આવર્ત વલણો: અસરકારક ન્યુક્લિયર વીજભાર, કદ અને ઊર્જા

અસરકારક ન્યુક્લિયર વીજભાર અને આવરણ

બાહ્ય ઇલેક્ટ્રૉન પૂર્ણ ન્યુક્લિયર વીજભાર Z અનુભવતો નથી. ન્યુક્લિયસની નજીકના ઇલેક્ટ્રૉન તેને અંશતઃ રદ કરે છે, અને ચોખ્ખું ખેંચાણ અસરકારક ન્યુક્લિયર વીજભાર, Zeff = Z − S, વડે વર્ણવાય છે, જ્યાં S આવરણ અચળાંક છે. નીચલા કોશોમાંના કોર ઇલેક્ટ્રૉન સારું આવરણ આપે છે. એ જ કોશમાંના ઇલેક્ટ્રૉન નબળું આવરણ આપે છે, કારણ કે સરેરાશ તેઓ પ્રશ્નમાંના ઇલેક્ટ્રૉન કરતાં ન્યુક્લિયસની વધુ નજીક નથી હોતા.

એક સ્થૂળ અંદાજ માત્ર કોર ઇલેક્ટ્રૉન ગણે છે. સોડિયમ (Z = 11) અને ક્લોરિન (Z = 17) બંનેમાં 10 કોર ઇલેક્ટ્રૉન છે, તેથી સોડિયમનો 3s ઇલેક્ટ્રૉન લગભગ +1 અને ક્લોરિનના 3p ઇલેક્ટ્રૉન લગભગ +7 અનુભવે છે. સ્લેટરના નિયમો આને સુધારે છે. ns કે np ઉપકોશના ઇલેક્ટ્રૉન માટે, એ જ ns અને np ઉપકોશોનો દરેક અન્ય ઇલેક્ટ્રૉન S માં 0.35 ઉમેરે છે (1s ની અંદર 0.30), કોશ n − 1 નો દરેક ઇલેક્ટ્રૉન 0.85 ઉમેરે છે, અને ઊંડા કોશોનો દરેક ઇલેક્ટ્રૉન 1.00 ઉમેરે છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 1. સોડિયમના 3s ઇલેક્ટ્રૉન માટે, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, તેથી Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. ક્લોરિનના એક 3p ઇલેક્ટ્રૉન માટે, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, તેથી Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. આવર્ત 3 માં, દરેક ઉમેરાયેલો પ્રોટૉન એ જ કોશના ઉમેરાયેલા ઇલેક્ટ્રૉન વડે માત્ર અંશતઃ સરભર થાય છે, તેથી n 3 જ રહે છે ત્યારે Zeff ડાબેથી જમણે વધે છે.

પરમાણ્વીય ત્રિજ્યા અને સમઇલેક્ટ્રૉનીય આયનો

પરમાણ્વીય ત્રિજ્યા આવર્તમાં ઘટે છે કારણ કે Zeff વધે છે જ્યારે બાહ્ય ઇલેક્ટ્રૉન એ જ કોશમાં રહે છે, તેથી તેઓ નજીક ખેંચાય છે. તે સમૂહમાં નીચે તરફ વધે છે કારણ કે દરેક આવર્ત એક કોશ ઉમેરે છે, જે બાહ્ય ઇલેક્ટ્રૉનને વધુ દૂર મૂકે છે, જ્યારે Zeff તુલનાત્મક રીતે ઓછો બદલાય છે. સૌથી મોટા પરમાણુઓ કોષ્ટકના નીચલા ડાબા ભાગે અને સૌથી નાના ઉપલા જમણા ભાગે છે.

ધનાયન તેના મૂળ પરમાણુ કરતાં નાનો હોય છે: ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવવાથી અપાકર્ષણ ઘટે છે, અને મુખ્ય-સમૂહ ધનાયનો માટે તે સામાન્ય રીતે બાહ્ય કોશ ખાલી કરે છે. ઋણાયન તેના મૂળ પરમાણુ કરતાં મોટો હોય છે, કારણ કે ઉમેરાયેલો ઇલેક્ટ્રૉન અપાકર્ષણ વધારે છે જ્યારે ન્યુક્લિયર વીજભાર એટલો જ રહે છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 2. N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ અને Al³⁺ ને ત્રિજ્યા પ્રમાણે ક્રમમાં ગોઠવો. પહેલા ઇલેક્ટ્રૉન ગણો: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 અને 13 − 3 બધા 10 બરાબર છે, તેથી દરેક આયનની નિયૉન રચના 1s² 2s² 2p⁶ છે. સરખી ઇલેક્ટ્રૉન સંખ્યા સાથે, એકમાત્ર તફાવત ન્યુક્લિયર વીજભાર છે, જે 7 થી 13 સુધી વધે છે. વધુ પ્રોટૉન એ જ ઇલેક્ટ્રૉન વાદળને વધુ ચુસ્ત ખેંચે છે, તેથી ક્રમ N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ છે.

