Periodni trendi: efektivni jedrski naboj, velikost in energija

Efektivni jedrski naboj in senčenje

Zunanji elektron ne čuti polnega jedrskega naboja Z. Elektroni, ki so bližje jedru, ga delno izničijo, neto privlak pa opisuje efektivni jedrski naboj, Zeff = Z − S, kjer je S konstanta senčenja. Elektroni v jedru, v nižjih lupinah, senčijo dobro. Elektroni v isti lupini senčijo slabo, ker v povprečju niso bližje jedru kot obravnavani elektron.

Groba ocena šteje samo elektrone v jedru. Natrij (Z = 11) in klor (Z = 17) imata oba 10 elektronov v jedru, zato natrijev elektron 3s čuti približno +1, klorovi elektroni 3p pa približno +7. Slaterjeva pravila to izboljšajo. Za elektron v podlupini ns ali np vsak drug elektron v istih podlupinah ns in np prispeva 0.35 k S (0.30 znotraj 1s), vsak elektron v lupini n − 1 prispeva 0.85 in vsak elektron v globljih lupinah 1.00.

Rešen primer 1. Za natrijev elektron 3s je S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, zato je Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Za enega od klorovih elektronov 3p je S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, zato je Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Po periodi 3 vsak dodan proton le delno izravna dodani elektron v isti lupini, zato Zeff narašča od leve proti desni, medtem ko n ostane 3.

Atomski polmer in izoelektronski ioni

Atomski polmer se po periodi zmanjšuje, ker Zeff narašča, zunanji elektroni pa ostajajo v isti lupini, zato so potegnjeni bližje. Po skupini navzdol narašča, ker vsaka perioda doda lupino, ki zunanje elektrone postavi dlje, medtem ko se Zeff razmeroma malo spremeni. Največji atomi so v spodnjem levem delu tabele, najmanjši pa v zgornjem desnem.

Kation je manjši od matičnega atoma: izguba elektronov zmanjša odboj, pri kationih glavnih skupin pa običajno izprazni zunanjo lupino. Anion je večji od matičnega atoma, ker dodani elektron poveča odboj, medtem ko jedrski naboj ostane enak.

Rešen primer 2. Razvrstite N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ in Al³⁺ po polmeru. Najprej preštejte elektrone: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 in 13 − 3 so vsi enaki 10, zato ima vsak ion neonsko konfiguracijo 1s² 2s² 2p⁶. Pri enakem številu elektronov je edina razlika jedrski naboj, ki naraste od 7 do 13. Več protonov močneje stisne isti elektronski oblak, zato je vrstni red N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Prva ionizacijska energija in njene izjeme zaradi podlupin

Prva ionizacijska energija je energija, potrebna za odstranitev najšibkeje vezanega elektrona iz plinastega atoma: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Na splošno narašča po periodi, ko Zeff raste in se polmer krči, in pada po skupini navzdol. NIST navaja ionizacijske energije v elektronvoltih na atom; množenje z 96.485 kJ/mol na eV jih pretvori v molske enote.

Pretvorjene iz baze NIST Atomic Spectra Database so vrednosti za periodo 2: Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 in Ne 2080.7 kJ/mol. Dva koraka gresta v napačno smer. Bor je pod berilijem, ker je njegov najbolj zunanji elektron v 2p, ki je višje v energiji in ga par 2s delno zasenči. Kisik je pod dušikom, ker se mora njegov četrti elektron 2p sparjati v že zasedeni orbitali, dodatni odboj pa ga olajša odstraniti.

Isti dve upadanji se pojavita v periodi 3: aluminij (577.5 kJ/mol) je pod magnezijem (737.7 kJ/mol) in žveplo (999.6 kJ/mol) je pod fosforjem (1011.8 kJ/mol). Ponavljajoči se vzorec kaže, da izhaja iz zgradbe podlupin in ne iz enega posebnega elementa.

