Jaksollisen järjestelmän trendit: tehollinen ydinvaraus, koko ja energia

Tehollinen ydinvaraus ja varjostus

Uloin elektroni ei tunne koko ydinvarausta Z. Ytimen lähellä olevat elektronit kumoavat sitä osittain, ja nettovetoa kuvaa tehollinen ydinvaraus, Zeff = Z − S, missä S on varjostusvakio. Sisempien kuorten ydinelektronit varjostavat hyvin. Samalla kuorella olevat elektronit varjostavat huonosti, koska ne eivät keskimäärin ole lähempänä ydintä kuin tarkasteltava elektroni.

Karkea arvio laskee vain ydinelektronit. Natriumilla (Z = 11) ja kloorilla (Z = 17) on kummallakin 10 ydinelektronia, joten natriumin 3s-elektroni tuntee noin +1 ja kloorin 3p-elektronit noin +7. Slaterin säännöt tarkentavat tätä. Elektronille ns- tai np-alakuorella jokainen muu saman ns- ja np-alakuoren elektroni lisää S:ään 0.35 (1s:n sisällä 0.30), jokainen kuoren n − 1 elektroni lisää 0.85 ja jokainen syvempien kuorten elektroni lisää 1.00.

Läpikäyty esimerkki 1. Natriumin 3s-elektronille S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, joten Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Yhdelle kloorin 3p-elektronille S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, joten Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Jakson 3 yli kunkin lisätyn protonin vaikutuksen kumoaa vain osittain lisätty samankuorinen elektroni, joten Zeff kasvaa vasemmalta oikealle, vaikka n pysyy arvossa 3.

Atomisäde ja isoelektroniset ionit

Atomisäde pienenee jakson yli, koska Zeff kasvaa ja uloimmat elektronit pysyvät samalla kuorella, jolloin ne vetäytyvät lähemmäs. Se kasvaa ryhmässä alaspäin, koska jokainen jakso lisää kuoren, mikä sijoittaa uloimmat elektronit kauemmas, kun taas Zeff muuttuu suhteellisen vähän. Suurimmat atomit ovat taulukon vasemmassa alakulmassa ja pienimmät oikeassa yläkulmassa.

Kationi on pienempi kuin alkuperäinen atomi: elektronien menetys vähentää repulsiota, ja pääryhmien kationeilla se tyhjentää yleensä uloimman kuoren. Anioni on suurempi kuin alkuperäinen atomi, koska lisätty elektroni kasvattaa repulsiota ydinvarauksen pysyessä samana.

Läpikäyty esimerkki 2. Järjestä N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ ja Al³⁺ säteen mukaan. Laske ensin elektronit: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 ja 13 − 3 ovat kaikki 10, joten jokaisella ionilla on neonin konfiguraatio 1s² 2s² 2p⁶. Kun elektronimäärät ovat samat, ainoa ero on ydinvaraus, joka kasvaa 7:stä 13:een. Useampi protoni vetää saman elektroniverhon tiukemmin, joten järjestys on N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Ensimmäinen ionisaatioenergia ja sen alakuoriin liittyvät poikkeukset

Ensimmäinen ionisaatioenergia on energia, joka tarvitaan löyhimmin sitoutuneen elektronin poistamiseen kaasumaisesta atomista: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Se kasvaa yleensä jakson yli, kun Zeff kasvaa ja säde pienenee, ja pienenee ryhmässä alaspäin. NIST ilmoittaa ionisaatioenergiat elektronivoltteina atomia kohti; kertominen luvulla 96.485 kJ/mol eV:a kohti muuntaa ne moolisiin yksiköihin.

NIST Atomic Spectra Databasesta muunnettuina jakson 2 arvot ovat Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 ja Ne 2080.7 kJ/mol. Kaksi askelta menee väärään suuntaan. Boori on berylliumin alapuolella, koska sen uloin elektroni on 2p:ssä, joka on energialtaan korkeampi ja jota 2s-pari varjostaa osittain. Happi on typen alapuolella, koska sen neljännen 2p-elektronin täytyy paritua jo miehitetyssä orbitaalissa, ja ylimääräinen repulsio tekee sen poistamisesta helpompaa.

Samat kaksi notkahdusta esiintyvät jaksossa 3: alumiini (577.5 kJ/mol) on magnesiumin (737.7 kJ/mol) alapuolella ja rikki (999.6 kJ/mol) fosforin (1011.8 kJ/mol) alapuolella. Toistuva kuvio osoittaa, että se johtuu alakuorirakenteesta eikä yhdestä erikoisesta alkuaineesta.

