Periodik tendensiyalar: effektiv nüvə yükü, ölçü və enerji

Effektiv nüvə yükü və ekranlaşma

Xarici elektron tam nüvə yükünü Z hiss etmir. Nüvəyə daha yaxın elektronlar onu qismən kompensasiya edir və xalis cazibə effektiv nüvə yükü ilə təsvir olunur: Zeff = Z − S, burada S ekranlaşma sabitidir. Aşağı qabıqlardakı özək elektronları yaxşı ekranlaşdırır. Eyni qabıqdakı elektronlar pis ekranlaşdırır, çünki orta hesabla onlar nəzərdən keçirilən elektrondan nüvəyə daha yaxın deyil.

Kobud qiymətləndirmə yalnız özək elektronlarını sayır. Natrium (Z = 11) və xlorun (Z = 17) hər ikisində 10 özək elektronu var, buna görə natriumun 3s elektronu təxminən +1, xlorun 3p elektronları isə təxminən +7 hiss edir. Slater qaydaları bunu dəqiqləşdirir. ns və ya np alt qabığındakı elektron üçün eyni ns və np alt qabıqlarındakı hər digər elektron S-ə 0.35 əlavə edir (1s daxilində 0.30), n − 1 qabığındakı hər elektron 0.85, daha dərin qabıqlardakı hər elektron isə 1.00 əlavə edir.

Həll olunmuş nümunə 1. Natriumun 3s elektronu üçün S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, deməli Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Xlorun 3p elektronlarından biri üçün S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, deməli Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. 3-cü period boyunca hər əlavə proton yalnız eyni qabıqdakı əlavə elektronla qismən kompensasiya olunur, buna görə n 3 qalarkən Zeff soldan sağa artır.

Atom radiusu və izoelektron ionlar

Atom radiusu period boyunca azalır, çünki Zeff artır, xarici elektronlar isə eyni qabıqda qalır və daha yaxına çəkilir. Qrup boyunca aşağı artır, çünki hər period bir qabıq əlavə edir və xarici elektronları daha uzağa yerləşdirir, Zeff isə nisbətən az dəyişir. Ən böyük atomlar cədvəlin aşağı sol, ən kiçikləri isə yuxarı sağ hissəsindədir.

Kation ilkin atomundan kiçikdir: elektron itirmək itələşməni azaldır və əsas qrup kationları üçün adətən xarici qabığı boşaldır. Anion ilkin atomundan böyükdür, çünki əlavə elektron itələşməni artırır, nüvə yükü isə eyni qalır.

Həll olunmuş nümunə 2. N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ və Al³⁺ ionlarını radiusa görə sıralayın. Əvvəlcə elektronları sayın: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 və 13 − 3 hamısı 10-a bərabərdir, buna görə hər ionun neon konfiqurasiyası 1s² 2s² 2p⁶ var. Elektron sayları eyni olduqda yeganə fərq 7-dən 13-ə qədər artan nüvə yüküdür. Daha çox proton eyni elektron buludunu daha sıx çəkir, buna görə sıra N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ olur.

Birinci ionlaşma enerjisi və alt qabıq istisnaları

Birinci ionlaşma enerjisi qaz halındakı atomdan ən zəif bağlı elektronu çıxarmaq üçün lazım olan enerjidir: X(g) → X⁺(g) + e⁻. O, ümumiyyətlə period boyunca Zeff artdıqca və radius kiçildikcə artır, qrup boyunca aşağı isə azalır. NIST ionlaşma enerjilərini atoma görə elektronvoltla verir; hər eV üçün 96.485 kJ/mol-a vurmaq onları molyar vahidlərə çevirir.

NIST Atom Spektrləri Verilənlər Bazasından çevrilmiş 2-ci period qiymətləri Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 və Ne 2080.7 kJ/mol-dur. İki addım əks istiqamətdə gedir. Bor berilliumdan aşağıdır, çünki onun ən xarici elektronu enerjisi daha yüksək olan və 2s cütü ilə qismən ekranlaşan 2p-dədir. Oksigen azotdan aşağıdır, çünki onun dördüncü 2p elektronu tutulmuş orbitalda cütləşməlidir və əlavə itələşmə onu çıxarmağı asanlaşdırır.

Eyni iki enmə 3-cü periodda da görünür: alüminium (577.5 kJ/mol) maqneziumdan (737.7 kJ/mol), kükürd (999.6 kJ/mol) isə fosfordan (1011.8 kJ/mol) aşağıdır. Təkrarlanan qanunauyğunluq onun tək bir qeyri-adi elementdən deyil, alt qabıq quruluşundan irəli gəldiyini göstərir.

Ardıcıl ionlaşma enerjiləri və valent elektronlar

Hər ardıcıl ionlaşma enerjisi əvvəlkindən böyükdür, çünki hər elektron getdikcə daha müsbət ionlardan ayrılır. Hər sıçrayışın ölçüsü faydalı məlumatdır. Mülayim artım növbəti elektronun eyni valent qabığından gəldiyini bildirir; çox böyük sıçrayış isə onun nüvəyə daha yaxın və daha az ekranlaşmış özəkdən gəlməli olduğunu bildirir.