Zaporedne ionizacijske energije in valenčni elektroni

Vsaka naslednja ionizacijska energija je večja od prejšnje, ker vsak elektron zapusti vse bolj pozitiven ion. Koristna informacija je velikost vsakega skoka. Zmerno povečanje pomeni, da naslednji elektron izvira iz iste valenčne lupine; zelo velik skok pomeni, da mora priti iz jedra, ki je bližje jedru atoma in veliko manj zasenčeno.

Rešen primer 3. NIST podaja prve tri ionizacijske energije magnezija kot 7.646, 15.035 in 80.144 eV. Pretvorba: 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. Razmerje IE₂/IE₁ je 1450.7 / 737.7 = 1.97, vendar je IE₃/IE₂ enako 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Velik skok po drugem elektronu pokaže, da ima magnezij dva valenčna elektrona, [Ne] 3s², in pojasni, zakaj v običajni kemiji tvori Mg²⁺, ne pa Mg³⁺.

Natrij pokaže skok korak prej. Njegova druga ionizacijska energija, 4562.4 kJ/mol, je približno 9.2-krat večja od prve, 495.8 kJ/mol, ker mora drugi elektron izvirati iz jedra 2p.

Elektronska afiniteta in elektronegativnost

Elektronska afiniteta opisuje energijsko spremembo, ko plinasti atom sprejme elektron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Dogovori o predznaku se razlikujejo. Nekateri učbeniki, vključno z OpenStax, navajajo energijsko spremembo, ki je negativna, kadar se energija sprosti; drugi navajajo sproščeno energijo kot pozitivno število. Pred primerjavo vrednosti preverite dogovor. Razen pri žlahtnih plinih atomi proti desnemu delu periode sprostijo največ energije, ker njihov visok Zeff močno privlači prihajajoči elektron.

Elektronska afiniteta je manj pravilna kot ionizacijska energija. Klor sprosti več energije kot fluor, približno 349 kJ/mol v primerjavi s 328 kJ/mol, po vrednostih NIST Chemistry WebBook 3.613 in 3.401 eV. Dodani elektron v fluorovi kompaktni podlupini 2p naleti na močnejši odboj. Berilij, dušik in žlahtni plini imajo malo ali nič nagnjenja k tvorbi stabilnih plinastih anionov, ker bi dodani elektron vstopil v višjo podlupino ali se sparil v napol zapolnjeni.

Elektronegativnost je sposobnost atoma v molekuli, da privlači elektrone vezi. Za razliko od ionizacijske energije se ne meri na osamljenem atomu; izpeljana je iz veznih energij ali drugih podatkov, najbolj razširjena pa je Paulingova lestvica. Fluor je najvišji, pri približno 4.0. Elektronegativnost narašča po periodi in pada po skupini navzdol, zato polarnost vezi pada od H–F prek H–Cl in H–Br do H–I.

Pogoste napake pri pojasnjevanju periodnih trendov

Vprašanja o trendih se običajno ocenjujejo po razlagi, ne samo po vrstnem redu.

Popolna razlaga poimenuje primerjavo (ista lupina ali druga lupina), navede, kaj se zgodi z Zeff ali razdaljo, in to spremembo poveže s silo na obravnavani elektron.

• Trditev, da je atom manjši, ker ima več elektronov. Po periodi elektroni vstopajo v isto lupino; velikost pada, ker Zeff narašča.
• Razlaga trenda po skupini samo z »več lupinami«, ne da bi omenili, da se Zeff po skupini navzdol malo spremeni.
• Obravnavanje ionizacijske energije kot strogo naraščajoče po periodi. Preverite koraka iz skupine 2 v 13 in iz skupine 15 v 16.
• Primerjava ionov po jedrskem naboju, ne da bi najprej preverili, ali so izoelektronski.
• Mešanje dogovorov o predznaku elektronske afinitete in sklep, da je bolj negativno število manjša afiniteta.
• Primerjava polmerov iz različnih tabel. Kovalentni, kovinski in ionski polmeri so opredeljeni različno.
• Razlaga s tem, kaj atom »hoče«. Atomi nimajo ciljev; razlagajte s privlakom, razdaljo in odbojem.