পর্যায়বৃত্ত প্রবণতা: কার্যকর কেন্দ্রীয় চার্জ, আকার ও শক্তি

কার্যকর কেন্দ্রীয় চার্জ ও আবরণ

বাইরের ইলেকট্রন নিউক্লিয়াসের পূর্ণ চার্জ Z অনুভব করে না। নিউক্লিয়াসের কাছের ইলেকট্রন তার আংশিক বাতিল করে, এবং নিট টানকে বর্ণনা করা হয় কার্যকর কেন্দ্রীয় চার্জ দিয়ে, Zeff = Z − S, যেখানে S একটি আবরণ ধ্রুবক। নিচের শক্তিস্তরের অন্তঃস্থ ইলেকট্রন ভালো আবরণ দেয়। একই শক্তিস্তরের ইলেকট্রন কম আবরণ দেয়, কারণ গড়ে সেগুলো আলোচ্য ইলেকট্রনের চেয়ে নিউক্লিয়াসের বেশি কাছে নয়।

একটি মোটামুটি আন্দাজে কেবল অন্তঃস্থ ইলেকট্রন গোনা হয়। সোডিয়াম (Z = 11) ও ক্লোরিন (Z = 17) দুটিতেই 10টি অন্তঃস্থ ইলেকট্রন, তাই সোডিয়ামের 3s ইলেকট্রন প্রায় +1 এবং ক্লোরিনের 3p ইলেকট্রন প্রায় +7 অনুভব করে। স্লেটারের নিয়ম এটিকে আরও পরিশীলিত করে। ns বা np উপস্তরের কোনো ইলেকট্রনের জন্য একই ns ও np উপস্তরের প্রতিটি অন্য ইলেকট্রন S-এ 0.35 যোগ করে (1s-এর মধ্যে 0.30), n − 1 শক্তিস্তরের প্রতিটি ইলেকট্রন 0.85 যোগ করে, এবং গভীরতর শক্তিস্তরের প্রতিটি ইলেকট্রন 1.00 যোগ করে।

সমাধান করা উদাহরণ 1। সোডিয়ামের 3s ইলেকট্রনের জন্য S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, তাই Zeff = 11 − 8.80 = 2.20। ক্লোরিনের একটি 3p ইলেকট্রনের জন্য S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, তাই Zeff = 17 − 10.90 = 6.10। পর্যায় 3 জুড়ে যুক্ত হওয়া প্রতিটি প্রোটন একই শক্তিস্তরের যুক্ত হওয়া ইলেকট্রন দ্বারা কেবল আংশিক প্রশমিত হয়, তাই n 3-এ থাকা অবস্থায় Zeff বাম থেকে ডানে বাড়ে।

পারমাণবিক ব্যাসার্ধ ও আইসোইলেকট্রনীয় আয়ন

পর্যায় জুড়ে পারমাণবিক ব্যাসার্ধ কমে, কারণ Zeff বাড়ে অথচ বাইরের ইলেকট্রনগুলো একই শক্তিস্তরে থাকে, ফলে সেগুলো কাছে টেনে নেওয়া হয়। গ্রুপ বরাবর নিচে নামলে এটি বাড়ে, কারণ প্রতিটি পর্যায় একটি শক্তিস্তর যোগ করে এবং বাইরের ইলেকট্রনকে আরও দূরে রাখে, যেখানে Zeff তুলনামূলকভাবে খুব সামান্য বদলায়। সারণির নিচের বাম দিকে পরমাণু সবচেয়ে বড় এবং ওপরের ডান দিকে সবচেয়ে ছোট।

ক্যাটায়ন তার মূল পরমাণুর চেয়ে ছোট: ইলেকট্রন হারালে বিকর্ষণ কমে, এবং মুখ্য গ্রুপের ক্যাটায়নের ক্ষেত্রে সাধারণত বাইরের শক্তিস্তরটি খালি হয়ে যায়। অ্যানায়ন তার মূল পরমাণুর চেয়ে বড়, কারণ যুক্ত ইলেকট্রন বিকর্ষণ বাড়ায় অথচ নিউক্লিয়াসের চার্জ একই থাকে।

সমাধান করা উদাহরণ 2। N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ ও Al³⁺-কে ব্যাসার্ধ অনুযায়ী সাজান। আগে ইলেকট্রন গুনুন: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 এবং 13 − 3 সবই 10-এর সমান, তাই প্রতিটি আয়নের নিয়ন বিন্যাস 1s² 2s² 2p⁶। ইলেকট্রনের সংখ্যা অভিন্ন হলে একমাত্র পার্থক্য নিউক্লিয়াসের চার্জ, যা 7 থেকে 13-তে বাড়ে। বেশি প্রোটন একই ইলেকট্রন মেঘকে আরও শক্ত করে টানে, তাই ক্রম হলো N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺।