Peräkkäiset ionisaatioenergiat ja valenssielektronit

Jokainen peräkkäinen ionisaatioenergia on edellistä suurempi, koska jokainen elektroni lähtee yhä positiivisemmasta ionista. Kunkin hypyn suuruus on hyödyllistä tietoa. Kohtuullinen kasvu tarkoittaa, että seuraava elektroni tulee samalta valenssikuorelta; hyvin suuri hyppy tarkoittaa, että sen täytyy tulla sisäkuorelta, joka on lähempänä ydintä ja paljon vähemmän varjostettu.

Läpikäyty esimerkki 3. NIST antaa magnesiumin kolmeksi ensimmäiseksi ionisaatioenergiaksi 7.646, 15.035 ja 80.144 eV. Muunnettuna: 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. Suhde IE₂/IE₁ on 1450.7 / 737.7 = 1.97, mutta IE₃/IE₂ on 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Suuri hyppy toisen elektronin jälkeen osoittaa, että magnesiumilla on kaksi valenssielektronia, [Ne] 3s², ja selittää, miksi se muodostaa tavallisessa kemiassa Mg²⁺:n mutta ei Mg³⁺:aa.

Natrium näyttää hypyn yhtä askelta aiemmin. Sen toinen ionisaatioenergia, 4562.4 kJ/mol, on noin 9.2-kertainen ensimmäiseen, 495.8 kJ/mol, verrattuna, koska toisen elektronin täytyy tulla 2p-sisäkuorelta.

Elektroniaffiniteetti ja elektronegatiivisuus

Elektroniaffiniteetti kuvaa energian muutosta, kun kaasumainen atomi vastaanottaa elektronin: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Etumerkkikäytännöt vaihtelevat. Jotkin oppikirjat, OpenStax mukaan lukien, ilmoittavat energian muutoksen, joka on negatiivinen, kun energiaa vapautuu; toiset ilmoittavat vapautuvan energian positiivisena lukuna. Tarkista käytäntö ennen arvojen vertaamista. Jalokaasuja lukuun ottamatta jakson oikealla puolella olevat atomit vapauttavat eniten energiaa, koska niiden suuri Zeff vetää saapuvaa elektronia voimakkaasti.

Elektroniaffiniteetti on epäsäännöllisempi kuin ionisaatioenergia. Kloori vapauttaa enemmän energiaa kuin fluori, noin 349 kJ/mol verrattuna arvoon 328 kJ/mol, NIST Chemistry WebBookin arvojen 3.613 ja 3.401 eV perusteella. Fluorin kompaktiin 2p-alakuoreen lisätty elektroni kohtaa voimakkaamman repulsion. Berylliumilla, typellä ja jalokaasuilla on vähän tai ei lainkaan taipumusta muodostaa vakaita kaasumaisia anioneja, koska lisätty elektroni joutuisi korkeampaan alakuoreen tai pariutuisi puoliksi täytetyssä.

Elektronegatiivisuus on molekyylissä olevan atomin kyky vetää puoleensa sidoksen elektroneja. Toisin kuin ionisaatioenergiaa, sitä ei mitata eristetystä atomista; se johdetaan sidosenergioista tai muusta datasta, ja Paulingin asteikko on laajimmin käytetty. Fluorilla se on korkein, noin 4.0. Elektronegatiivisuus kasvaa jakson yli ja pienenee ryhmässä alaspäin, joten sidoksen polaarisuus pienenee järjestyksessä H–F, H–Cl, H–Br ja H–I.

Yleiset virheet jaksollisen järjestelmän trendien selittämisessä

Trendikysymyksiä arvioidaan yleensä selityksen perusteella, ei pelkän järjestyksen.

Täydellinen selitys nimeää vertailun (sama kuori vai eri kuori), toteaa, mitä Zeff:lle tai etäisyydelle tapahtuu, ja yhdistää tuon muutoksen tarkasteltavaan elektroniin kohdistuvaan voimaan.

• Sen sanominen, että atomi on pienempi, koska siinä on enemmän elektroneja. Jakson yli elektronit tulevat samalle kuorelle; koko pienenee, koska Zeff kasvaa.
• Ryhmätrendin selittäminen pelkällä 'useammalla kuorella' toteamatta, että Zeff muuttuu ryhmässä alaspäin vain vähän.
• Ionisaatioenergian käsitteleminen jakson yli tiukasti kasvavana. Tarkista askeleet ryhmästä 2 ryhmään 13 ja ryhmästä 15 ryhmään 16.
• Ionien vertaaminen ydinvarauksen mukaan tarkistamatta ensin, että ne ovat isoelektronisia.
• Elektroniaffiniteetin etumerkkikäytäntöjen sekoittaminen ja johtopäätös, että negatiivisempi luku on pienempi affiniteetti.
• Eri taulukoista otettujen säteiden vertaaminen. Kovalenttiset, metalliset ja ionisäteet määritellään eri tavoin.
• Selittäminen sillä, mitä atomi 'haluaa'. Atomeilla ei ole tavoitteita; selitä vetovoimalla, etäisyydellä ja repulsiolla.