Aliran Berkala: Cas Nukleus Berkesan, Saiz dan Tenaga

Cas nukleus berkesan dan perlindungan

Elektron luar tidak merasai cas nukleus penuh Z. Elektron yang lebih dekat dengan nukleus membatalkan sebahagiannya, dan tarikan bersih diterangkan oleh cas nukleus berkesan, Zeff = Z − S, dengan S ialah pemalar perlindungan. Elektron teras, dalam petala yang lebih rendah, melindungi dengan baik. Elektron dalam petala yang sama melindungi dengan kurang baik, kerana secara purata ia tidak lebih dekat dengan nukleus daripada elektron yang dimaksudkan.

Anggaran kasar hanya mengira elektron teras. Natrium (Z = 11) dan klorin (Z = 17) kedua-duanya mempunyai 10 elektron teras, jadi elektron 3s natrium merasai kira-kira +1 dan elektron 3p klorin kira-kira +7. Peraturan Slater memperhalusinya. Bagi elektron dalam subpetala ns atau np, setiap elektron lain dalam subpetala ns dan np yang sama menambah 0.35 kepada S (0.30 dalam 1s), setiap elektron dalam petala n − 1 menambah 0.85, dan setiap elektron dalam petala yang lebih dalam menambah 1.00.

Contoh penyelesaian 1. Bagi elektron 3s natrium, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, jadi Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Bagi salah satu elektron 3p klorin, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, jadi Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Merentasi kala 3, setiap proton yang ditambah hanya diimbangi sebahagian oleh elektron petala sama yang ditambah, jadi Zeff meningkat dari kiri ke kanan manakala n kekal 3.

Jejari atom dan ion isoelektron

Jejari atom berkurang merentasi suatu kala kerana Zeff meningkat sedangkan elektron luar kekal dalam petala yang sama, jadi ia ditarik lebih dekat. Ia bertambah menuruni kumpulan kerana setiap kala menambah satu petala, meletakkan elektron luar lebih jauh, manakala Zeff berubah agak sedikit. Atom terbesar berada di bahagian kiri bawah jadual dan yang terkecil di bahagian kanan atas.

Kation lebih kecil daripada atom induknya: kehilangan elektron mengurangkan tolakan, dan bagi kation kumpulan utama ia biasanya mengosongkan petala luar. Anion lebih besar daripada atom induknya, kerana elektron yang ditambah meningkatkan tolakan sedangkan cas nukleus kekal sama.

Contoh penyelesaian 2. Susun N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ dan Al³⁺ mengikut jejari. Kira elektron dahulu: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 dan 13 − 3 semuanya sama dengan 10, jadi setiap ion mempunyai konfigurasi neon 1s² 2s² 2p⁶. Dengan bilangan elektron yang serupa, satu-satunya perbezaan ialah cas nukleus, yang meningkat daripada 7 kepada 13. Lebih banyak proton menarik awan elektron yang sama dengan lebih rapat, jadi tertibnya ialah N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Tenaga pengionan pertama dan pengecualian subpetalanya

Tenaga pengionan pertama ialah tenaga yang diperlukan untuk mengeluarkan elektron yang paling longgar dipegang daripada atom gas: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Ia secara amnya meningkat merentasi suatu kala, apabila Zeff naik dan jejari mengecil, dan berkurang menuruni kumpulan. NIST menyenaraikan tenaga pengionan dalam elektron volt bagi setiap atom; mendarab dengan 96.485 kJ/mol bagi setiap eV menukarnya kepada unit molar.

Ditukar daripada NIST Atomic Spectra Database, nilai kala 2 ialah 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 kerana elektron terluarnya berada dalam 2p, yang lebih tinggi tenaganya dan sebahagiannya dilindungi oleh pasangan 2s. Oksigen berada di bawah nitrogen kerana elektron 2p keempatnya mesti berpasangan dalam orbital yang sudah diduduki, dan tolakan tambahan menjadikannya lebih mudah dikeluarkan.

Dua lekukan yang sama muncul dalam kala 3: aluminium (577.5 kJ/mol) berada di bawah magnesium (737.7 kJ/mol), dan sulfur (999.6 kJ/mol) berada di bawah fosforus (1011.8 kJ/mol). Corak berulang ini menunjukkan bahawa ia berpunca daripada struktur subpetala, bukan daripada satu unsur yang ganjil.

