პერიოდული ტენდენციები: ეფექტური ბირთვული მუხტი, ზომა და ენერგია

ეფექტური ბირთვული მუხტი და ეკრანირება

გარეთა ელექტრონი ბირთვის სრულ მუხტს Z არ განიცდის. ბირთვთან უფრო ახლოს მყოფი ელექტრონები მას ნაწილობრივ აბათილებენ, ხოლო წმინდა მიზიდვა აღიწერება ეფექტური ბირთვული მუხტით, Zeff = Z − S, სადაც S ეკრანირების მუდმივაა. გულის ელექტრონები, ქვედა შრეებში, კარგად ეკრანირებენ. ერთი და იმავე შრის ელექტრონები ცუდად ეკრანირებენ, რადგან საშუალოდ ისინი ბირთვთან უფრო ახლოს არ არიან, ვიდრე განსახილველი ელექტრონი.

უხეში შეფასება მხოლოდ გულის ელექტრონებს ითვლის. ნატრიუმს (Z = 11) და ქლორს (Z = 17) ორივეს 10 გულის ელექტრონი აქვს, ამიტომ ნატრიუმის 3s ელექტრონი დაახლოებით +1-ს განიცდის, ქლორის 3p ელექტრონები კი დაახლოებით +7-ს. სლეიტერის წესები ამას აზუსტებს. ns ან np ქვეშრეში მყოფი ელექტრონისთვის ყველა სხვა ელექტრონი ერთსა და იმავე ns და np ქვეშრეებში S-ს 0.35-ს ამატებს (1s-ში 0.30), შრე n − 1-ის თითოეული ელექტრონი 0.85-ს, უფრო ღრმა შრეების თითოეული ელექტრონი კი 1.00-ს.

მაგალითი 1. ნატრიუმის 3s ელექტრონისთვის S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, ამიტომ Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. ქლორის ერთ-ერთი 3p ელექტრონისთვის S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, ამიტომ Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. მე-3 პერიოდში თითოეულ დამატებულ პროტონს მხოლოდ ნაწილობრივ აბათილებს დამატებული ერთი და იმავე შრის ელექტრონი, ამიტომ Zeff მარცხნიდან მარჯვნივ იზრდება, n კი 3 რჩება.

ატომური რადიუსი და იზოელექტრონული იონები

ატომური რადიუსი პერიოდში მცირდება, რადგან Zeff იზრდება, ხოლო გარეთა ელექტრონები იმავე შრეში რჩება, ამიტომ უფრო ახლოს იზიდება. ჯგუფში ქვემოთ ის იზრდება, რადგან თითოეული პერიოდი შრეს ამატებს და გარეთა ელექტრონებს უფრო შორს ათავსებს, ხოლო Zeff შედარებით ცოტას იცვლება. ყველაზე დიდი ატომები ცხრილის ქვედა მარცხენა ნაწილშია, ყველაზე პატარები კი ზედა მარჯვენაში.

კატიონი თავისი მშობელი ატომზე პატარაა: ელექტრონების დაკარგვა განზიდვას ამცირებს, ხოლო მთავარი ქვეჯგუფის კატიონებისთვის ის ჩვეულებრივ გარეთა შრეს ცარიელს ტოვებს. ანიონი თავის მშობელ ატომზე დიდია, რადგან დამატებული ელექტრონი განზიდვას ზრდის, ბირთვული მუხტი კი უცვლელი რჩება.

მაგალითი 2. დაალაგეთ N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ და Al³⁺ რადიუსის მიხედვით. ჯერ ელექტრონები დათვალეთ: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 და 13 − 3 ყველა 10-ის ტოლია, ამიტომ ყველა იონს აქვს ნეონის კონფიგურაცია 1s² 2s² 2p⁶. იდენტური ელექტრონების რაოდენობისას ერთადერთი განსხვავება ბირთვული მუხტია, რომელიც 7-დან 13-მდე იზრდება. მეტი პროტონი იმავე ელექტრონულ ღრუბელს უფრო მჭიდროდ იზიდავს, ამიტომ რიგია N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

