Tendințe periodice: sarcina nucleară efectivă, dimensiunea și energia

Sarcina nucleară efectivă și ecranarea

Un electron exterior nu simte sarcina nucleară completă Z. Electronii mai apropiați de nucleu o anulează parțial, iar atracția netă este descrisă de sarcina nucleară efectivă, Zeff = Z − S, unde S este o constantă de ecranare. Electronii din miez, aflați în straturi inferioare, ecranează bine. Electronii din același strat ecranează slab, deoarece, în medie, nu sunt mai aproape de nucleu decât electronul în cauză.

O estimare grosieră numără doar electronii din miez. Sodiul (Z = 11) și clorul (Z = 17) au amândouă 10 electroni în miez, deci electronul 3s al sodiului simte aproximativ +1, iar electronii 3p ai clorului aproximativ +7. Regulile lui Slater rafinează această estimare. Pentru un electron dintr-un subnivel ns sau np, fiecare alt electron din aceleași subniveluri ns și np adaugă 0.35 la S (0.30 în 1s), fiecare electron din stratul n − 1 adaugă 0.85, iar fiecare electron din straturi mai adânci adaugă 1.00.

Exemplu rezolvat 1. Pentru electronul 3s al sodiului, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, deci Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Pentru unul dintre electronii 3p ai clorului, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, deci Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. De-a lungul perioadei 3, fiecare proton adăugat este compensat doar parțial de electronul adăugat în același strat, deci Zeff crește de la stânga la dreapta, în timp ce n rămâne 3.

Raza atomică și ionii izoelectronici

Raza atomică scade de-a lungul unei perioade, deoarece Zeff crește în timp ce electronii exteriori rămân în același strat și sunt astfel trași mai aproape. Ea crește în josul unei grupe, deoarece fiecare perioadă adaugă un strat, plasând electronii exteriori mai departe, în timp ce Zeff se schimbă relativ puțin. Cei mai mari atomi sunt în stânga jos a tabelului, iar cei mai mici în dreapta sus.

Un cation este mai mic decât atomul din care provine: pierderea electronilor reduce repulsia și, pentru cationii elementelor din grupele principale, golește de obicei stratul exterior. Un anion este mai mare decât atomul din care provine, deoarece electronul adăugat mărește repulsia, în timp ce sarcina nucleară rămâne aceeași.

Exemplu rezolvat 2. Ordonează N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ și Al³⁺ după rază. Numără mai întâi electronii: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 și 13 − 3 sunt toate egale cu 10, deci fiecare ion are configurația neonului, 1s² 2s² 2p⁶. La același număr de electroni, singura diferență este sarcina nucleară, care crește de la 7 la 13. Mai mulți protoni trag același nor electronic mai strâns, deci ordinea este N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Prima energie de ionizare și excepțiile ei legate de subniveluri

Prima energie de ionizare este energia necesară pentru a îndepărta electronul cel mai slab legat dintr-un atom gazos: X(g) → X⁺(g) + e⁻. În general crește de-a lungul unei perioade, pe măsură ce Zeff crește și raza se micșorează, și scade în josul unei grupe. NIST listează energiile de ionizare în electronvolți pe atom; înmulțirea cu 96.485 kJ/mol pe eV le convertește în unități molare.

Convertite din NIST Atomic Spectra Database, valorile pentru perioada 2 sunt Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 și Ne 2080.7 kJ/mol. Doi pași merg în sens invers. Borul este sub beriliu, deoarece electronul său cel mai exterior se află în 2p, care are energie mai mare și este parțial ecranat de perechea 2s. Oxigenul este sub azot, deoarece al patrulea său electron 2p trebuie să se împerecheze într-un orbital ocupat, iar repulsia suplimentară îl face mai ușor de îndepărtat.

Aceleași două scăderi apar în perioada 3: aluminiul (577.5 kJ/mol) este sub magneziu (737.7 kJ/mol), iar sulful (999.6 kJ/mol) este sub fosfor (1011.8 kJ/mol). Tiparul repetat arată că ele provin din structura subnivelurilor, nu dintr-un singur element ciudat.

