מגמות בטבלה המחזורית: מטען גרעיני אפקטיבי, גודל ואנרגיה

מטען גרעיני אפקטיבי ומיסוך

אלקטרון חיצוני אינו מרגיש את המטען הגרעיני המלא Z. אלקטרונים קרובים יותר לגרעין מבטלים אותו בחלקו, והמשיכה נטו מתוארת על ידי המטען הגרעיני האפקטיבי, Zeff = Z − S, כאשר S הוא קבוע מיסוך. אלקטרוני ליבה, בקליפות נמוכות יותר, ממסכים היטב. אלקטרונים באותה קליפה ממסכים גרוע, כי בממוצע הם אינם קרובים יותר לגרעין מהאלקטרון הנדון.

הערכה גסה סופרת רק אלקטרוני ליבה. לנתרן (Z = 11) ולכלור (Z = 17) יש שניהם 10 אלקטרוני ליבה, ולכן אלקטרון 3s של נתרן מרגיש בערך +1 ואלקטרוני 3p של כלור בערך +7. כללי סלייטר מדייקים זאת. עבור אלקטרון בתת-קליפה ns או np, כל אלקטרון אחר באותן תת-קליפות ns ו-np מוסיף 0.35 ל-S (0.30 בתוך 1s), כל אלקטרון בקליפה n − 1 מוסיף 0.85, וכל אלקטרון בקליפות עמוקות יותר מוסיף 1.00.

דוגמה פתורה 1. עבור אלקטרון 3s של נתרן, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, ולכן Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. עבור אחד מאלקטרוני 3p של כלור, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, ולכן Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. לאורך מחזור 3, כל פרוטון שנוסף מקוזז רק חלקית על ידי האלקטרון שנוסף באותה קליפה, ולכן Zeff עולה משמאל לימין בעוד n נשאר 3.

רדיוס אטומי ויונים איזואלקטרוניים

הרדיוס האטומי קטן לאורך מחזור כי Zeff גדל בעוד האלקטרונים החיצוניים נשארים באותה קליפה, ולכן נמשכים קרוב יותר. הוא גדל במורד קבוצה כי כל מחזור מוסיף קליפה, ומציב את האלקטרונים החיצוניים רחוק יותר, בעוד Zeff משתנה יחסית מעט. האטומים הגדולים ביותר בפינה השמאלית התחתונה של הטבלה והקטנים ביותר בפינה הימנית העליונה.

קטיון קטן מאטום האם שלו: אובדן אלקטרונים מפחית דחייה, ובקטיונים של קבוצות ראשיות הוא בדרך כלל מרוקן את הקליפה החיצונית. אניון גדול מאטום האם שלו, כי האלקטרון שנוסף מגביר את הדחייה בעוד המטען הגרעיני נשאר זהה.

דוגמה פתורה 2. דרגו את N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ ו-Al³⁺ לפי רדיוס. ספרו קודם אלקטרונים: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 ו-13 − 3 שווים כולם ל-10, ולכן לכל יון יש את תצורת הניאון 1s² 2s² 2p⁶. כשמספרי האלקטרונים זהים, ההבדל היחיד הוא המטען הגרעיני, שעולה מ-7 ל-13. יותר פרוטונים מושכים את אותו ענן אלקטרונים חזק יותר, ולכן הסדר הוא N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

אנרגיית יינון ראשונה ויוצאים מן הכלל של תת-קליפות

אנרגיית היינון הראשונה היא האנרגיה הדרושה להסרת האלקטרון הנקשר בחולשה הרבה ביותר מאטום גזי: X(g) → X⁺(g) + e⁻. היא עולה בדרך כלל לאורך מחזור, כש-Zeff עולה והרדיוס מצטמצם, ויורדת במורד קבוצה. NIST מפרט אנרגיות יינון באלקטרון-וולט לאטום; הכפלה ב-96.485 kJ/mol לכל eV ממירה אותן ליחידות מולריות.

לאחר המרה ממסד הנתונים Atomic Spectra Database של NIST, הערכים של מחזור 2 הם Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 ו-Ne 2080.7 kJ/mol. שני צעדים הולכים בכיוון הלא נכון. בור נמוך מבריליום כי האלקטרון החיצוני ביותר שלו ב-2p, שגבוהה יותר באנרגיה וממוסכת חלקית על ידי זוג 2s. חמצן נמוך מחנקן כי אלקטרון 2p הרביעי שלו חייב להזדווג באורביטל תפוס, והדחייה הנוספת מקלה על הסרתו.

אותן שתי ירידות מופיעות במחזור 3: אלומיניום (577.5 kJ/mol) נמוך ממגנזיום (737.7 kJ/mol), וגופרית (999.6 kJ/mol) נמוכה מזרחן (1011.8 kJ/mol). הדפוס החוזר מראה שהוא נובע ממבנה תת-הקליפות ולא מיסוד מוזר אחד.

