Mga Periodic Trend: Effective Nuclear Charge, Laki, at Enerhiya

Effective nuclear charge at shielding

Hindi nararamdaman ng panlabas na electron ang buong karga ng nucleus na Z. Bahagyang kinakansela ito ng mga electron na mas malapit sa nucleus, at inilalarawan ng effective nuclear charge, Zeff = Z − S, ang netong paghila, kung saan ang S ay isang shielding constant. Mahusay mag-shield ang mga core electron sa mas mababang shell. Mahina mag-shield ang mga electron sa iisang shell, dahil sa karaniwan ay hindi sila mas malapit sa nucleus kaysa sa electron na pinag-uusapan.

Ang magaspang na pagtatantiya ay bumibilang lang ng mga core electron. Parehong may 10 core electron ang sodium (Z = 11) at chlorine (Z = 17), kaya ang 3s electron ng sodium ay nakararamdam ng mga +1 at ang mga 3p electron ng chlorine ay mga +7. Pinipino ito ng mga tuntunin ni Slater. Para sa electron sa ns o np subshell, ang bawat ibang electron sa parehong ns at np subshell ay nagdaragdag ng 0.35 sa S (0.30 sa loob ng 1s), ang bawat electron sa shell na n − 1 ay nagdaragdag ng 0.85, at ang bawat electron sa mas malalalim na shell ay nagdaragdag ng 1.00.

Halimbawang may solusyon 1. Para sa 3s electron ng sodium, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, kaya Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Para sa isa sa mga 3p electron ng chlorine, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, kaya Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Sa kabuuan ng period 3, ang bawat idinagdag na proton ay bahagya lang na nababawi ng idinagdag na electron sa parehong shell, kaya tumataas ang Zeff mula kaliwa pakanan habang nananatiling 3 ang n.

Atomic radius at mga isoelectronic na ion

Bumababa ang atomic radius sa kabuuan ng isang period dahil tumataas ang Zeff habang nananatili sa parehong shell ang mga panlabas na electron, kaya mas hinihila sila palapit. Tumataas ito pababa sa isang group dahil nagdaragdag ng shell ang bawat period, na naglalagay sa mga panlabas na electron nang mas malayo, habang kaunti lang ang pagbabago ng Zeff. Ang pinakamalalaking atom ay nasa ibabang kaliwa ng table at ang pinakamaliliit ay nasa itaas na kanan.

Mas maliit ang cation kaysa sa magulang nitong atom: ang pagkawala ng mga electron ay nagpapababa ng pagtataboy, at para sa mga cation ng main-group karaniwan nitong inuubos ang panlabas na shell. Mas malaki ang anion kaysa sa magulang nitong atom, dahil ang idinagdag na electron ay nagpapataas ng pagtataboy habang nananatiling pareho ang karga ng nucleus.

Halimbawang may solusyon 2. I-rank ang N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺, at Al³⁺ ayon sa radius. Bilangin muna ang mga electron: ang 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2, at 13 − 3 ay pawang 10, kaya ang bawat ion ay may neon configuration na 1s² 2s² 2p⁶. Sa magkakaparehong bilang ng electron, ang tanging pagkakaiba ay ang karga ng nucleus, na tumataas mula 7 hanggang 13. Mas maraming proton ang humihila nang mas mahigpit sa parehong ulap ng electron, kaya ang pagkakasunod ay N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Unang ionization energy at ang mga eksepsyon nito sa subshell

Ang unang ionization energy ay ang enerhiyang kailangan para alisin ang pinakamaluwag na hawak na electron mula sa gaseous na atom: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Karaniwan itong tumataas sa kabuuan ng isang period, habang tumataas ang Zeff at lumiliit ang radius, at bumababa pababa sa isang group. Inililista ng NIST ang mga ionization energy sa electron volt bawat atom; ang pag-multiply sa 96.485 kJ/mol bawat eV ay nagko-convert sa mga ito sa molar na yunit.

Na-convert mula sa NIST Atomic Spectra Database, ang mga halaga ng period 2 ay Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0, at Ne 2080.7 kJ/mol. Dalawang hakbang ang pasalungat ang direksyon. Mas mababa ang boron kaysa sa beryllium dahil ang pinakalabas nitong electron ay nasa 2p, na mas mataas ang enerhiya at bahagyang naka-shield ng pares ng 2s. Mas mababa ang oxygen kaysa sa nitrogen dahil ang ikaapat nitong 2p electron ay dapat magpares sa isang okupadong orbital, at ang dagdag na pagtataboy ay nagpapadali sa pag-alis nito.

Lumilitaw ang parehong dalawang pagbaba sa period 3: ang aluminum (577.5 kJ/mol) ay mas mababa kaysa sa magnesium (737.7 kJ/mol), at ang sulfur (999.6 kJ/mol) ay mas mababa kaysa sa phosphorus (1011.8 kJ/mol). Ipinapakita ng umuulit na pattern na galing ito sa estruktura ng subshell, hindi sa isang kakaibang elemento.