Tenaga pengionan berturut-turut dan elektron valens

Setiap tenaga pengionan berturut-turut lebih besar daripada yang sebelumnya, kerana setiap elektron meninggalkan ion yang semakin positif. Saiz setiap lonjakan ialah maklumat yang berguna. Peningkatan sederhana bermakna elektron seterusnya datang daripada petala valens yang sama; lonjakan yang sangat besar bermakna ia mesti datang daripada teras, yang lebih dekat dengan nukleus dan jauh kurang dilindungi.

Contoh penyelesaian 3. NIST memberikan tiga tenaga pengionan pertama magnesium sebagai 7.646, 15.035 dan 80.144 eV. Penukaran: 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. Nisbah IE₂/IE₁ ialah 1450.7 / 737.7 = 1.97, tetapi IE₃/IE₂ ialah 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Lonjakan besar selepas elektron kedua menunjukkan bahawa magnesium mempunyai dua elektron valens, [Ne] 3s², dan menerangkan mengapa ia membentuk Mg²⁺ tetapi bukan Mg³⁺ dalam kimia biasa.

Natrium menunjukkan lonjakan satu langkah lebih awal. Tenaga pengionan keduanya, 4562.4 kJ/mol, kira-kira 9.2 kali ganda yang pertama, 495.8 kJ/mol, kerana elektron kedua mesti datang daripada teras 2p.

Afiniti elektron dan keelektronegatifan

Afiniti elektron menerangkan perubahan tenaga apabila atom gas memperoleh elektron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Konvensyen tanda berbeza. Sesetengah buku teks, termasuk OpenStax, melaporkan perubahan tenaga, yang negatif apabila tenaga dibebaskan; yang lain melaporkan tenaga yang dibebaskan sebagai nombor positif. Semak konvensyen itu sebelum membandingkan nilai. Selain gas adi, atom ke arah kanan suatu kala membebaskan tenaga paling banyak, kerana Zeff yang tinggi menarik elektron yang masuk dengan kuat.

Afiniti elektron kurang teratur berbanding tenaga pengionan. Klorin membebaskan lebih banyak tenaga daripada fluorin, kira-kira 349 kJ/mol berbanding 328 kJ/mol, berdasarkan nilai NIST Chemistry WebBook sebanyak 3.613 dan 3.401 eV. Elektron yang ditambah dalam subpetala 2p fluorin yang padat mengalami tolakan yang lebih kuat. Berilium, nitrogen dan gas adi mempunyai sedikit atau tiada kecenderungan untuk membentuk anion gas yang stabil, kerana elektron yang ditambah akan memasuki subpetala yang lebih tinggi atau berpasangan dalam subpetala separuh penuh.

Keelektronegatifan ialah keupayaan atom dalam molekul untuk menarik elektron ikatan. Tidak seperti tenaga pengionan, ia tidak diukur pada atom terpencil; ia diterbitkan daripada tenaga ikatan atau data lain, dan skala Pauling paling meluas digunakan. Fluorin tertinggi, kira-kira 4.0. Keelektronegatifan meningkat merentasi suatu kala dan berkurang menuruni kumpulan, jadi kekutuban ikatan menurun daripada H–F melalui H–Cl dan H–Br kepada H–I.

Kesilapan lazim dalam menerangkan aliran berkala

Soalan aliran biasanya dinilai berdasarkan penjelasan, bukan hanya tertib.

Penjelasan lengkap menamakan perbandingan (petala yang sama atau petala berbeza), menyatakan apa yang berlaku kepada Zeff atau jarak, dan mengaitkan perubahan itu dengan daya pada elektron yang dimaksudkan.

• Mengatakan atom lebih kecil kerana ia mempunyai lebih banyak elektron. Merentasi suatu kala, elektron memasuki petala yang sama; saiz berkurang kerana Zeff meningkat.
• Menerangkan aliran kumpulan dengan 'lebih banyak petala' sahaja, tanpa menyatakan bahawa Zeff berubah sedikit menuruni kumpulan.
• Menganggap tenaga pengionan meningkat secara ketat merentasi suatu kala. Semak langkah kumpulan 2 ke 13 dan kumpulan 15 ke 16.
• Membandingkan ion mengikut cas nukleus tanpa menyemak dahulu bahawa ia isoelektron.
• Mencampuradukkan konvensyen tanda afiniti elektron dan membuat kesimpulan bahawa nombor yang lebih negatif ialah afiniti yang lebih kecil.
• Membandingkan jejari daripada jadual yang berbeza. Jejari kovalen, logam dan ion ditakrifkan secara berbeza.
• Menerangkan dengan apa yang atom 'mahu'. Atom tidak mempunyai matlamat; terangkan dengan tarikan, jarak dan tolakan.