პირველი იონიზაციის ენერგია და მისი ქვეშრის გამონაკლისები

პირველი იონიზაციის ენერგია არის ენერგია, რომელიც საჭიროა აირადი ატომიდან ყველაზე სუსტად დაკავშირებული ელექტრონის მოსაცილებლად: X(g) → X⁺(g) + e⁻. ის ზოგადად პერიოდში იზრდება, რადგან Zeff იზრდება და რადიუსი მცირდება, ჯგუფში ქვემოთ კი მცირდება. NIST იონიზაციის ენერგიებს ელექტრონვოლტებში ატომზე აჩვენებს; 96.485 kJ/mol თითო eV-ზე გამრავლება მათ მოლურ ერთეულებად გადაიყვანს.

NIST-ის Atomic Spectra Database-იდან გადაყვანილი მე-2 პერიოდის მნიშვნელობებია Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 და Ne 2080.7 kJ/mol. ორი ნაბიჯი არასწორ მიმართულებით მიდის. ბორი ბერილიუმზე დაბალია, რადგან მისი გარეთა ელექტრონი 2p-შია, რომელიც ენერგიით უფრო მაღალია და 2s წყვილით ნაწილობრივ ეკრანირებულია. ჟანგბადი აზოტზე დაბალია, რადგან მისი მეოთხე 2p ელექტრონი უკვე დაკავებულ ორბიტალში უნდა დაწყვილდეს და დამატებითი განზიდვა მის მოცილებას ამარტივებს.

იგივე ორი ჩაძირვა მე-3 პერიოდშიც ჩნდება: ალუმინი (577.5 kJ/mol) მაგნიუმზე (737.7 kJ/mol) დაბალია, ხოლო გოგირდი (999.6 kJ/mol) ფოსფორზე (1011.8 kJ/mol). განმეორებული კანონზომიერება აჩვენებს, რომ ის ქვეშრის აგებულებიდან მოდის და არა ერთი თავისებური ელემენტიდან.

თანმიმდევრული იონიზაციის ენერგიები და ვალენტური ელექტრონები

თითოეული მომდევნო იონიზაციის ენერგია წინაზე დიდია, რადგან ყოველი ელექტრონი სულ უფრო დადებითი იონიდან მიდის. სასარგებლო ინფორმაცია თითოეული ნახტომის სიდიდეა. ზომიერი ზრდა ნიშნავს, რომ შემდეგი ელექტრონი იმავე ვალენტური შრიდან მოდის; ძალიან დიდი ნახტომი ნიშნავს, რომ ის გულიდან უნდა მოვიდეს, რომელიც ბირთვთან უფრო ახლოსაა და გაცილებით ნაკლებადაა ეკრანირებული.

მაგალითი 3. NIST მაგნიუმის პირველ სამ იონიზაციის ენერგიას 7.646, 15.035 და 80.144 eV-ად ასახელებს. გადაყვანა: 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. შეფარდება IE₂/IE₁ არის 1450.7 / 737.7 = 1.97, მაგრამ IE₃/IE₂ არის 7732.7 / 1450.7 = 5.33. დიდი ნახტომი მეორე ელექტრონის შემდეგ აჩვენებს, რომ მაგნიუმს ორი ვალენტური ელექტრონი აქვს, [Ne] 3s², და ხსნის, რატომ ქმნის ის Mg²⁺-ს და არა Mg³⁺-ს ჩვეულებრივ ქიმიაში.

ნატრიუმი ნახტომს ერთი ნაბიჯით ადრე აჩვენებს. მისი მეორე იონიზაციის ენერგია, 4562.4 kJ/mol, დაახლოებით 9.2-ჯერ აღემატება პირველს, 495.8 kJ/mol, რადგან მეორე ელექტრონი 2p გულიდან უნდა მოვიდეს.

