Kecenderungan Periodik: Muatan Inti Efektif, Ukuran, dan Energi

Muatan inti efektif dan efek perisai

Elektron terluar tidak merasakan muatan inti penuh Z. Elektron yang lebih dekat ke inti sebagian meniadakannya, dan tarikan bersihnya dijelaskan oleh muatan inti efektif, Zeff = Z − S, dengan S adalah tetapan perisai. Elektron inti, di kulit yang lebih dalam, memerisai dengan baik. Elektron dalam kulit yang sama memerisai dengan buruk, karena rata-rata elektron itu tidak lebih dekat ke inti daripada elektron yang ditinjau.

Perkiraan kasar hanya menghitung elektron inti. Natrium (Z = 11) dan klorin (Z = 17) sama-sama memiliki 10 elektron inti, sehingga elektron 3s natrium merasakan sekitar +1 dan elektron 3p klorin sekitar +7. Aturan Slater menyempurnakan hal ini. Untuk elektron dalam subkulit ns atau np, setiap elektron lain dalam subkulit ns dan np yang sama menambah 0.35 pada S (0.30 dalam 1s), setiap elektron dalam kulit n − 1 menambah 0.85, dan setiap elektron dalam kulit yang lebih dalam menambah 1.00.

Contoh soal 1. Untuk elektron 3s natrium, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, sehingga Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Untuk salah satu elektron 3p klorin, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, sehingga Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Sepanjang periode 3, setiap proton yang ditambahkan hanya sebagian diimbangi oleh elektron tambahan di kulit yang sama, sehingga Zeff naik dari kiri ke kanan sementara n tetap 3.

Jari-jari atom dan ion isoelektronik

Jari-jari atom mengecil sepanjang satu periode karena Zeff meningkat sementara elektron terluar tetap berada di kulit yang sama, sehingga ditarik lebih dekat. Jari-jari atom membesar ke bawah dalam satu golongan karena setiap periode menambah satu kulit, menempatkan elektron terluar lebih jauh, sementara Zeff berubah relatif sedikit. Atom terbesar berada di kiri bawah tabel dan yang terkecil di kanan atas.

Kation lebih kecil daripada atom induknya: kehilangan elektron mengurangi tolakan, dan untuk kation golongan utama biasanya mengosongkan kulit terluar. Anion lebih besar daripada atom induknya, karena elektron tambahan meningkatkan tolakan sementara muatan inti tetap sama.

Contoh soal 2. Urutkan N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺, dan Al³⁺ menurut jari-jari. Hitung dahulu elektronnya: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2, dan 13 − 3 semuanya sama dengan 10, sehingga setiap ion memiliki konfigurasi neon 1s² 2s² 2p⁶. Dengan jumlah elektron yang identik, satu-satunya perbedaan adalah muatan inti, yang naik dari 7 sampai 13. Semakin banyak proton menarik awan elektron yang sama lebih rapat, sehingga urutannya adalah N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Energi ionisasi pertama dan pengecualian subkulitnya

Energi ionisasi pertama adalah energi yang diperlukan untuk melepaskan elektron yang paling longgar terikat dari atom gas: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Energi ini umumnya meningkat sepanjang satu periode, ketika Zeff naik dan jari-jari menyusut, dan menurun ke bawah dalam satu golongan. NIST mencantumkan energi ionisasi dalam elektron volt per atom; mengalikannya dengan 96.485 kJ/mol per eV mengubahnya ke satuan molar.

Setelah dikonversi dari NIST Atomic Spectra Database, nilai periode 2 adalah Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0, dan Ne 2080.7 kJ/mol. Dua langkah bergerak ke arah yang salah. Boron berada di bawah berilium karena elektron terluarnya berada di 2p, yang energinya lebih tinggi dan sebagian terperisai oleh pasangan 2s. Oksigen berada di bawah nitrogen karena elektron 2p keempatnya harus berpasangan dalam orbital yang sudah terisi, dan tolakan tambahan membuatnya lebih mudah dilepas.

Dua penurunan yang sama muncul pada periode 3: aluminium (577.5 kJ/mol) berada di bawah magnesium (737.7 kJ/mol), dan belerang (999.6 kJ/mol) berada di bawah fosforus (1011.8 kJ/mol). Pola yang berulang itu menunjukkan bahwa penyebabnya adalah struktur subkulit, bukan satu unsur yang ganjil.