પ્રથમ આયનીકરણ ઊર્જા અને તેના ઉપકોશ અપવાદો

પ્રથમ આયનીકરણ ઊર્જા એ વાયુ પરમાણુમાંથી સૌથી ઢીલી રીતે જકડાયેલો ઇલેક્ટ્રૉન દૂર કરવા જોઈતી ઊર્જા છે: X(g) → X⁺(g) + e⁻. તે સામાન્ય રીતે આવર્તમાં વધે છે, કારણ કે Zeff વધે છે અને ત્રિજ્યા ઘટે છે, અને સમૂહમાં નીચે તરફ ઘટે છે. NIST આયનીકરણ ઊર્જાઓને પ્રતિ પરમાણુ ઇલેક્ટ્રૉન વોલ્ટમાં યાદી કરે છે; પ્રતિ eV 96.485 kJ/mol વડે ગુણવાથી તે મોલર એકમોમાં ફેરવાય છે.

NIST Atomic Spectra Database પરથી રૂપાંતરિત, આવર્ત 2 ના મૂલ્યો Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 અને Ne 2080.7 kJ/mol છે. બે પગલાં ખોટી દિશામાં જાય છે. બોરોન બેરિલિયમથી નીચે છે કારણ કે તેનો સૌથી બાહ્ય ઇલેક્ટ્રૉન 2p માં છે, જે ઊર્જામાં ઊંચો છે અને 2s જોડથી અંશતઃ આવરાયેલો છે. ઑક્સિજન નાઇટ્રોજનથી નીચે છે કારણ કે તેના ચોથા 2p ઇલેક્ટ્રૉને ભરેલી કક્ષકમાં જોડ બનાવવી પડે છે, અને વધારાનું અપાકર્ષણ તેને દૂર કરવાનું સરળ બનાવે છે.

એ જ બે ઘટાડા આવર્ત 3 માં દેખાય છે: ઍલ્યુમિનિયમ (577.5 kJ/mol) મૅગ્નેશિયમ (737.7 kJ/mol) કરતાં નીચે છે, અને સલ્ફર (999.6 kJ/mol) ફૉસ્ફરસ (1011.8 kJ/mol) કરતાં નીચે છે. પુનરાવર્તિત પેટર્ન દર્શાવે છે કે તે ઉપકોશ રચનામાંથી આવે છે, કોઈ એક વિચિત્ર તત્ત્વમાંથી નહીં.

ક્રમિક આયનીકરણ ઊર્જાઓ અને સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રૉન

દરેક ક્રમિક આયનીકરણ ઊર્જા પહેલાંની કરતાં મોટી હોય છે, કારણ કે દરેક ઇલેક્ટ્રૉન વધુ ને વધુ ધન આયનમાંથી નીકળે છે. દરેક કૂદકાનું કદ ઉપયોગી માહિતી છે. મધ્યમ વધારાનો અર્થ છે કે આગલો ઇલેક્ટ્રૉન એ જ સંયોજકતા કોશમાંથી આવે છે; ખૂબ મોટો કૂદકો એટલે તે કોરમાંથી આવવો જોઈએ, જે ન્યુક્લિયસની વધુ નજીક છે અને ઘણું ઓછું આવરાયેલું છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ 3. NIST મૅગ્નેશિયમની પહેલી ત્રણ આયનીકરણ ઊર્જાઓ 7.646, 15.035 અને 80.144 eV આપે છે. રૂપાંતર: 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. ગુણોત્તર IE₂/IE₁ 1450.7 / 737.7 = 1.97 છે, પરંતુ IE₃/IE₂ 7732.7 / 1450.7 = 5.33 છે. બીજા ઇલેક્ટ્રૉન પછીનો મોટો કૂદકો દર્શાવે છે કે મૅગ્નેશિયમમાં બે સંયોજકતા ઇલેક્ટ્રૉન છે, [Ne] 3s², અને સમજાવે છે કે સામાન્ય રસાયણશાસ્ત્રમાં તે Mg²⁺ કેમ બનાવે છે પણ Mg³⁺ નહીં.

સોડિયમ કૂદકો એક પગલું વહેલો બતાવે છે. તેની બીજી આયનીકરણ ઊર્જા, 4562.4 kJ/mol, તેની પહેલી, 495.8 kJ/mol, કરતાં લગભગ 9.2 ગણી છે, કારણ કે બીજો ઇલેક્ટ્રૉન 2p કોરમાંથી આવવો જોઈએ.

