Periodni trendovi: efektivni nuklearni naboj, veličina i energija

Efektivni nuklearni naboj i zasjenjenje

Vanjski elektron ne osjeća puni nuklearni naboj Z. Elektroni bliži jezgri djelomično ga poništavaju, a neto privlačenje opisuje efektivni nuklearni naboj, Zeff = Z − S, pri čemu je S konstanta zasjenjenja. Unutarnji elektroni, u nižim ljuskama, dobro zasjenjuju. Elektroni u istoj ljusci zasjenjuju slabo, jer u prosjeku nisu bliže jezgri od promatranog elektrona.

Gruba procjena broji samo unutarnje elektrone. Natrij (Z = 11) i klor (Z = 17) oba imaju 10 unutarnjih elektrona, pa natrijev 3s elektron osjeća otprilike +1, a klorovi 3p elektroni otprilike +7. Slaterova pravila to usavršavaju. Za elektron u ns ili np podljusci svaki drugi elektron u istim ns i np podljuskama dodaje 0.35 u S (0.30 unutar 1s), svaki elektron u ljusci n − 1 dodaje 0.85, a svaki elektron u dubljim ljuskama dodaje 1.00.

Riješeni primjer 1. Za natrijev 3s elektron, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, pa je Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Za jedan od klorovih 3p elektrona, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, pa je Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Kroz period 3 svaki dodani proton tek je djelomično poništen dodanim elektronom iste ljuske, pa Zeff raste slijeva nadesno dok n ostaje 3.

Atomski polumjer i izoelektronski ioni

Atomski polumjer opada kroz period jer Zeff raste dok vanjski elektroni ostaju u istoj ljusci, pa su privučeni bliže. Raste niz skupinu jer svaki period dodaje ljusku, smještajući vanjske elektrone dalje, dok se Zeff razmjerno malo mijenja. Najveći su atomi u donjem lijevom, a najmanji u gornjem desnom dijelu tablice.

Kation je manji od svog polaznog atoma: gubitak elektrona smanjuje odbijanje, a kod kationa glavnih skupina obično potpuno isprazni vanjsku ljusku. Anion je veći od svog polaznog atoma, jer dodani elektron povećava odbijanje dok nuklearni naboj ostaje isti.

Riješeni primjer 2. Poredajte N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ i Al³⁺ po polumjeru. Prvo prebrojite elektrone: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 i 13 − 3 svi iznose 10, pa svaki ion ima konfiguraciju neona 1s² 2s² 2p⁶. Uz jednak broj elektrona jedina je razlika nuklearni naboj, koji raste od 7 do 13. Više protona jače steže isti elektronski oblak, pa je redoslijed N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Prva energija ionizacije i njezine iznimke zbog podljuski

Prva energija ionizacije je energija potrebna da se ukloni najslabije vezan elektron iz plinovitog atoma: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Općenito raste kroz period, kako Zeff raste, a polumjer se smanjuje, i opada niz skupinu. NIST navodi energije ionizacije u elektronvoltima po atomu; množenjem s 96.485 kJ/mol po eV pretvaraju se u molarne jedinice.

Preračunate iz NIST-ove Atomic Spectra Database, vrijednosti za period 2 su Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 i Ne 2080.7 kJ/mol. Dva koraka idu u krivom smjeru. Bor je ispod berilija jer mu je najudaljeniji elektron u 2p, koja je viša energije i djelomično zasjenjena parom 2s. Kisik je ispod dušika jer se njegov četvrti 2p elektron mora sparivati u već zauzetoj orbitali, a dodatno odbijanje olakšava njegovo uklanjanje.

Ista dva pada pojavljuju se u periodu 3: aluminij (577.5 kJ/mol) je ispod magnezija (737.7 kJ/mol), a sumpor (999.6 kJ/mol) ispod fosfora (1011.8 kJ/mol). Ponavljanje obrasca pokazuje da potječe iz građe podljuski, a ne iz jednog neobičnog elementa.

