Periodinės tendencijos: efektyvusis branduolio krūvis, dydis ir energija

Efektyvusis branduolio krūvis ir ekranavimas

Išorinis elektronas nejaučia viso branduolio krūvio Z. Arčiau branduolio esantys elektronai jį iš dalies panaikina, o grynoji trauka aprašoma efektyviuoju branduolio krūviu, Zeff = Z − S, kur S yra ekranavimo konstanta. Vidiniai elektronai, esantys žemesniuose sluoksniuose, ekranuoja gerai. Tame pačiame sluoksnyje esantys elektronai ekranuoja prastai, nes vidutiniškai jie nėra arčiau branduolio nei nagrinėjamas elektronas.

Apytikriame įvertinime skaičiuojami tik vidiniai elektronai. Natris (Z = 11) ir chloras (Z = 17) abu turi 10 vidinių elektronų, todėl natrio 3s elektronas jaučia apie +1, o chloro 3p elektronai apie +7. Slaterio taisyklės tai patikslina. Elektronui ns arba np posluoksnyje kiekvienas kitas elektronas tuose pačiuose ns ir np posluoksniuose prideda 0.35 prie S (0.30 viduje 1s), kiekvienas elektronas n − 1 sluoksnyje prideda 0.85, o kiekvienas elektronas gilesniuose sluoksniuose prideda 1.00.

1 pavyzdys. Natrio 3s elektronui S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, taigi Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Vienam iš chloro 3p elektronų S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, taigi Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Per 3 periodą kiekvieną pridėtą protoną tik iš dalies atsveria pridėtas to paties sluoksnio elektronas, todėl Zeff auga iš kairės į dešinę, o n lieka 3.

Atomo spindulys ir izoelektroniniai jonai

Atomo spindulys mažėja per periodą, nes Zeff didėja, o išoriniai elektronai lieka tame pačiame sluoksnyje, todėl yra pritraukiami arčiau. Žemyn grupe jis didėja, nes kiekvienas periodas prideda sluoksnį, išorinius elektronus nukeldamas toliau, o Zeff kinta palyginti mažai. Didžiausi atomai yra apatiniame kairiajame lentelės kampe, o mažiausi – viršutiniame dešiniajame.

Katijonas yra mažesnis už savo pirminį atomą: elektronų netekimas sumažina stūmą, o pagrindinių grupių katijonams paprastai ištuština išorinį sluoksnį. Anijonas yra didesnis už savo pirminį atomą, nes pridėtas elektronas padidina stūmą, o branduolio krūvis išlieka tas pats.

2 pavyzdys. Sudėliokite N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ ir Al³⁺ pagal spindulį. Pirmiausia suskaičiuokite elektronus: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 ir 13 − 3 visi lygūs 10, todėl kiekvienas jonas turi neono konfigūraciją 1s² 2s² 2p⁶. Esant vienodam elektronų skaičiui, vienintelis skirtumas yra branduolio krūvis, kuris didėja nuo 7 iki 13. Daugiau protonų tą patį elektronų debesį pritraukia stipriau, taigi tvarka yra N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Pirmoji jonizacijos energija ir jos posluoksnių išimtys

Pirmoji jonizacijos energija yra energija, reikalinga silpniausiai laikomam elektronui pašalinti iš dujinio atomo: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Ji paprastai didėja per periodą, nes Zeff auga, o spindulys mažėja, ir mažėja žemyn grupe. NIST jonizacijos energijas pateikia elektronvoltais vienam atomui; padauginus iš 96.485 kJ/mol vienam eV, jos paverčiamos moliniais vienetais.

Perskaičiuotos iš NIST Atomic Spectra Database, 2 periodo vertės yra Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 ir Ne 2080.7 kJ/mol. Du žingsniai eina netinkama kryptimi. Boras yra žemiau už berilį, nes jo išorinis elektronas yra 2p, kuris yra aukštesnės energijos ir iš dalies ekranuojamas 2s poros. Deguonis yra žemiau už azotą, nes jo ketvirtas 2p elektronas turi susiporuoti užimtoje orbitalėje, o papildoma stūma palengvina jo pašalinimą.

Tie patys du nuosmukiai pasirodo 3 periode: aliuminis (577.5 kJ/mol) yra žemiau už magnį (737.7 kJ/mol), o siera (999.6 kJ/mol) žemiau už fosforą (1011.8 kJ/mol). Pasikartojantis dėsningumas rodo, kad jis kyla iš posluoksnių sandaros, o ne iš vieno ypatingo elemento.