Energiile de ionizare succesive și electronii de valență

Fiecare energie de ionizare succesivă este mai mare decât precedenta, deoarece fiecare electron pleacă dintr-un ion tot mai pozitiv. Mărimea fiecărui salt este informația utilă. O creștere moderată înseamnă că următorul electron provine din același strat de valență; un salt foarte mare înseamnă că el trebuie să provină din miez, care este mai aproape de nucleu și mult mai puțin ecranat.

Exemplu rezolvat 3. NIST indică primele trei energii de ionizare ale magneziului ca 7.646, 15.035 și 80.144 eV. Conversie: 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. Raportul IE₂/IE₁ este 1450.7 / 737.7 = 1.97, dar IE₃/IE₂ este 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Saltul mare după al doilea electron arată că magneziul are doi electroni de valență, [Ne] 3s², și explică de ce formează Mg²⁺, dar nu Mg³⁺, în chimia obișnuită.

Sodiul arată saltul cu un pas mai devreme. A doua sa energie de ionizare, 4562.4 kJ/mol, este de aproximativ 9.2 ori prima, 495.8 kJ/mol, deoarece al doilea electron trebuie să provină din miezul 2p.

Afinitatea electronică și electronegativitatea

Afinitatea electronică descrie variația de energie când un atom gazos primește un electron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Convențiile de semn diferă. Unele manuale, inclusiv OpenStax, raportează variația de energie, care este negativă când se eliberează energie; altele raportează energia eliberată ca număr pozitiv. Verifică convenția înainte de a compara valori. Cu excepția gazelor nobile, atomii din dreapta unei perioade eliberează cea mai multă energie, deoarece Zeff lor ridicat atrage puternic electronul care vine.

Afinitatea electronică este mai puțin regulată decât energia de ionizare. Clorul eliberează mai multă energie decât fluorul, aproximativ 349 kJ/mol față de 328 kJ/mol, pe baza valorilor NIST Chemistry WebBook de 3.613 și 3.401 eV. Electronul adăugat în subnivelul compact 2p al fluorului întâlnește o repulsie mai puternică. Beriliul, azotul și gazele nobile au puțină tendință sau nu au deloc tendința de a forma anioni gazoși stabili, deoarece electronul adăugat ar intra într-un subnivel superior sau s-ar împerechea într-unul pe jumătate plin.

Electronegativitatea este capacitatea unui atom dintr-o moleculă de a atrage electronii unei legături. Spre deosebire de energia de ionizare, ea nu se măsoară pe un atom izolat; se deduce din energii de legătură sau din alte date, iar scara Pauling este cea mai utilizată. Fluorul are valoarea cea mai mare, aproximativ 4.0. Electronegativitatea crește de-a lungul unei perioade și scade în josul unei grupe, deci polaritatea legăturii scade de la H–F prin H–Cl și H–Br la H–I.

Greșeli frecvente în explicarea tendințelor periodice

Întrebările despre tendințe sunt de obicei evaluate după explicație, nu doar după ordine.

O explicație completă numește comparația (același strat sau un strat diferit), spune ce se întâmplă cu Zeff sau cu distanța și leagă această schimbare de forța care acționează asupra electronului în cauză.

• Afirmația că un atom este mai mic pentru că are mai mulți electroni. De-a lungul unei perioade, electronii intră în același strat; dimensiunea scade pentru că Zeff crește.
• Explicarea unei tendințe de grupă doar prin „mai multe straturi”, fără a nota că Zeff se schimbă puțin în josul unei grupe.
• Tratarea energiei de ionizare ca strict crescătoare de-a lungul unei perioade. Verifică trecerile de la grupa 2 la 13 și de la grupa 15 la 16.
• Compararea ionilor după sarcina nucleară fără a verifica mai întâi că sunt izoelectronici.
• Amestecarea convențiilor de semn ale afinității electronice și concluzia că numărul mai negativ este afinitatea mai mică.
• Compararea razelor din tabele diferite. Razele covalente, metalice și ionice sunt definite diferit.
• Explicarea prin ceea ce un atom „vrea”. Atomii nu au scopuri; explică prin atracție, distanță și repulsie.