Periodické trendy: efektivní jaderný náboj, velikost a energie

Efektivní jaderný náboj a stínění

Vnější elektron necítí plný jaderný náboj Z. Elektrony blíže k jádru jej částečně ruší a výsledné působení popisuje efektivní jaderný náboj, Zeff = Z − S, kde S je stínicí konstanta. Vnitřní elektrony v nižších slupkách stíní dobře. Elektrony ve stejné slupce stíní špatně, protože v průměru nejsou blíže k jádru než uvažovaný elektron.

Hrubý odhad počítá jen vnitřní elektrony. Sodík (Z = 11) i chlor (Z = 17) mají 10 vnitřních elektronů, takže elektron 3s sodíku cítí asi +1 a elektrony 3p chloru asi +7. Slaterova pravidla to zpřesňují. Pro elektron v podslupce ns nebo np přidává každý další elektron ve stejných podslupkách ns a np 0.35 k S (0.30 uvnitř 1s), každý elektron ve slupce n − 1 přidává 0.85 a každý elektron v hlubších slupkách přidává 1.00.

Řešený příklad 1. Pro elektron 3s sodíku je S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, takže Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Pro jeden z elektronů 3p chloru je S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, takže Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Napříč periodou 3 je každý přidaný proton jen částečně vyrovnán přidaným elektronem ve stejné slupce, takže Zeff roste zleva doprava, zatímco n zůstává 3.

Atomový poloměr a izoelektronové ionty

Atomový poloměr se napříč periodou zmenšuje, protože Zeff roste, zatímco vnější elektrony zůstávají ve stejné slupce, a jsou tedy přitahovány blíže. Dolů ve skupině roste, protože každá perioda přidává slupku, takže vnější elektrony jsou dál, zatímco Zeff se mění poměrně málo. Největší atomy jsou vlevo dole v tabulce a nejmenší vpravo nahoře.

Kation je menší než jeho mateřský atom: ztráta elektronů snižuje odpuzování a u kationtů hlavních skupin obvykle vyprázdní vnější slupku. Anion je větší než jeho mateřský atom, protože přidaný elektron zvyšuje odpuzování, zatímco jaderný náboj zůstává stejný.

Řešený příklad 2. Seřaďte N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ a Al³⁺ podle poloměru. Nejprve spočítejte elektrony: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 a 13 − 3 se všechny rovnají 10, takže každý ion má konfiguraci neonu 1s² 2s² 2p⁶. Při shodném počtu elektronů je jediným rozdílem jaderný náboj, který roste od 7 do 13. Více protonů stáhne stejný elektronový oblak těsněji, takže pořadí je N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

První ionizační energie a její výjimky způsobené podslupkami

První ionizační energie je energie potřebná k odtržení nejslaběji vázaného elektronu z plynného atomu: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Obecně roste napříč periodou, jak Zeff roste a poloměr se zmenšuje, a klesá dolů ve skupině. NIST uvádí ionizační energie v elektronvoltech na atom; vynásobením 96.485 kJ/mol na eV se převedou na molární jednotky.

Po převodu z NIST Atomic Spectra Database jsou hodnoty pro periodu 2 Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 a Ne 2080.7 kJ/mol. Dva kroky jdou špatným směrem. Bor je pod beryliem, protože jeho nejvzdálenější elektron je v 2p, což má vyšší energii a je částečně stíněno párem 2s. Kyslík je pod dusíkem, protože jeho čtvrtý elektron 2p se musí spárovat v obsazeném orbitalu a další odpuzování usnadňuje jeho odtržení.

Stejné dva poklesy se objevují v periodě 3: hliník (577.5 kJ/mol) je pod hořčíkem (737.7 kJ/mol) a síra (999.6 kJ/mol) je pod fosforem (1011.8 kJ/mol). Opakování vzoru ukazuje, že vychází ze struktury podslupek, nikoli z jednoho zvláštního prvku.

