Lotubundin þróun: virk kjarnhleðsla, stærð og orka

Virk kjarnhleðsla og skermun

Ytri rafeind finnur ekki fyrir allri kjarnhleðslunni Z. Rafeindir nær kjarnanum vega hana að hluta upp og nettó togið er lýst með virkri kjarnhleðslu, Zeff = Z − S, þar sem S er skermunarfasti. Kjarnarafeindir, í neðri skeljum, skerma vel. Rafeindir í sömu skel skerma illa, því að meðaltali eru þær ekki nær kjarnanum en rafeindin sem um ræðir.

Gróft mat telur aðeins kjarnarafeindir. Natríum (Z = 11) og klór (Z = 17) hafa bæði 10 kjarnarafeindir, svo 3s-rafeind natríums finnur um +1 og 3p-rafeindir klórs um +7. Reglur Slaters fínstilla þetta. Fyrir rafeind í ns- eða np-undirskeli bætir hver önnur rafeind í sömu ns- og np-undirskelum 0.35 við S (0.30 innan 1s), hver rafeind í skel n − 1 bætir við 0.85 og hver rafeind í dýpri skeljum bætir við 1.00.

Dæmi 1. Fyrir 3s-rafeind natríums er S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, svo Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Fyrir eina af 3p-rafeindum klórs er S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, svo Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Yfir lotu 3 vegur hver viðbótarróteind aðeins að hluta upp á móti viðbótarrafeindinni í sömu skel, svo Zeff hækkar frá vinstri til hægri meðan n helst 3.

Atómgeisli og jafnrafeinda jónir

Atómgeisli minnkar yfir lotu því Zeff hækkar meðan ytri rafeindirnar eru áfram í sömu skel, svo þær dragast nær. Hann eykst niður flokk því hver lota bætir við skel, sem færir ytri rafeindirnar lengra út, meðan Zeff breytist tiltölulega lítið. Stærstu atómin eru neðst til vinstri í töflunni og þau minnstu efst til hægri.

Katjón er minni en foreldraatóm sitt: tap rafeinda dregur úr fráhrindingu og fyrir katjónir aðalflokka tæmir það yfirleitt ytri skelina. Anjón er stærri en foreldraatóm sitt, því viðbótarrafeindin eykur fráhrindingu meðan kjarnhleðslan helst sú sama.

Dæmi 2. Raðaðu N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ og Al³⁺ eftir geisla. Teldu fyrst rafeindir: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 og 13 − 3 eru allt 10, svo sérhver jón hefur neonskipanina 1s² 2s² 2p⁶. Með eins rafeindafjölda er eini munurinn kjarnhleðslan, sem hækkar úr 7 í 13. Fleiri róteindir toga sama rafeindaskýið fastar saman, svo röðin er N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Fyrsta jónunarorka og undantekningar vegna undirskela

Fyrsta jónunarorka er orkan sem þarf til að fjarlægja lausbundnustu rafeindina úr gasatómi: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Hún eykst almennt yfir lotu, þegar Zeff hækkar og geisli minnkar, og minnkar niður flokk. NIST skráir jónunarorku í rafeindavoltum á atóm; margföldun með 96.485 kJ/mol á eV umbreytir henni í molaeiningar.

Umbreytt úr NIST Atomic Spectra Database eru gildin fyrir lotu 2 Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 og Ne 2080.7 kJ/mol. Tvö skref fara í ranga átt. Bór er neðar en beryllíum því ysta rafeind þess er í 2p, sem hefur hærri orku og er að hluta skermuð af 2s-parinu. Súrefni er neðar en köfnunarefni því fjórða 2p-rafeind þess verður að para sig í setnu svigrúmi og aukin fráhrinding gerir hana auðveldari að fjarlægja.

Sömu tvær lægðir birtast í lotu 3: ál (577.5 kJ/mol) er neðar en magnesíum (737.7 kJ/mol) og brennisteinn (999.6 kJ/mol) er neðar en fosfór (1011.8 kJ/mol). Endurtekið mynstrið sýnir að það stafar af gerð undirskela, ekki af einu sérkennilegu frumefni.

