Periodični trendovi: efektivni nuklearni naboj, veličina i energija

Efektivni nuklearni naboj i zaklanjanje

Vanjski elektron ne osjeća puni nuklearni naboj Z. Elektroni bliži jezgru djelimično ga poništavaju, a neto privlačenje opisuje efektivni nuklearni naboj, Zeff = Z − S, gdje je S konstanta zaklanjanja. Unutrašnji elektroni, u nižim ljuskama, zaklanjaju dobro. Elektroni u istoj ljusci zaklanjaju slabo, jer u prosjeku nisu bliži jezgru od elektrona o kojem je riječ.

Gruba procjena broji samo unutrašnje elektrone. Natrij (Z = 11) i hlor (Z = 17) imaju po 10 unutrašnjih elektrona, pa 3s elektron natrija osjeća oko +1, a 3p elektroni hlora oko +7. Slaterova pravila to dorađuju. Za elektron u ns ili np podljusci svaki drugi elektron u istim ns i np podljuskama dodaje 0.35 u S (0.30 unutar 1s), svaki elektron u ljusci n − 1 dodaje 0.85, a svaki elektron u dubljim ljuskama dodaje 1.00.

Riješeni primjer 1. Za 3s elektron natrija, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, pa je Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Za jedan od 3p elektrona hlora, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, pa je Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Kroz treću periodu svaki dodani proton samo je djelimično poništen dodanim elektronom iste ljuske, pa Zeff raste slijeva nadesno dok n ostaje 3.

Atomski radijus i izoelektronski ioni

Atomski radijus opada duž periode jer Zeff raste dok vanjski elektroni ostaju u istoj ljusci, pa su privučeni bliže. Raste niz grupu jer svaka perioda dodaje ljusku, postavljajući vanjske elektrone dalje, dok se Zeff mijenja razmjerno malo. Najveći atomi su u donjem lijevom, a najmanji u gornjem desnom dijelu tabele.

Kation je manji od svog matičnog atoma: gubitak elektrona smanjuje odbijanje, a kod kationa glavnih grupa obično prazni vanjsku ljusku. Anion je veći od svog matičnog atoma, jer dodani elektron povećava odbijanje dok nuklearni naboj ostaje isti.

Riješeni primjer 2. Poredajte N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ i Al³⁺ po radijusu. Prvo prebrojite elektrone: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 i 13 − 3 svi iznose 10, pa svaki ion ima konfiguraciju neona 1s² 2s² 2p⁶. Uz identičan broj elektrona, jedina razlika je nuklearni naboj, koji raste od 7 do 13. Više protona jače privlači isti elektronski oblak, pa je redoslijed N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Prva energija ionizacije i njeni izuzeci u podljuskama

Prva energija ionizacije je energija potrebna za uklanjanje najslabije vezanog elektrona iz gasovitog atoma: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Općenito raste duž periode, kako Zeff raste, a radijus se smanjuje, i opada niz grupu. NIST navodi energije ionizacije u elektronvoltima po atomu; množenjem sa 96.485 kJ/mol po eV pretvaraju se u molarne jedinice.

Pretvorene iz NIST Atomic Spectra Database, vrijednosti za drugu periodu su Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 i Ne 2080.7 kJ/mol. Dva koraka idu u pogrešnom smjeru. Bor je ispod berilija jer mu je vanjski elektron u 2p, koji je višeg energijskog nivoa i djelimično zaklonjen 2s parom. Kisik je ispod dušika jer se njegov četvrti 2p elektron mora sparivati u zauzetoj orbitali, a dodatno odbijanje olakšava njegovo uklanjanje.

Ista dva pada pojavljuju se u trećoj periodi: aluminij (577.5 kJ/mol) je ispod magnezija (737.7 kJ/mol), a sumpor (999.6 kJ/mol) ispod fosfora (1011.8 kJ/mol). Ponavljanje obrasca pokazuje da potiče iz strukture podljuski, a ne od jednog neobičnog elementa.