Následné ionizační energie a valenční elektrony

Každá další ionizační energie je větší než předchozí, protože každý elektron odchází ze stále kladnějšího iontu. Užitečnou informací je velikost každého skoku. Mírné zvýšení znamená, že další elektron pochází ze stejné valenční slupky; velmi velký skok znamená, že musí pocházet z vnitřních slupek, které jsou blíže k jádru a mnohem méně stíněné.

Řešený příklad 3. NIST uvádí první tři ionizační energie hořčíku jako 7.646, 15.035 a 80.144 eV. Převod: 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. Poměr IE₂/IE₁ je 1450.7 / 737.7 = 1.97, ale IE₃/IE₂ je 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Velký skok po druhém elektronu ukazuje, že hořčík má dva valenční elektrony, [Ne] 3s², a vysvětluje, proč v běžné chemii tvoří Mg²⁺, ale ne Mg³⁺.

Sodík ukazuje skok o krok dříve. Jeho druhá ionizační energie, 4562.4 kJ/mol, je asi 9.2krát větší než první, 495.8 kJ/mol, protože druhý elektron musí pocházet z vnitřní podslupky 2p.

Elektronová afinita a elektronegativita

Elektronová afinita popisuje změnu energie, když plynný atom získá elektron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Konvence znaménka se liší. Některé učebnice, včetně OpenStax, udávají změnu energie, která je záporná, když se energie uvolňuje; jiné udávají uvolněnou energii jako kladné číslo. Před porovnáním hodnot zkontrolujte použitou konvenci. S výjimkou vzácných plynů uvolňují nejvíce energie atomy směrem k pravé straně periody, protože jejich vysoké Zeff silně přitahuje přicházející elektron.

Elektronová afinita je méně pravidelná než ionizační energie. Chlor uvolňuje více energie než fluor, asi 349 kJ/mol ve srovnání s 328 kJ/mol, podle hodnot NIST Chemistry WebBook 3.613 a 3.401 eV. Přidaný elektron v kompaktní podslupce 2p fluoru naráží na silnější odpuzování. Beryllium, dusík a vzácné plyny mají malou nebo žádnou tendenci tvořit stabilní plynné anionty, protože by přidaný elektron vstoupil do vyšší podslupky nebo by se spároval v napůl zaplněné.

Elektronegativita je schopnost atomu v molekule přitahovat elektrony vazby. Na rozdíl od ionizační energie se neměří na izolovaném atomu; odvozuje se z vazebných energií nebo jiných dat a nejrozšířenější je Paulingova stupnice. Fluor je nejvyšší, asi 4.0. Elektronegativita roste napříč periodou a klesá dolů ve skupině, takže polarita vazby klesá od H–F přes H–Cl a H–Br k H–I.

Časté chyby při vysvětlování periodických trendů

Otázky na trendy se obvykle hodnotí podle vysvětlení, nikoli jen podle pořadí.

Úplné vysvětlení pojmenuje srovnání (stejná slupka, nebo jiná slupka), uvede, co se děje se Zeff nebo se vzdáleností, a tuto změnu spojí se silou působící na uvažovaný elektron.

• Tvrzení, že atom je menší, protože má víc elektronů. Napříč periodou elektrony vstupují do stejné slupky; velikost klesá, protože Zeff roste.
• Vysvětlení trendu ve skupině samotnými „více slupkami“, bez poznámky, že Zeff se dolů ve skupině mění málo.
• Zacházení s ionizační energií jako s přísně rostoucí napříč periodou. Zkontrolujte kroky mezi skupinami 2 a 13 a 15 a 16.
• Srovnávání iontů podle jaderného náboje, aniž by se nejprve ověřilo, že jsou izoelektronové.
• Míchání konvencí znaménka elektronové afinity a závěr, že zápornější číslo je menší afinita.
• Srovnávání poloměrů z různých tabulek. Kovalentní, kovové a iontové poloměry jsou definovány různě.
• Vysvětlování tím, co atom „chce“. Atomy nemají cíle; vysvětlujte přitahováním, vzdáleností a odpuzováním.