ელექტრონთმიერთების ენერგია და ელექტროუარყოფითობა

ელექტრონთმიერთების ენერგია აღწერს ენერგიის ცვლილებას, როცა აირადი ატომი ელექტრონს იძენს: X(g) + e⁻ → X⁻(g). ნიშნის წესები განსხვავდება. ზოგი სახელმძღვანელო, OpenStax-ის ჩათვლით, ენერგიის ცვლილებას აჩვენებს, რომელიც უარყოფითია, როცა ენერგია გამოიყოფა; სხვები გამოყოფილ ენერგიას დადებით რიცხვად აჩვენებენ. მნიშვნელობების შედარებამდე შეამოწმეთ წესი. კეთილშობილი აირების გარდა, პერიოდის მარჯვენა მხარეს მდგარი ატომები ყველაზე მეტ ენერგიას გამოყოფენ, რადგან მათი მაღალი Zeff შემოსულ ელექტრონს ძლიერად იზიდავს.

ელექტრონთმიერთების ენერგია იონიზაციის ენერგიაზე ნაკლებ კანონზომიერია. ქლორი ფტორზე მეტ ენერგიას გამოყოფს, დაახლოებით 349 kJ/mol-ს 328 kJ/mol-ის წინააღმდეგ, NIST Chemistry WebBook-ის მნიშვნელობების 3.613 და 3.401 eV საფუძველზე. ფტორის კომპაქტურ 2p ქვეშრეში დამატებული ელექტრონი უფრო ძლიერ განზიდვას აწყდება. ბერილიუმს, აზოტსა და კეთილშობილ აირებს სტაბილური აირადი ანიონების წარმოქმნის მცირე ან არავითარი ტენდენცია აქვთ, რადგან დამატებული ელექტრონი უფრო მაღალ ქვეშრეში შევიდოდა ან ნახევრად შევსებულში დაწყვილდებოდა.

ელექტროუარყოფითობა არის მოლეკულაში ატომის უნარი, მიიზიდოს ბმის ელექტრონები. იონიზაციის ენერგიისგან განსხვავებით, ის იზოლირებულ ატომზე არ იზომება; ის ბმის ენერგიებიდან ან სხვა მონაცემებიდან გამოიყვანება და ყველაზე ფართოდ პაულინგის შკალაა გამოყენებული. ფტორი ყველაზე მაღალია, დაახლოებით 4.0. ელექტროუარყოფითობა პერიოდში იზრდება და ჯგუფში ქვემოთ მცირდება, ამიტომ ბმის პოლარობა H–F-დან H–Cl-ისა და H–Br-ის გავლით H–I-მდე მცირდება.

გავრცელებული შეცდომები პერიოდული ტენდენციების ახსნისას

ტენდენციის კითხვები ჩვეულებრივ ახსნის მიხედვით ფასდება და არა მხოლოდ რიგის.

სრული ახსნა ასახელებს შედარებას (იგივე შრე თუ სხვა შრე), აცხადებს, რა ემართება Zeff-ს ან მანძილს, და ამ ცვლილებას ანიჭებს ძალას, რომელიც განსახილველ ელექტრონზე მოქმედებს.

• იმის თქმა, რომ ატომი უფრო პატარაა, რადგან მეტი ელექტრონი აქვს. პერიოდში ელექტრონები იმავე შრეში შედის; ზომა მცირდება, რადგან Zeff იზრდება.
• ჯგუფის ტენდენციის ახსნა მხოლოდ „მეტი შრით“, იმის აღნიშვნის გარეშე, რომ Zeff ჯგუფში ქვემოთ ცოტას იცვლება.
• იონიზაციის ენერგიის პერიოდში მკაცრად მზარდად მიჩნევა. შეამოწმეთ მე-2-დან მე-13 ჯგუფამდე და მე-15-დან მე-16 ჯგუფამდე ნაბიჯები.
• იონების შედარება ბირთვული მუხტით იმის წინასწარ შემოწმების გარეშე, რომ ისინი იზოელექტრონულია.
• ელექტრონთმიერთების ნიშნის წესების აღრევა და დასკვნა, რომ უფრო უარყოფითი რიცხვი უფრო მცირე ელექტრონთმიერთების ენერგიას ნიშნავს.
• რადიუსების შედარება სხვადასხვა ცხრილიდან. კოვალენტური, ლითონური და იონური რადიუსები სხვადასხვაგვარადაა განმარტებული.
• ახსნა იმით, რისი „სურვილიც“ ატომს აქვს. ატომებს მიზნები არ აქვთ; ახსენით მიზიდვით, მანძილითა და განზიდვით.