Raðjónunarorkur og gildisrafeindir

Hver raðjónunarorka er hærri en sú á undan, því sérhver rafeind yfirgefur sífellt jákvæðari jón. Stærð hvers stökks er gagnlega upplýsingin. Hófleg hækkun þýðir að næsta rafeind kemur úr sömu gildisskel; mjög stórt stökk þýðir að hún verður að koma úr kjarnanum, sem er nær kjarnanum og miklu minna skermaður.

Dæmi 3. NIST gefur fyrstu þrjár jónunarorkur magnesíums sem 7.646, 15.035 og 80.144 eV. Umbreyting: 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. Hlutfallið IE₂/IE₁ er 1450.7 / 737.7 = 1.97, en IE₃/IE₂ er 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Stóra stökkið eftir aðra rafeindina sýnir að magnesíum hefur tvær gildisrafeindir, [Ne] 3s², og útskýrir hvers vegna það myndar Mg²⁺ en ekki Mg³⁺ í venjulegri efnafræði.

Natríum sýnir stökkið einu skrefi fyrr. Önnur jónunarorka þess, 4562.4 kJ/mol, er um 9.2 sinnum fyrsta, 495.8 kJ/mol, því önnur rafeindin verður að koma úr 2p-kjarnanum.

Rafeindasækni og rafneikvæðni

Rafeindasækni lýsir orkubreytingunni þegar gasatóm tekur upp rafeind: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Formerkjavenjur eru ólíkar. Sumar kennslubækur, þar á meðal OpenStax, gefa upp orkubreytinguna, sem er neikvæð þegar orka losnar; aðrar gefa upp orkuna sem losnar sem jákvæða tölu. Athugaðu venjuna áður en gildi eru borin saman. Fyrir utan eðalgösin losa atóm til hægri í lotu mesta orku, því há Zeff þeirra dregur að sér rafeindina sem bætist við af miklum krafti.

Rafeindasækni er óreglulegri en jónunarorka. Klór losar meiri orku en flúor, um 349 kJ/mol samanborið við 328 kJ/mol, samkvæmt gildum úr NIST Chemistry WebBook upp á 3.613 og 3.401 eV. Rafeindin sem bætist við í þéttu 2p-undirskeli flúors mætir sterkari fráhrindingu. Beryllíum, köfnunarefni og eðalgösin hafa litla eða enga tilhneigingu til að mynda stöðugar gasanjónir, því rafeindin sem bætist við færi í hærra undirskel eða paraðist í hálffullu.

Rafneikvæðni er geta atóms í sameind til að draga að sér rafeindir tengis. Ólíkt jónunarorku er hún ekki mæld á einangruðu atómi; hún er leidd af tengiorku eða öðrum gögnum og Pauling-kvarðinn er mest notaður. Flúor er hæst, um 4.0. Rafneikvæðni eykst yfir lotu og minnkar niður flokk, svo skautun tengis minnkar frá H–F gegnum H–Cl og H–Br til H–I.

Algeng mistök við að útskýra lotubundna þróun

Spurningar um þróun eru yfirleitt metnar eftir skýringunni, ekki aðeins röðinni.

Fullkomin skýring nefnir samanburðinn (sama skel eða önnur skel), segir hvað verður um Zeff eða fjarlægð og tengir þá breytingu við kraftinn á rafeindina sem um ræðir.

• Að segja að atóm sé minna vegna þess að það hefur fleiri rafeindir. Yfir lotu fara rafeindir í sömu skel; stærð minnkar vegna þess að Zeff hækkar.
• Að útskýra flokkaþróun með „fleiri skeljum“ einum saman, án þess að taka fram að Zeff breytist lítið niður flokk.
• Að líta á jónunarorku sem stranglega vaxandi yfir lotu. Athugaðu skrefin frá flokki 2 til 13 og frá flokki 15 til 16.
• Að bera saman jónir eftir kjarnhleðslu án þess að athuga fyrst að þær séu jafnrafeinda.
• Að blanda saman formerkjavenjum fyrir rafeindasækni og álykta að neikvæðari talan sé minni sækni.
• Að bera saman geisla úr mismunandi töflum. Samgildisgeislar, málmgeislar og jónageislar eru skilgreindir á ólíkan hátt.
• Að útskýra með því sem atóm „vill“. Atóm hafa engin markmið; útskýrðu með aðdráttarafli, fjarlægð og fráhrindingu.