אנרגיות יינון עוקבות ואלקטרוני ערכיות

כל אנרגיית יינון עוקבת גדולה מזו שלפניה, כי כל אלקטרון עוזב מיון חיובי יותר ויותר. גודל כל קפיצה הוא המידע השימושי. עלייה מתונה פירושה שהאלקטרון הבא בא מאותה קליפת ערכיות; קפיצה גדולה מאוד פירושה שהוא חייב לבוא מהליבה, שקרובה יותר לגרעין וממוסכת הרבה פחות.

דוגמה פתורה 3. NIST נותן את שלוש אנרגיות היינון הראשונות של מגנזיום כ-7.646, 15.035 ו-80.144 eV. המרה: 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. היחס IE₂/IE₁ הוא 1450.7 / 737.7 = 1.97, אבל IE₃/IE₂ הוא 7732.7 / 1450.7 = 5.33. הקפיצה הגדולה אחרי האלקטרון השני מראה שלמגנזיום שני אלקטרוני ערכיות, [Ne] 3s², ומסבירה למה הוא יוצר Mg²⁺ אך לא Mg³⁺ בכימיה רגילה.

נתרן מראה את הקפיצה שלב אחד קודם. אנרגיית היינון השנייה שלו, 4562.4 kJ/mol, גדולה בערך פי 9.2 מהראשונה, 495.8 kJ/mol, כי האלקטרון השני חייב לבוא מליבת 2p.

זיקה אלקטרונית ואלקטרושליליות

זיקה אלקטרונית מתארת את שינוי האנרגיה כשאטום גזי מקבל אלקטרון: X(g) + e⁻ → X⁻(g). מוסכמות הסימן שונות. חלק מספרי הלימוד, כולל OpenStax, מדווחים את שינוי האנרגיה, שהוא שלילי כשאנרגיה משתחררת; אחרים מדווחים את האנרגיה המשתחררת כמספר חיובי. בדקו את המוסכמה לפני השוואת ערכים. חוץ מהגזים האצילים, אטומים בצד הימני של מחזור משחררים את מירב האנרגיה, כי ה-Zeff הגבוה שלהם מושך חזק את האלקטרון הנכנס.

זיקה אלקטרונית פחות סדירה מאנרגיית יינון. כלור משחרר יותר אנרגיה מפלואור, בערך 349 kJ/mol לעומת 328 kJ/mol, לפי ערכי NIST Chemistry WebBook של 3.613 ו-3.401 eV. האלקטרון שנוסף בתת-הקליפה הקומפקטית 2p של פלואור נתקל בדחייה חזקה יותר. לבריליום, לחנקן ולגזים האצילים יש נטייה קטנה או אפסית ליצור אניונים גזיים יציבים, כי האלקטרון שנוסף ייכנס לתת-קליפה גבוהה יותר או יזדווג באחת שחצי מלאה.

אלקטרושליליות היא היכולת של אטום במולקולה למשוך את אלקטרוני הקשר. בניגוד לאנרגיית יינון, היא אינה נמדדת על אטום מבודד; היא נגזרת מאנרגיות קשר או מנתונים אחרים, וסקאלת פאולינג היא הנפוצה ביותר. פלואור הוא הגבוה ביותר, בערך 4.0. אלקטרושליליות עולה לאורך מחזור ויורדת במורד קבוצה, ולכן קוטביות הקשר יורדת מ-H–F דרך H–Cl ו-H–Br אל H–I.

טעויות נפוצות בהסבר מגמות בטבלה המחזורית

שאלות על מגמות נבחנות בדרך כלל על ההסבר, לא רק על הסדר.

הסבר שלם מציין את ההשוואה (אותה קליפה או קליפה אחרת), מציין מה קורה ל-Zeff או למרחק, ומקשר את השינוי הזה לכוח על האלקטרון הנדון.

• לומר שאטום קטן יותר כי יש לו יותר אלקטרונים. לאורך מחזור, אלקטרונים נכנסים לאותה קליפה; הגודל קטן כי Zeff עולה.
• הסבר מגמה בקבוצה ב"יותר קליפות" בלבד, בלי לציין ש-Zeff משתנה מעט במורד קבוצה.
• התייחסות לאנרגיית יינון כעולה בהחלט לאורך מחזור. בדקו את המעברים מקבוצה 2 ל-13 ומקבוצה 15 ל-16.
• השוואת יונים לפי מטען גרעיני בלי לבדוק קודם שהם איזואלקטרוניים.
• ערבוב מוסכמות סימן של זיקה אלקטרונית והסקה שהמספר השלילי יותר הוא הזיקה הקטנה יותר.
• השוואת רדיוסים מטבלאות שונות. רדיוסים קוולנטיים, מתכתיים ויוניים מוגדרים בצורה שונה.
• הסבר באמצעות מה שאטום "רוצה". לאטומים אין מטרות; הסבירו באמצעות משיכה, מרחק ודחייה.