Periodické trendy: efektívny jadrový náboj, veľkosť a energia

Efektívny jadrový náboj a tienenie

Vonkajší elektrón nepociťuje plný jadrový náboj Z. Elektróny bližšie k jadru ho čiastočne rušia a výsledné priťahovanie opisuje efektívny jadrový náboj, Zeff = Z − S, kde S je tieniaca konštanta. Vnútorné elektróny v nižších vrstvách tienia dobre. Elektróny v tej istej vrstve tienia slabo, pretože v priemere nie sú bližšie k jadru ako posudzovaný elektrón.

Hrubý odhad počíta iba vnútorné elektróny. Sodík (Z = 11) a chlór (Z = 17) majú obaja 10 vnútorných elektrónov, takže elektrón 3s sodíka cíti asi +1 a elektróny 3p chlóru asi +7. Slaterove pravidlá to spresňujú. Pre elektrón v podvrstve ns alebo np pridáva každý ďalší elektrón v tých istých podvrstvách ns a np k S hodnotu 0.35 (0.30 v rámci 1s), každý elektrón vo vrstve n − 1 pridáva 0.85 a každý elektrón v hlbších vrstvách pridáva 1.00.

Riešený príklad 1. Pre elektrón 3s sodíka je S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, takže Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Pre jeden z elektrónov 3p chlóru je S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, takže Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Naprieč treťou periódou je každý pridaný protón len čiastočne vyvážený pridaným elektrónom v tej istej vrstve, takže Zeff rastie zľava doprava, zatiaľ čo n ostáva 3.

Atómový polomer a izoelektrónové ióny

Atómový polomer klesá naprieč periódou, pretože Zeff rastie, zatiaľ čo vonkajšie elektróny ostávajú v tej istej vrstve, a sú preto priťahované bližšie. Smerom nadol v skupine rastie, pretože každá perióda pridáva vrstvu, ktorá umiestňuje vonkajšie elektróny ďalej, zatiaľ čo Zeff sa mení pomerne málo. Najväčšie atómy sú vľavo dole v tabuľke a najmenšie vpravo hore.

Katión je menší než jeho materský atóm: strata elektrónov znižuje odpudzovanie a pri katiónoch hlavných skupín zvyčajne vyprázdni vonkajšiu vrstvu. Anión je väčší než jeho materský atóm, pretože pridaný elektrón zvyšuje odpudzovanie, zatiaľ čo jadrový náboj ostáva rovnaký.

Riešený príklad 2. Zoraďte N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ a Al³⁺ podľa polomeru. Najprv spočítajte elektróny: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 a 13 − 3 sa rovnajú 10, takže každý ión má konfiguráciu neónu 1s² 2s² 2p⁶. Pri rovnakom počte elektrónov je jediným rozdielom jadrový náboj, ktorý rastie od 7 do 13. Viac protónov stiahne rovnaký elektrónový oblak tesnejšie, takže poradie je N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Prvá ionizačná energia a jej výnimky z podvrstiev

Prvá ionizačná energia je energia potrebná na odtrhnutie najslabšie viazaného elektrónu z plynného atómu: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Vo všeobecnosti rastie naprieč periódou, keďže Zeff rastie a polomer sa zmenšuje, a klesá smerom nadol v skupine. NIST uvádza ionizačné energie v elektrónvoltoch na atóm; vynásobením 96.485 kJ/mol na eV sa prevedú na molárne jednotky.

Po prevode z NIST Atomic Spectra Database sú hodnoty druhej periódy Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 a Ne 2080.7 kJ/mol. Dva kroky idú nesprávnym smerom. Bór je pod berýliom, pretože jeho najvzdialenejší elektrón je v 2p, ktorý má vyššiu energiu a je čiastočne tienený párom 2s. Kyslík je pod dusíkom, pretože jeho štvrtý elektrón 2p sa musí spárovať v obsadenom orbitáli a dodatočné odpudzovanie uľahčuje jeho odtrhnutie.

Rovnaké dva poklesy sa objavujú v tretej perióde: hliník (577.5 kJ/mol) je pod horčíkom (737.7 kJ/mol) a síra (999.6 kJ/mol) je pod fosforom (1011.8 kJ/mol). Opakovaný vzor ukazuje, že pochádza zo štruktúry podvrstiev, nie z jedného zvláštneho prvku.

