Периодтық заңдылықтар: тиімді ядролық заряд, өлшем және энергия

Тиімді ядролық заряд және экрандау

Сыртқы электрон ядроның толық Z зарядын сезбейді. Ядроға жақынырақ электрондар оны ішінара жояды, ал таза тартылыс тиімді ядролық зарядпен сипатталады: Zeff = Z − S, мұндағы S — экрандау тұрақтысы. Төменгі қабықтардағы өзек электрондары жақсы экрандайды. Бір қабықтағы электрондар нашар экрандайды, өйткені олар орта есеппен қарастырылып отырған электроннан ядроға жақын емес.

Дөрекі бағалау тек өзек электрондарын санайды. Натрийде (Z = 11) және хлорда (Z = 17) 10 өзек электроны бар, сондықтан натрийдің 3s электроны шамамен +1, ал хлордың 3p электрондары шамамен +7 сезінеді. Слейтер ережелері мұны нақтылайды. ns немесе np қосалқы қабығындағы электрон үшін сол ns және np қосалқы қабықтарындағы әр басқа электрон S-ке 0.35 қосады (1s ішінде 0.30), n − 1 қабығындағы әр электрон 0.85, ал тереңірек қабықтардағы әр электрон 1.00 қосады.

1-шешілген мысал. Натрийдің 3s электроны үшін S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, сондықтан Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Хлордың 3p электрондарының бірі үшін S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, сондықтан Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. 3-период бойымен қосылған әр протонды қосылған сол қабықтағы электрон тек ішінара теңестіреді, сондықтан n 3 күйінде қалғанда Zeff солдан оңға қарай артады.

Атом радиусы және изоэлектронды иондар

Атом радиусы период бойымен кемиді, өйткені Zeff артады, ал сыртқы электрондар сол қабықта қалады, сондықтан олар жақынырақ тартылады. Ол топ бойымен төмен қарай артады, өйткені әр период қабық қосып, сыртқы электрондарды алысырақ орналастырады, ал Zeff салыстырмалы түрде аз өзгереді. Ең үлкен атомдар кестенің төменгі сол жағында, ал ең кішілері жоғарғы оң жағында.

Катион өзінің бастапқы атомынан кіші: электрондарды жоғалту тебілуді азайтады, ал негізгі топ катиондары үшін ол әдетте сыртқы қабықты босатады. Анион өзінің бастапқы атомынан үлкен, өйткені қосылған электрон тебілуді арттырады, ал ядролық заряд өзгеріссіз қалады.

2-шешілген мысал. N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ және Al³⁺ иондарын радиусы бойынша реттеңіз. Алдымен электрондарды санаңыз: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 және 13 − 3 бәрі 10-ға тең, сондықтан әр ионның неон конфигурациясы 1s² 2s² 2p⁶. Электрон саны бірдей болғанда жалғыз айырмашылық — ядролық заряд, ол 7-ден 13-ке дейін артады. Протондар көбірек болса, сол электрон бұлтын тығызырақ тартады, сондықтан рет мынадай: N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Бірінші иондану энергиясы және оның қосалқы қабық ерекшеліктері

Бірінші иондану энергиясы — газ тәрізді атомнан ең әлсіз байланысқан электронды алуға қажетті энергия: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Ол жалпы алғанда период бойымен артады, өйткені Zeff артып, радиус кемиді, ал топ бойымен төмен қарай кемиді. NIST иондану энергияларын бір атомға электронвольтпен береді; оларды eV-қа 96.485 kJ/mol көбейту арқылы молярлық бірліктерге түрлендіреді.

NIST атомдық спектрлер дерекқорынан түрлендірілген 2-период мәндері: Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 және Ne 2080.7 kJ/mol. Екі қадам қате бағытта жүреді. Бор берилийден төмен, өйткені оның ең сыртқы электроны 2p-да, ол энергиясы жоғары және 2s жұбымен ішінара экрандалған. Оттек азоттан төмен, өйткені оның төртінші 2p электроны толған орбитальда жұптасуы керек, ал қосымша тебілу оны алуды жеңілдетеді.

Дәл сол екі құлдилау 3-периодта да байқалады: алюминий (577.5 kJ/mol) магнийден (737.7 kJ/mol) төмен, ал күкірт (999.6 kJ/mol) фосфордан (1011.8 kJ/mol) төмен. Қайталанатын заңдылық бұл бір ерекше элементтен емес, қосалқы қабық құрылымынан туатынын көрсетеді.