Magkakasunod na ionization energy at mga valence electron

Mas malaki ang bawat sumunod na ionization energy kaysa sa nauna, dahil ang bawat electron ay umaalis mula sa lalong positibong ion. Ang laki ng bawat talon ang kapaki-pakinabang na impormasyon. Ang katamtamang pagtaas ay nangangahulugang ang susunod na electron ay galing sa parehong valence shell; ang napakalaking talon ay nangangahulugang dapat itong manggaling sa core, na mas malapit sa nucleus at mas hindi naka-shield.

Halimbawang may solusyon 3. Ibinibigay ng NIST ang unang tatlong ionization energy ng magnesium bilang 7.646, 15.035, at 80.144 eV. Kino-convert: 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. Ang ratio na IE₂/IE₁ ay 1450.7 / 737.7 = 1.97, ngunit ang IE₃/IE₂ ay 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Ipinapakita ng malaking talon pagkatapos ng ikalawang electron na may dalawang valence electron ang magnesium, [Ne] 3s², at ipinapaliwanag nito kung bakit bumubuo ito ng Mg²⁺ ngunit hindi Mg³⁺ sa karaniwang kimika.

Ipinapakita ng sodium ang talon nang isang hakbang na mas maaga. Ang ikalawang ionization energy nito, 4562.4 kJ/mol, ay mga 9.2 beses ang una, 495.8 kJ/mol, dahil ang ikalawang electron ay dapat manggaling sa 2p core.

Electron affinity at electronegativity

Inilalarawan ng electron affinity ang pagbabago ng enerhiya kapag ang gaseous na atom ay nakakuha ng electron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Nagkakaiba ang mga kumbensyon sa tanda. Ang ilang aklat, kasama ang OpenStax, ay nag-uulat ng pagbabago ng enerhiya, na negatibo kapag may inilalabas na enerhiya; ang iba ay nag-uulat ng inilabas na enerhiya bilang positibong numero. Suriin ang kumbensyon bago maghambing ng mga halaga. Maliban sa mga noble gas, ang mga atom sa kanan ng isang period ang naglalabas ng pinakamaraming enerhiya, dahil ang mataas nilang Zeff ay malakas na umaakit sa papasok na electron.

Mas hindi regular ang electron affinity kaysa sa ionization energy. Mas maraming enerhiya ang inilalabas ng chlorine kaysa sa fluorine, mga 349 kJ/mol kumpara sa 328 kJ/mol, batay sa mga halaga ng NIST Chemistry WebBook na 3.613 at 3.401 eV. Mas malakas ang pagtataboy na nararanasan ng idinagdag na electron sa siksik na 2p subshell ng fluorine. Ang beryllium, nitrogen, at mga noble gas ay halos walang hilig bumuo ng matatag na gaseous na anion, dahil ang idinagdag na electron ay papasok sa mas mataas na subshell o magpapares sa kalahating punong subshell.

Ang electronegativity ay ang kakayahan ng atom sa isang molecule na akitin ang mga electron ng bond. Hindi tulad ng ionization energy, hindi ito sinusukat sa nag-iisang atom; hinango ito mula sa mga bond energy o ibang datos, at ang Pauling scale ang pinakamalawakang ginagamit. Pinakamataas ang fluorine, mga 4.0. Tumataas ang electronegativity sa kabuuan ng isang period at bumababa pababa sa isang group, kaya bumababa ang polarity ng bond mula H–F hanggang H–Cl at H–Br hanggang H–I.

Karaniwang pagkakamali sa pagpapaliwanag ng mga periodic trend

Karaniwang hinuhusgahan ang mga tanong tungkol sa trend batay sa paliwanag, hindi lang sa pagkakasunod-sunod.

Pinangangalanan ng kumpletong paliwanag ang paghahambing (parehong shell o ibang shell), sinasabi kung ano ang nangyayari sa Zeff o distansya, at iniuugnay ang pagbabagong iyon sa puwersa sa electron na pinag-uusapan.

• Pagsasabing mas maliit ang atom dahil mas maraming electron ito. Sa kabuuan ng isang period, pumapasok ang mga electron sa parehong shell; lumiliit ang laki dahil tumataas ang Zeff.
• Pagpapaliwanag ng trend sa group gamit lang ang 'mas maraming shell', nang hindi binabanggit na kaunti lang ang pagbabago ng Zeff pababa sa isang group.
• Pagturing sa ionization energy bilang mahigpit na tumataas sa kabuuan ng isang period. Suriin ang mga hakbang mula group 2 hanggang 13 at mula group 15 hanggang 16.
• Paghahambing ng mga ion batay sa karga ng nucleus nang hindi muna sinusuri kung isoelectronic ang mga ito.
• Paghahalo ng mga kumbensyon ng tanda ng electron affinity at pagtatapos na ang mas negatibong numero ang mas maliit na affinity.
• Paghahambing ng mga radius mula sa magkakaibang table. Magkakaiba ang depinisyon ng covalent, metallic, at ionic radius.
• Pagpapaliwanag batay sa kung ano ang 'gusto' ng atom. Walang mithiin ang mga atom; magpaliwanag gamit ang atraksyon, distansya, at pagtataboy.