Postupné ionizačné energie a valenčné elektróny

Každá nasledujúca ionizačná energia je väčšia než predchádzajúca, pretože každý elektrón odchádza z čoraz kladnejšieho iónu. Užitočnú informáciu nesie veľkosť každého skoku. Mierny nárast znamená, že ďalší elektrón pochádza z tej istej valenčnej vrstvy; veľmi veľký skok znamená, že musí pochádzať z vnútorných vrstiev, ktoré sú bližšie k jadru a oveľa menej tienené.

Riešený príklad 3. NIST udáva prvé tri ionizačné energie horčíka ako 7.646, 15.035 a 80.144 eV. Prevod: 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. Pomer IE₂/IE₁ je 1450.7 / 737.7 = 1.97, ale IE₃/IE₂ je 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Veľký skok po druhom elektróne ukazuje, že horčík má dva valenčné elektróny, [Ne] 3s², a vysvetľuje, prečo tvorí Mg²⁺, ale nie Mg³⁺ v bežnej chémii.

Sodík ukazuje skok o krok skôr. Jeho druhá ionizačná energia, 4562.4 kJ/mol, je asi 9.2-krát väčšia než prvá, 495.8 kJ/mol, pretože druhý elektrón musí pochádzať z vnútornej podvrstvy 2p.

Elektrónová afinita a elektronegativita

Elektrónová afinita opisuje zmenu energie, keď plynný atóm získa elektrón: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Konvencie znamienok sa líšia. Niektoré učebnice vrátane OpenStax uvádzajú zmenu energie, ktorá je záporná, keď sa energia uvoľňuje; iné uvádzajú uvoľnenú energiu ako kladné číslo. Pred porovnávaním hodnôt skontrolujte konvenciu. Okrem vzácnych plynov uvoľňujú najviac energie atómy smerom doprava v perióde, pretože ich vysoké Zeff silno priťahuje prichádzajúci elektrón.

Elektrónová afinita je menej pravidelná než ionizačná energia. Chlór uvoľňuje viac energie než fluór, asi 349 kJ/mol v porovnaní s 328 kJ/mol, podľa hodnôt NIST Chemistry WebBook 3.613 a 3.401 eV. Pridaný elektrón v kompaktnej podvrstve 2p fluóru naráža na silnejšie odpudzovanie. Berýlium, dusík a vzácne plyny majú malú alebo nulovú tendenciu tvoriť stabilné plynné anióny, pretože pridaný elektrón by vstúpil do vyššej podvrstvy alebo by sa spároval v polovične zaplnenej.

Elektronegativita je schopnosť atómu v molekule priťahovať elektróny väzby. Na rozdiel od ionizačnej energie sa nemeria na izolovanom atóme; odvodzuje sa z väzbových energií alebo iných údajov a najrozšírenejšia je Paulingova stupnica. Najvyššiu má fluór, asi 4.0. Elektronegativita rastie naprieč periódou a klesá smerom nadol v skupine, takže polarita väzby klesá od H–F cez H–Cl a H–Br po H–I.

Časté chyby pri vysvetľovaní periodických trendov

Otázky o trendoch sa zvyčajne hodnotia podľa vysvetlenia, nielen podľa poradia.

Úplné vysvetlenie pomenuje porovnanie (tá istá vrstva alebo iná vrstva), uvedie, čo sa deje so Zeff alebo so vzdialenosťou, a spojí túto zmenu so silou pôsobiacou na posudzovaný elektrón.

• Tvrdenie, že atóm je menší, pretože má viac elektrónov. Naprieč periódou elektróny vstupujú do tej istej vrstvy; veľkosť klesá, pretože Zeff rastie.
• Vysvetľovanie trendu v skupine samotnými „viacerými vrstvami“ bez poznámky, že Zeff sa smerom nadol v skupine mení len málo.
• Považovanie ionizačnej energie za prísne rastúcu naprieč periódou. Skontrolujte kroky od 2. do 13. skupiny a od 15. do 16. skupiny.
• Porovnávanie iónov podľa jadrového náboja bez predchádzajúcej kontroly, či sú izoelektrónové.
• Miešanie konvencií znamienok elektrónovej afinity a záver, že zápornejšie číslo je menšia afinita.
• Porovnávanie polomerov z rôznych tabuliek. Kovalentné, kovové a iónové polomery sú definované odlišne.
• Vysvetľovanie tým, čo atóm „chce“. Atómy nemajú ciele; vysvetľujte priťahovaním, vzdialenosťou a odpudzovaním.