ઇલેક્ટ્રૉન-બંધુતા અને વિદ્યુતઋણતા

ઇલેક્ટ્રૉન-બંધુતા વાયુ પરમાણુ ઇલેક્ટ્રૉન મેળવે ત્યારે ઊર્જા ફેરફારનું વર્ણન કરે છે: X(g) + e⁻ → X⁻(g). ચિહ્ન પરંપરાઓ અલગ હોય છે. OpenStax સહિત કેટલાંક પાઠ્યપુસ્તકો ઊર્જા ફેરફાર નોંધે છે, જે ઊર્જા મુક્ત થાય ત્યારે ઋણ હોય છે; બીજાં મુક્ત થયેલી ઊર્જાને ધન સંખ્યા તરીકે નોંધે છે. મૂલ્યોની સરખામણી કરતાં પહેલાં પરંપરા તપાસો. ઉમદા વાયુઓ સિવાય, આવર્તની જમણી તરફના પરમાણુઓ સૌથી વધુ ઊર્જા મુક્ત કરે છે, કારણ કે તેમનો ઊંચો Zeff આવતા ઇલેક્ટ્રૉનને પ્રબળ રીતે આકર્ષે છે.

ઇલેક્ટ્રૉન-બંધુતા આયનીકરણ ઊર્જા કરતાં ઓછી નિયમિત છે. NIST Chemistry WebBook ના 3.613 અને 3.401 eV મૂલ્યો પર આધારિત, ક્લોરિન ફ્લોરિન કરતાં વધુ ઊર્જા મુક્ત કરે છે, લગભગ 349 kJ/mol સામે 328 kJ/mol. ફ્લોરિનના સઘન 2p ઉપકોશમાં ઉમેરાયેલો ઇલેક્ટ્રૉન વધુ પ્રબળ અપાકર્ષણ અનુભવે છે. બેરિલિયમ, નાઇટ્રોજન અને ઉમદા વાયુઓમાં સ્થિર વાયુ ઋણાયનો બનાવવાની થોડી કે કોઈ વૃત્તિ નથી, કારણ કે ઉમેરાયેલો ઇલેક્ટ્રૉન ઊંચા ઉપકોશમાં જશે અથવા અર્ધ-ભરેલામાં જોડ બનાવશે.

વિદ્યુતઋણતા એ બંધના ઇલેક્ટ્રૉનને આકર્ષવાની અણુમાંના પરમાણુની ક્ષમતા છે. આયનીકરણ ઊર્જાથી વિપરીત, તે અલગ પરમાણુ પર માપવામાં આવતી નથી; તે બંધ ઊર્જાઓ કે અન્ય ડેટા પરથી તારવવામાં આવે છે, અને પૉલિંગ માપક્રમ સૌથી વધુ વપરાય છે. ફ્લોરિન સૌથી ઊંચું છે, લગભગ 4.0. વિદ્યુતઋણતા આવર્તમાં વધે છે અને સમૂહમાં નીચે તરફ ઘટે છે, તેથી બંધની ધ્રુવીયતા H–F થી H–Cl અને H–Br થઈને H–I સુધી ઘટે છે.

આવર્ત વલણો સમજાવવામાં સામાન્ય ભૂલો

વલણોના પ્રશ્નોનું મૂલ્યાંકન સામાન્ય રીતે ફક્ત ક્રમ પર નહીં, પણ સમજૂતી પર થાય છે.

સંપૂર્ણ સમજૂતી સરખામણીને નામ આપે છે (એ જ કોશ કે જુદો કોશ), Zeff કે અંતરનું શું થાય છે તે જણાવે છે, અને તે ફેરફારને પ્રશ્નમાંના ઇલેક્ટ્રૉન પરના બળ સાથે જોડે છે.

• એમ કહેવું કે પરમાણુ નાનો છે કારણ કે તેમાં વધુ ઇલેક્ટ્રૉન છે. આવર્તમાં, ઇલેક્ટ્રૉન એ જ કોશમાં દાખલ થાય છે; કદ ઘટે છે કારણ કે Zeff વધે છે.
• સમૂહના વલણને ફક્ત 'વધુ કોશો' થી સમજાવવું, સમૂહમાં નીચે તરફ Zeff ઓછો બદલાય છે તે નોંધ્યા વિના.
• આયનીકરણ ઊર્જાને આવર્તમાં કડક રીતે વધતી ગણવી. સમૂહ 2 થી 13 અને સમૂહ 15 થી 16 ના પગલાં તપાસો.
• આયનો સમઇલેક્ટ્રૉનીય છે કે નહીં તે પહેલા ચકાસ્યા વિના તેમને ન્યુક્લિયર વીજભારથી સરખાવવા.
• ઇલેક્ટ્રૉન-બંધુતાની ચિહ્ન પરંપરાઓ ભેળવવી અને નિષ્કર્ષ કાઢવો કે વધુ ઋણ સંખ્યા નાની બંધુતા છે.
• જુદા જુદા કોષ્ટકોની ત્રિજ્યાઓની સરખામણી કરવી. સહસંયોજક, ધાત્વિક અને આયનીય ત્રિજ્યાઓ જુદી રીતે વ્યાખ્યાયિત થાય છે.
• પરમાણુ શું 'ઇચ્છે છે' તેનાથી સમજાવવું. પરમાણુઓને કોઈ લક્ષ્યો નથી; આકર્ષણ, અંતર અને અપાકર્ષણથી સમજાવો.