Həll olunmuş nümunə 3. NIST maqneziumun ilk üç ionlaşma enerjisini 7.646, 15.035 və 80.144 eV kimi verir. Çevirmə: 7.646 eV × 96.485 kJ/(mol·eV) = 737.7 kJ/mol; 15.035 × 96.485 = 1450.7 kJ/mol; 80.144 × 96.485 = 7732.7 kJ/mol. IE₂/IE₁ nisbəti 1450.7 / 737.7 = 1.97-dir, IE₃/IE₂ isə 7732.7 / 1450.7 = 5.33-dür. İkinci elektrondan sonrakı böyük sıçrayış maqneziumun iki valent elektronu olduğunu, [Ne] 3s², göstərir və onun adi kimyada niyə Mg²⁺ əmələ gətirdiyini, Mg³⁺ isə əmələ gətirmədiyini izah edir.

Natriumda sıçrayış bir addım əvvəl görünür. Onun ikinci ionlaşma enerjisi, 4562.4 kJ/mol, birinci enerjisindən, 495.8 kJ/mol, təxminən 9.2 dəfə böyükdür, çünki ikinci elektron 2p özəyindən gəlməlidir.

Elektrona meyllik və elektromənfilik

Elektrona meyllik qaz halındakı atom elektron qəbul etdikdə enerji dəyişikliyini təsvir edir: X(g) + e⁻ → X⁻(g). İşarə qaydaları fərqlənir. OpenStax daxil olmaqla bəzi dərsliklər enerji dəyişikliyini verir, enerji ayrıldıqda bu mənfidir; digərləri ayrılan enerjini müsbət ədəd kimi verir. Qiymətləri müqayisə etməzdən əvvəl qaydanı yoxlayın. Nəcib qazlar istisna olmaqla, periodun sağına doğru atomlar ən çox enerji ayırır, çünki onların yüksək Zeff-i daxil olan elektronu güclü cəzb edir.

Elektrona meyllik ionlaşma enerjisindən daha az qanunauyğundur. Xlor flüordan çox enerji ayırır, NIST Chemistry WebBook-un 3.613 və 3.401 eV qiymətlərinə əsasən təxminən 349 kJ/mol-a qarşı 328 kJ/mol. Flüorun yığcam 2p alt qabığındakı əlavə elektron daha güclü itələşmə ilə rastlaşır. Berillium, azot və nəcib qazların qaz halında sabit anion əmələ gətirmək meyli az və ya heç yoxdur, çünki əlavə elektron daha yüksək alt qabığa girər və ya yarı dolu alt qabıqda cütləşərdi.

Elektromənfilik molekuldakı atomun rabitə elektronlarını cəzb etmə qabiliyyətidir. İonlaşma enerjisindən fərqli olaraq o, təcrid olunmuş atomda ölçülmür; rabitə enerjilərindən və ya digər məlumatlardan alınır və ən geniş yayılmış şkala Pauling şkalasıdır. Ən yüksək elektromənfilik flüorda, təxminən 4.0-dır. Elektromənfilik period boyunca artır və qrup boyunca aşağı azalır, buna görə rabitə polyarlığı H–F-dən H–Cl və H–Br vasitəsilə H–I-ə doğru azalır.

Periodik tendensiyaları izah edərkən ümumi səhvlər

Tendensiya suallarında adətən yalnız sıra deyil, izah qiymətləndirilir.

Tam izah müqayisəni (eyni qabıq və ya fərqli qabıq) adlandırır, Zeff-ə və ya məsafəyə nə olduğunu bildirir və bu dəyişikliyi nəzərdən keçirilən elektrona təsir edən qüvvə ilə əlaqələndirir.

• Atomun daha çox elektronu olduğuna görə kiçik olduğunu demək. Period boyunca elektronlar eyni qabığa daxil olur; ölçü Zeff artdığı üçün azalır.
• Qrup tendensiyasını yalnız “daha çox qabıq” ilə izah etmək, Zeff-in qrup boyunca aşağı az dəyişdiyini qeyd etməmək.
• İonlaşma enerjisinə period boyunca ciddi şəkildə artan kimi yanaşmaq. 2-dən 13-cü qrupa və 15-dən 16-cı qrupa addımları yoxlayın.
• İonların izoelektron olduğunu əvvəlcədən yoxlamadan onları nüvə yükünə görə müqayisə etmək.
• Elektrona meyllik işarə qaydalarını qarışdırmaq və daha mənfi ədədin daha kiçik meyllik olduğu qənaətinə gəlmək.
• Fərqli cədvəllərdən radiusları müqayisə etmək. Kovalent, metallik və ion radiusları fərqli təyin olunur.
• Atomun nə “istədiyi” ilə izah etmək. Atomların məqsədləri yoxdur; cazibə, məsafə və itələşmə ilə izah edin.