Uzastopne energije ionizacije i valentni elektroni

Svaka sljedeća energija ionizacije veća je od prethodne, jer svaki elektron napušta sve pozitivniji ion. Korisna je informacija veličina svakog skoka. Umjeren porast znači da sljedeći elektron dolazi iz iste valentne ljuske; vrlo velik skok znači da mora doći iz unutarnje ljuske, koja je bliže jezgri i mnogo manje zasjenjena.

Riješeni primjer 3. NIST navodi prve tri energije ionizacije magnezija kao 7.646, 15.035 i 80.144 eV. Pretvorba: 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. Omjer IE₂/IE₁ iznosi 1450.7 / 737.7 = 1.97, ali IE₃/IE₂ iznosi 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Veliki skok nakon drugog elektrona pokazuje da magnezij ima dva valentna elektrona, [Ne] 3s², i objašnjava zašto u običnoj kemiji tvori Mg²⁺, ali ne Mg³⁺.

Natrij pokazuje skok korak ranije. Njegova druga energija ionizacije, 4562.4 kJ/mol, otprilike je 9.2 puta veća od prve, 495.8 kJ/mol, jer drugi elektron mora doći iz unutarnje 2p podljuske.

Elektronski afinitet i elektronegativnost

Elektronski afinitet opisuje promjenu energije kad plinoviti atom primi elektron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Konvencije predznaka razlikuju se. Neki udžbenici, uključujući OpenStax, navode promjenu energije, koja je negativna kad se energija oslobađa; drugi navode oslobođenu energiju kao pozitivan broj. Provjerite konvenciju prije usporedbe vrijednosti. Osim plemenitih plinova, atomi prema desnoj strani perioda oslobađaju najviše energije jer njihov visoki Zeff snažno privlači pristigli elektron.

Elektronski afinitet manje je pravilan od energije ionizacije. Klor oslobađa više energije od fluora, oko 349 kJ/mol naspram 328 kJ/mol, prema vrijednostima iz NIST Chemistry WebBook od 3.613 i 3.401 eV. Dodani elektron u fluorovoj zbijenoj 2p podljusci nailazi na jače odbijanje. Berilij, dušik i plemeniti plinovi imaju malu ili nikakvu sklonost stvaranju stabilnih plinovitih aniona, jer bi dodani elektron ušao u višu podljusku ili se sparivao u napola popunjenoj.

Elektronegativnost je sposobnost atoma u molekuli da privuče elektrone veze. Za razliku od energije ionizacije, ne mjeri se na izoliranom atomu; izvodi se iz energija veza ili drugih podataka, a Paulingova ljestvica najšire je rabljena. Fluor je najviši, s oko 4.0. Elektronegativnost raste kroz period i opada niz skupinu, pa polarnost veze opada od H–F preko H–Cl i H–Br do H–I.

Česte pogreške u objašnjavanju periodnih trendova

Zadaci o trendovima obično se ocjenjuju prema objašnjenju, a ne samo prema redoslijedu.

Potpuno objašnjenje imenuje usporedbu (ista ljuska ili druga ljuska), navodi što se događa sa Zeff ili udaljenošću i povezuje tu promjenu sa silom na promatrani elektron.

• Tvrdnja da je atom manji jer ima više elektrona. Kroz period elektroni ulaze u istu ljusku; veličina opada jer Zeff raste.
• Objašnjavanje trenda niz skupinu samo „više ljuski”, bez napomene da se Zeff niz skupinu malo mijenja.
• Tretiranje energije ionizacije kao strogo rastuće kroz period. Provjerite korake od 2. do 13. skupine i od 15. do 16. skupine.
• Uspoređivanje iona prema nuklearnom naboju bez prethodne provjere jesu li izoelektronski.
• Miješanje konvencija predznaka elektronskog afiniteta i zaključak da je negativniji broj manji afinitet.
• Uspoređivanje polumjera iz različitih tablica. Kovalentni, metalni i ionski polumjeri definirani su različito.
• Objašnjavanje onim što atom „želi”. Atomi nemaju ciljeve; objašnjavajte privlačenjem, udaljenošću i odbijanjem.