен, Брюс (2002). Химия: Центральная наука (8-е исправленное издание). Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси 07458: Прентис-Холл. ISBN   0-13-061142-5 .