প্রথম আয়নিকরণ শক্তি এবং তার উপস্তরজনিত ব্যতিক্রম

প্রথম আয়নিকরণ শক্তি হলো গ্যাসীয় পরমাণু থেকে সবচেয়ে শিথিলভাবে ধরে রাখা ইলেকট্রনটি সরাতে প্রয়োজনীয় শক্তি: X(g) → X⁺(g) + e⁻। এটি সাধারণত পর্যায় জুড়ে বাড়ে, কারণ Zeff বাড়ে ও ব্যাসার্ধ কমে, এবং গ্রুপ বরাবর নিচে কমে। NIST আয়নিকরণ শক্তি প্রতি পরমাণুতে ইলেকট্রন-ভোল্টে তালিকাভুক্ত করে; প্রতি eV-তে 96.485 kJ/mol দিয়ে গুণ করলে মোলার এককে রূপান্তর হয়।

NIST Atomic Spectra Database থেকে রূপান্তরিত, পর্যায় 2-এর মান হলো Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 এবং Ne 2080.7 kJ/mol। দুটি ধাপ ভুল দিকে যায়। বোরন বেরিলিয়ামের নিচে, কারণ এর বাইরের ইলেকট্রন 2p-তে, যা বেশি শক্তির এবং 2s জোড় দ্বারা আংশিক আবৃত। অক্সিজেন নাইট্রোজেনের নিচে, কারণ এর চতুর্থ 2p ইলেকট্রনকে একটি অধিকৃত অরবিটালে যুগ্ম হতে হয়, আর বাড়তি বিকর্ষণ সেটিকে সরানো সহজ করে।

পর্যায় 3-এও একই দুটি পতন দেখা যায়: অ্যালুমিনিয়াম (577.5 kJ/mol) ম্যাগনেসিয়ামের (737.7 kJ/mol) নিচে, এবং সালফার (999.6 kJ/mol) ফসফরাসের (1011.8 kJ/mol) নিচে। পুনরাবৃত্ত এই প্যাটার্ন দেখায় যে এটি উপস্তরের গঠন থেকে আসে, কোনো একটি বিচিত্র মৌল থেকে নয়।

ক্রমিক আয়নিকরণ শক্তি ও যোজ্যতা ইলেকট্রন

প্রতিটি ক্রমিক আয়নিকরণ শক্তি আগেরটির চেয়ে বড়, কারণ প্রতিটি ইলেকট্রন ক্রমশ আরও ধনাত্মক আয়ন থেকে বেরিয়ে যায়। প্রতিটি লাফের আকারই কাজের তথ্য। মাঝারি বৃদ্ধি বোঝায় পরবর্তী ইলেকট্রন একই যোজ্যতা স্তর থেকে আসছে; অত্যন্ত বড় লাফ বোঝায় সেটিকে অন্তঃস্থ স্তর থেকে আসতে হচ্ছে, যা নিউক্লিয়াসের কাছে এবং অনেক কম আবৃত।

সমাধান করা উদাহরণ 3। NIST ম্যাগনেসিয়ামের প্রথম তিনটি আয়নিকরণ শক্তি দেয় 7.646, 15.035 ও 80.144 eV। রূপান্তর: 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। অনুপাত IE₂/IE₁ হলো 1450.7 / 737.7 = 1.97, কিন্তু IE₃/IE₂ হলো 7732.7 / 1450.7 = 5.33। দ্বিতীয় ইলেকট্রনের পর বড় লাফ দেখায় ম্যাগনেসিয়ামের দুটি যোজ্যতা ইলেকট্রন, [Ne] 3s², এবং ব্যাখ্যা করে কেন এটি সাধারণ রসায়নে Mg²⁺ গঠন করে কিন্তু Mg³⁺ করে না।

সোডিয়ামে লাফটি এক ধাপ আগে দেখা যায়। এর দ্বিতীয় আয়নিকরণ শক্তি, 4562.4 kJ/mol, প্রথমটির, 495.8 kJ/mol-এর প্রায় 9.2 গুণ, কারণ দ্বিতীয় ইলেকট্রনটিকে 2p অন্তঃস্থ স্তর থেকে আসতে হয়।