Uzastopne energije ionizacije i valentni elektroni

Svaka sljedeća energija ionizacije veća je od prethodne, jer svaki elektron odlazi iz sve pozitivnijeg iona. Veličina svakog skoka je korisna informacija. Umjeren porast znači da sljedeći elektron dolazi iz iste valentne ljuske; vrlo velik skok znači da mora doći iz unutrašnjosti, koja je bliža jezgru i znatno manje zaklonjena.

Riješeni primjer 3. NIST daje prve tri energije ionizacije magnezija kao 7.646, 15.035 i 80.144 eV. Pretvaranje: 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. Omjer IE₂/IE₁ je 1450.7 / 737.7 = 1.97, ali IE₃/IE₂ je 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Veliki skok nakon drugog elektrona pokazuje da magnezij ima dva valentna elektrona, [Ne] 3s², i objašnjava zašto u običnoj hemiji tvori Mg²⁺, ali ne i Mg³⁺.

Natrij pokazuje skok jedan korak ranije. Njegova druga energija ionizacije, 4562.4 kJ/mol, oko je 9.2 puta veća od prve, 495.8 kJ/mol, jer drugi elektron mora doći iz 2p jezgre.

Elektronski afinitet i elektronegativnost

Elektronski afinitet opisuje promjenu energije kada gasoviti atom primi elektron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Konvencije o predznaku se razlikuju. Neki udžbenici, uključujući OpenStax, navode promjenu energije, koja je negativna kada se energija oslobađa; drugi navode oslobođenu energiju kao pozitivan broj. Provjerite konvenciju prije poređenja vrijednosti. Osim plemenitih gasova, atomi prema desnoj strani periode oslobađaju najviše energije, jer njihov visok Zeff snažno privlači pristigli elektron.

Elektronski afinitet je manje pravilan od energije ionizacije. Hlor oslobađa više energije od fluora, oko 349 kJ/mol u poređenju sa 328 kJ/mol, na osnovu NIST Chemistry WebBook vrijednosti 3.613 i 3.401 eV. Dodani elektron u kompaktnoj 2p podljusci fluora nailazi na jače odbijanje. Berilij, dušik i plemeniti gasovi imaju malu ili nikakvu sklonost stvaranju stabilnih gasovitih aniona, jer bi dodani elektron ušao u višu podljusku ili se sparivao u napola popunjenoj.

Elektronegativnost je sposobnost atoma u molekuli da privlači elektrone veze. Za razliku od energije ionizacije, ne mjeri se na izoliranom atomu; izvodi se iz energija veza ili drugih podataka, a Paulingova skala je najšire korištena. Fluor je najviši, oko 4.0. Elektronegativnost raste duž periode i opada niz grupu, pa polarnost veze opada od H–F preko H–Cl i H–Br do H–I.

Česte greške u objašnjavanju periodičnih trendova

Pitanja o trendovima obično se ocjenjuju prema objašnjenju, a ne samo prema redoslijedu.

Potpuno objašnjenje imenuje poređenje (ista ljuska ili različita ljuska), navodi šta se događa sa Zeff ili udaljenošću i tu promjenu povezuje sa silom na dotični elektron.

• Tvrdnja da je atom manji jer ima više elektrona. Duž periode elektroni ulaze u istu ljusku; veličina opada jer Zeff raste.
• Objašnjavanje trenda niz grupu samo „više ljuski“, bez napomene da se Zeff malo mijenja niz grupu.
• Tretiranje energije ionizacije kao strogo rastuće duž periode. Provjerite korake od 2. do 13. grupe i od 15. do 16. grupe.
• Poređenje iona po nuklearnom naboju bez prethodne provjere da su izoelektronski.
• Miješanje konvencija predznaka elektronskog afiniteta i zaključak da je negativniji broj manji afinitet.
• Poređenje radijusa iz različitih tabela. Kovalentni, metalni i ionski radijusi definirani su različito.
• Objašnjavanje onim što atom „želi“. Atomi nemaju ciljeve; objašnjavajte privlačenjem, udaljenošću i odbijanjem.