Energi ionisasi berurutan dan elektron valensi

Setiap energi ionisasi berurutan lebih besar daripada sebelumnya, karena setiap elektron meninggalkan ion yang semakin positif. Besarnya setiap lonjakan adalah informasi yang berguna. Kenaikan sedang berarti elektron berikutnya berasal dari kulit valensi yang sama; lonjakan yang sangat besar berarti elektron itu harus berasal dari inti, yang lebih dekat ke inti atom dan jauh kurang terperisai.

Contoh soal 3. NIST memberikan tiga energi ionisasi pertama magnesium sebagai 7.646, 15.035, dan 80.144 eV. Konversi: 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. Rasio IE₂/IE₁ adalah 1450.7 / 737.7 = 1.97, tetapi IE₃/IE₂ adalah 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Lonjakan besar setelah elektron kedua menunjukkan bahwa magnesium memiliki dua elektron valensi, [Ne] 3s², dan menjelaskan mengapa magnesium membentuk Mg²⁺ tetapi tidak Mg³⁺ dalam kimia biasa.

Natrium menunjukkan lonjakan satu langkah lebih awal. Energi ionisasi keduanya, 4562.4 kJ/mol, sekitar 9.2 kali energi ionisasi pertamanya, 495.8 kJ/mol, karena elektron kedua harus berasal dari inti 2p.

Afinitas elektron dan keelektronegatifan

Afinitas elektron menggambarkan perubahan energi ketika atom gas menerima elektron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Konvensi tandanya berbeda-beda. Beberapa buku teks, termasuk OpenStax, melaporkan perubahan energinya, yang bernilai negatif ketika energi dilepaskan; yang lain melaporkan energi yang dilepaskan sebagai bilangan positif. Periksa konvensinya sebelum membandingkan nilai. Selain gas mulia, atom di sisi kanan suatu periode melepaskan energi paling banyak, karena Zeff yang tinggi menarik elektron yang datang dengan kuat.

Afinitas elektron kurang teratur dibandingkan energi ionisasi. Klorin melepaskan energi lebih banyak daripada fluorin, sekitar 349 kJ/mol dibandingkan 328 kJ/mol, berdasarkan nilai NIST Chemistry WebBook sebesar 3.613 dan 3.401 eV. Elektron tambahan dalam subkulit 2p fluorin yang kompak mengalami tolakan yang lebih kuat. Berilium, nitrogen, dan gas mulia hampir atau sama sekali tidak cenderung membentuk anion gas yang stabil, karena elektron tambahan akan masuk ke subkulit yang lebih tinggi atau berpasangan dalam subkulit yang setengah penuh.

Keelektronegatifan adalah kemampuan atom dalam molekul untuk menarik elektron ikatan. Berbeda dengan energi ionisasi, keelektronegatifan tidak diukur pada atom terisolasi; nilainya diturunkan dari energi ikatan atau data lain, dan skala Pauling adalah yang paling banyak dipakai. Fluorin tertinggi, sekitar 4.0. Keelektronegatifan meningkat sepanjang satu periode dan menurun ke bawah dalam satu golongan, sehingga kepolaran ikatan turun dari H–F melalui H–Cl dan H–Br sampai H–I.

Kesalahan umum dalam menjelaskan kecenderungan periodik

Soal kecenderungan biasanya dinilai dari penjelasannya, bukan hanya urutannya.

Penjelasan yang lengkap menyebutkan perbandingannya (kulit yang sama atau kulit yang berbeda), menyatakan apa yang terjadi pada Zeff atau jarak, dan menghubungkan perubahan itu dengan gaya pada elektron yang ditinjau.

• Mengatakan atom lebih kecil karena memiliki lebih banyak elektron. Sepanjang satu periode, elektron masuk ke kulit yang sama; ukuran mengecil karena Zeff naik.
• Menjelaskan kecenderungan dalam golongan hanya dengan “lebih banyak kulit”, tanpa menyebutkan bahwa Zeff sedikit berubah ke bawah dalam satu golongan.
• Menganggap energi ionisasi meningkat secara ketat sepanjang satu periode. Periksa langkah dari golongan 2 ke 13 dan dari golongan 15 ke 16.
• Membandingkan ion berdasarkan muatan inti tanpa lebih dahulu memeriksa bahwa ion-ion itu isoelektronik.
• Mencampur konvensi tanda afinitas elektron dan menyimpulkan bahwa angka yang lebih negatif adalah afinitas yang lebih kecil.
• Membandingkan jari-jari dari tabel yang berbeda. Jari-jari kovalen, logam, dan ion didefinisikan secara berbeda.
• Menjelaskan dengan apa yang “diinginkan” atom. Atom tidak memiliki tujuan; jelaskan dengan tarikan, jarak, dan tolakan.