ইলেকট্রন আসক্তি ও তড়িৎঋণাত্মকতা

ইলেকট্রন আসক্তি বর্ণনা করে গ্যাসীয় পরমাণু একটি ইলেকট্রন গ্রহণ করলে শক্তির পরিবর্তন: X(g) + e⁻ → X⁻(g)। চিহ্নের রীতি ভিন্ন হয়। OpenStax-সহ কিছু পাঠ্যবই শক্তির পরিবর্তন লেখে, যা শক্তি নির্গত হলে ঋণাত্মক; অন্যরা নির্গত শক্তিকে ধনাত্মক সংখ্যা হিসেবে লেখে। মান তুলনার আগে রীতিটি দেখে নিন। অভিজাত গ্যাস বাদে, পর্যায়ের ডান দিকের পরমাণুগুলো সবচেয়ে বেশি শক্তি নির্গত করে, কারণ তাদের উচ্চ Zeff আগত ইলেকট্রনকে জোরে আকর্ষণ করে।

ইলেকট্রন আসক্তি আয়নিকরণ শক্তির চেয়ে কম নিয়মিত। ক্লোরিন ফ্লোরিনের চেয়ে বেশি শক্তি নির্গত করে, প্রায় 349 kJ/mol বনাম 328 kJ/mol, যা NIST Chemistry WebBook-এর 3.613 ও 3.401 eV মানের ওপর ভিত্তি করে। ফ্লোরিনের সংকুচিত 2p উপস্তরে যুক্ত ইলেকট্রন তীব্রতর বিকর্ষণের সম্মুখীন হয়। বেরিলিয়াম, নাইট্রোজেন ও অভিজাত গ্যাসের স্থিতিশীল গ্যাসীয় অ্যানায়ন গঠনের প্রবণতা খুব সামান্য বা নেই, কারণ যুক্ত ইলেকট্রন একটি উচ্চতর উপস্তরে যাবে বা অর্ধপূর্ণ উপস্তরে যুগ্ম হবে।

তড়িৎঋণাত্মকতা হলো কোনো অণুতে থাকা পরমাণুর বন্ধনের ইলেকট্রন আকর্ষণ করার ক্ষমতা। আয়নিকরণ শক্তির বিপরীতে এটি বিচ্ছিন্ন পরমাণুতে মাপা হয় না; এটি বন্ধন শক্তি বা অন্য উপাত্ত থেকে নির্ণীত, এবং পলিং স্কেল সবচেয়ে বহুল ব্যবহৃত। ফ্লোরিনের মান সবচেয়ে বেশি, প্রায় 4.0। তড়িৎঋণাত্মকতা পর্যায় জুড়ে বাড়ে ও গ্রুপ বরাবর নিচে কমে, তাই বন্ধনের পোলারতা H–F থেকে H–Cl ও H–Br হয়ে H–I-তে কমে।

পর্যায়বৃত্ত প্রবণতা ব্যাখ্যায় সাধারণ ভুল

প্রবণতার প্রশ্নে সাধারণত কেবল ক্রম নয়, ব্যাখ্যাটিও বিচার করা হয়।

একটি পূর্ণাঙ্গ ব্যাখ্যা তুলনাটির নাম বলে (একই শক্তিস্তর নাকি ভিন্ন শক্তিস্তর), Zeff বা দূরত্বের কী হয় তা জানায়, এবং সেই পরিবর্তনকে আলোচ্য ইলেকট্রনের ওপর বলের সঙ্গে যুক্ত করে।

• বেশি ইলেকট্রন আছে বলে পরমাণু ছোট, এমন বলা। পর্যায় জুড়ে ইলেকট্রন একই শক্তিস্তরে ঢোকে; আকার কমে কারণ Zeff বাড়ে।
• গ্রুপ বরাবর Zeff সামান্যই বদলায় তা না বলে শুধু ‘আরও শক্তিস্তর’ দিয়ে গ্রুপের প্রবণতা ব্যাখ্যা করা।
• আয়নিকরণ শক্তিকে পর্যায় জুড়ে কঠোরভাবে ক্রমবর্ধমান ধরা। গ্রুপ 2 থেকে 13 এবং গ্রুপ 15 থেকে 16-এর ধাপ দেখুন।
• আয়নগুলো আইসোইলেকট্রনীয় কি না তা আগে যাচাই না করে নিউক্লিয়াসের চার্জ দিয়ে তুলনা করা।
• ইলেকট্রন আসক্তির চিহ্নের রীতি গুলিয়ে ফেলে সিদ্ধান্ত নেওয়া যে বেশি ঋণাত্মক সংখ্যা মানে ছোট আসক্তি।
• ভিন্ন সারণি থেকে ব্যাসার্ধ তুলনা করা। সমযোজী, ধাতব ও আয়নিক ব্যাসার্ধ ভিন্নভাবে সংজ্ঞায়িত।
• পরমাণু কী ‘চায়’ তা দিয়ে ব্যাখ্যা করা। পরমাণুর কোনো লক্ষ্য নেই; আকর্ষণ, দূরত্ব ও বিকর্ষণ দিয়ে ব্যাখ্যা করুন।