Дәйекті иондану энергиялары және валенттік электрондар

Әрбір келесі иондану энергиясы алдыңғысынан үлкен, өйткені әр электрон барған сайын оң ионнан кетеді. Пайдалы ақпарат — әр секіріс мөлшері. Орташа өсу келесі электрон сол валенттік қабықтан шығатынын білдіреді; өте үлкен секіріс оның ядроға жақынырақ және әлдеқайда аз экрандалған өзектен шығуы керек екенін білдіреді.

3-шешілген мысал. NIST магнийдің алғашқы үш иондану энергиясын 7.646, 15.035 және 80.144 eV деп береді. Түрлендіру: 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. IE₂/IE₁ қатынасы 1450.7 / 737.7 = 1.97, бірақ IE₃/IE₂ — 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Екінші электроннан кейінгі үлкен секіріс магнийдің екі валенттік электроны бар екенін, [Ne] 3s², көрсетеді және оның қарапайым химияда неге Mg²⁺ түзіп, Mg³⁺ түзбейтінін түсіндіреді.

Натрий секірісті бір қадам ертерек көрсетеді. Оның екінші иондану энергиясы, 4562.4 kJ/mol, біріншісінен, 495.8 kJ/mol, шамамен 9.2 есе көп, өйткені екінші электрон 2p өзегінен шығуы керек.

Электронға жақындық және электртерістік

Электронға жақындық газ тәрізді атом электрон қосқанда болатын энергия өзгерісін сипаттайды: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Таңба келісімдері әртүрлі. Кейбір оқулықтар, соның ішінде OpenStax, энергия өзгерісін береді, ол энергия бөлінгенде теріс болады; басқалары бөлінген энергияны оң сан ретінде береді. Мәндерді салыстырмас бұрын келісімді тексеріңіз. Асыл газдарды қоспағанда, период соңына жақын атомдар ең көп энергия бөледі, өйткені олардың жоғары Zeff келіп жатқан электронды күшті тартады.

Электронға жақындық иондану энергиясына қарағанда аз заңдылықты. Хлор фторға қарағанда көбірек энергия бөледі, NIST Chemistry WebBook мәндері 3.613 және 3.401 eV негізінде шамамен 349 kJ/mol 328 kJ/mol-ге қарсы. Фтордың ықшам 2p қосалқы қабығына қосылған электрон күштірек тебілуге тап болады. Берилий, азот және асыл газдардың тұрақты газ тәрізді аниондар түзуге бейімділігі аз немесе жоқ, өйткені қосылған электрон жоғарырақ қосалқы қабыққа кірер еді немесе жартылай толған қабықта жұптасар еді.

Электртерістік — молекуладағы атомның байланыс электрондарын тарту қабілеті. Иондану энергиясынан айырмашылығы, ол оқшауланған атомда өлшенбейді; ол байланыс энергияларынан немесе басқа деректерден шығарылады, ал Полинг шкаласы ең көп қолданылады. Фтор ең жоғары, шамамен 4.0. Электртерістік период бойымен артады және топ бойымен төмен қарай кемиді, сондықтан байланыс полярлығы H–F-тен H–Cl және H–Br арқылы H–I-ге дейін төмендейді.

Периодтық заңдылықтарды түсіндірудегі жиі қателер

Заңдылық сұрақтары әдетте тек ретімен емес, түсіндірмесімен бағаланады.

Толық түсіндірме салыстыруды атайды (сол қабық немесе басқа қабық), Zeff-ке немесе қашықтыққа не болатынын айтады және сол өзгерісті қарастырылып отырған электронға әсер ететін күшпен байланыстырады.

• Атомның электрондары көп болғандықтан кіші деп айту. Период бойымен электрондар сол қабыққа кіреді; Zeff артқандықтан өлшем кемиді.
• Топ заңдылығын тек «көбірек қабық» арқылы түсіндіру, топ бойымен төмен қарай Zeff аз өзгеретінін атамау.
• Иондану энергиясын период бойымен қатаң артады деп санау. 2-тен 13-ке және 15-тен 16-ға дейінгі топ қадамдарын тексеріңіз.
• Иондарды алдымен изоэлектронды екенін тексермей, ядролық заряд арқылы салыстыру.
• Электронға жақындықтың таңба келісімдерін араластырып, неғұрлым теріс сан кіші жақындық деген қорытынды жасау.
• Радиустарды әртүрлі кестелерден салыстыру. Ковалентті, металдық және иондық радиустар әртүрлі анықталады.
• Атом нені «қалайтынымен» түсіндіру. Атомдардың мақсаты жоқ; тартылыс, қашықтық және тебілу арқылы түсіндіріңіз.