Nuosekliosios jonizacijos energijos ir valentiniai elektronai

Kiekviena paskesnė jonizacijos energija yra didesnė už ankstesnę, nes kiekvienas elektronas palieka vis labiau teigiamą joną. Naudinga informacija yra kiekvieno šuolio dydis. Vidutinis padidėjimas reiškia, kad kitas elektronas paimamas iš to paties valentinio sluoksnio; labai didelis šuolis reiškia, kad jis turi būti paimtas iš vidinio sluoksnio, kuris yra arčiau branduolio ir gerokai mažiau ekranuotas.

3 pavyzdys. NIST pateikia pirmąsias tris magnio jonizacijos energijas: 7.646, 15.035 ir 80.144 eV. Perskaičiavus: 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. Santykis IE₂/IE₁ yra 1450.7 / 737.7 = 1.97, bet IE₃/IE₂ yra 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Didelis šuolis po antrojo elektrono rodo, kad magnis turi du valentinius elektronus, [Ne] 3s², ir paaiškina, kodėl įprastoje chemijoje jis sudaro Mg²⁺, bet ne Mg³⁺.

Natris šuolį parodo vienu žingsniu anksčiau. Jo antroji jonizacijos energija, 4562.4 kJ/mol, yra apie 9.2 karto didesnė už pirmąją, 495.8 kJ/mol, nes antrasis elektronas turi būti paimtas iš 2p vidinio sluoksnio.

Elektronų giminingumas ir elektroneigiamumas

Elektronų giminingumas aprašo energijos pokytį, kai dujinis atomas gauna elektroną: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Ženklų konvencijos skiriasi. Kai kurie vadovėliai, įskaitant OpenStax, nurodo energijos pokytį, kuris yra neigiamas, kai energija išsiskiria; kiti išsiskyrusią energiją nurodo teigiamu skaičiumi. Prieš lygindami vertes, patikrinkite konvenciją. Išskyrus tauriąsias dujas, periodo dešinėje esantys atomai išskiria daugiausia energijos, nes jų didelis Zeff stipriai pritraukia ateinantį elektroną.

Elektronų giminingumas yra mažiau reguliarus nei jonizacijos energija. Chloras išskiria daugiau energijos nei fluoras, apie 349 kJ/mol, palyginti su 328 kJ/mol, pagal NIST Chemistry WebBook vertes 3.613 ir 3.401 eV. Pridėtas elektronas kompaktiškame fluoro 2p posluoksnyje patiria stipresnę stūmą. Berilis, azotas ir tauriosios dujos mažai arba visai nelinkę sudaryti stabilių dujinių anijonų, nes pridėtas elektronas patektų į aukštesnį posluoksnį arba susiporuotų pusiau užpildytame.

Elektroneigiamumas yra molekulėje esančio atomo geba traukti ryšio elektronus. Skirtingai nei jonizacijos energija, jis nematuojamas izoliuotame atome; jis išvedamas iš ryšio energijų ar kitų duomenų, o plačiausiai naudojama Pauling skalė. Didžiausias yra fluoro, apie 4.0. Elektroneigiamumas didėja per periodą ir mažėja žemyn grupe, todėl ryšio poliškumas mažėja nuo H–F per H–Cl ir H–Br iki H–I.

Dažnos klaidos aiškinant periodines tendencijas

Klausimai apie tendencijas paprastai vertinami pagal paaiškinimą, ne tik pagal eiliškumą.

Pilnas paaiškinimas įvardija palyginimą (tas pats sluoksnis ar skirtingi sluoksniai), nurodo, kas nutinka Zeff ar atstumui, ir sieja tą pokytį su jėga, veikiančia nagrinėjamą elektroną.

• Teiginys, kad atomas mažesnis, nes turi daugiau elektronų. Per periodą elektronai patenka į tą patį sluoksnį; dydis mažėja, nes Zeff didėja.
• Grupės tendencijos aiškinimas vien „daugiau sluoksnių“, nepažymint, kad žemyn grupe Zeff kinta mažai.
• Jonizacijos energijos laikymas griežtai didėjančia per periodą. Patikrinkite žingsnius nuo 2 iki 13 grupės ir nuo 15 iki 16 grupės.
• Jonų lyginimas pagal branduolio krūvį iš pradžių nepatikrinus, ar jie izoelektroniniai.
• Elektronų giminingumo ženklų konvencijų painiojimas ir išvada, kad neigiamesnis skaičius reiškia mažesnį giminingumą.
• Spindulių lyginimas iš skirtingų lentelių. Kovalentiniai, metaliniai ir joniniai spinduliai apibrėžiami skirtingai.
• Aiškinimas tuo, ko atomas „nori“. Atomai neturi tikslų; aiškinkite trauka, atstumu ir stūma.