Периодични трендови: ефективно наелектрисање језгра, величина и енергија

Ефективно наелектрисање језгра и заклањање

Спољашњи електрон не осећа пуно наелектрисање језгра Z. Електрони ближи језгру делимично га поништавају, а нето привлачење описује ефективно наелектрисање језгра, Zeff = Z − S, где је S константа заклањања. Електрони језгра, у нижим љускама, добро заклањају. Електрони у истој љусци заклањају слабо, јер у просеку нису ближи језгру од електрона о ком је реч.

Груба процена броји само електроне језгра. Натријум (Z = 11) и хлор (Z = 17) оба имају 10 електрона језгра, па 3s електрон натријума осећа око +1, а 3p електрони хлора око +7. Слејтерова правила то прецизирају. За електрон у ns или np подљусци, сваки други електрон у истим ns и np подљускама додаје 0.35 у S (0.30 у 1s), сваки електрон у љусци n − 1 додаје 0.85, а сваки електрон у дубљим љускама додаје 1.00.

Решени пример 1. За 3s електрон натријума, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, па је Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. За један од 3p електрона хлора, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, па је Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Дуж 3. периоде, сваки додати протон само је делимично надокнађен додатим електроном исте љуске, па Zeff расте слева надесно док n остаје 3.

Атомски полупречник и изоелектронски јони

Атомски полупречник опада дуж периоде јер Zeff расте док спољашњи електрони остају у истој љусци, па су привучени ближе. Расте низ групу јер свака периода додаје љуску, постављајући спољашње електроне даље, док се Zeff релативно мало мења. Највећи атоми су доле лево у табели, а најмањи горе десно.

Катјон је мањи од свог матичног атома: губитак електрона смањује одбијање, а код катјона главних група обично испразни спољашњу љуску. Анјон је већи од свог матичног атома, јер додати електрон повећава одбијање док наелектрисање језгра остаје исто.

Решени пример 2. Поређајте N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ и Al³⁺ по полупречнику. Прво пребројте електроне: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 и 13 − 3 сви су једнаки 10, па сваки јон има конфигурацију неона 1s² 2s² 2p⁶. Са истим бројем електрона, једина разлика је наелектрисање језгра, које расте од 7 до 13. Више протона јаче привлачи исти електронски облак, па је редослед N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Прва енергија јонизације и њени изузеци у подљускама

Прва енергија јонизације је енергија потребна да се уклони најслабије везан електрон из гасовитог атома: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Она углавном расте дуж периоде, како Zeff расте а полупречник се смањује, и опада низ групу. NIST наводи енергије јонизације у електрон-волтима по атому; множењем са 96.485 kJ/mol по eV претварају се у моларне јединице.

Претворене из NIST Atomic Spectra Database, вредности за 2. периоду су Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 и Ne 2080.7 kJ/mol. Два корака иду у погрешном смеру. Бор је испод берилијума јер је његов најудаљенији електрон у 2p, која је виша по енергији и делимично заклоњена паром 2s. Кисеоник је испод азота јер његов четврти 2p електрон мора да се упари у попуњеној орбитали, а додатно одбијање олакшава његово уклањање.

Иста два пада јављају се у 3. периоди: алуминијум (577.5 kJ/mol) је испод магнезијума (737.7 kJ/mol), а сумпор (999.6 kJ/mol) испод фосфора (1011.8 kJ/mol). Поновљени образац показује да потиче од структуре подљуски, а не од једног необичног елемента.

Узастопне енергије јонизације и валентни електрони

Свака следећа енергија јонизације већа је од претходне, јер сваки електрон напушта све позитивнији јон. Корисна информација је величина сваког скока. Умерен пораст значи да следећи електрон долази из исте валентне љуске; веома велик скок значи да мора доћи из језгра, које је ближе атомском језгру и далеко мање заклоњено.

Решени пример 3. NIST даје прве три енергије јонизације магнезијума као 7.646, 15.035 и 80.144 eV. Претварање: 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. Однос IE₂/IE₁ је 1450.7 / 737.7 = 1.97, али је IE₃/IE₂ 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Велики скок после другог електрона показује да магнезијум има два валентна електрона, [Ne] 3s², и објашњава зашто гради Mg²⁺, али не и Mg³⁺ у обичној хемији.

Натријум показује скок један корак раније. Његова друга енергија јонизације, 4562.4 kJ/mol, око 9.2 пута је већа од прве, 495.8 kJ/mol, јер други електрон мора доћи из 2p језгра.

Афинитет према електрону и електронегативност

Афинитет према електрону описује промену енергије када гасовити атом прими електрон: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Конвенције о знаку се разликују. Неки уџбеници, укључујући OpenStax, наводе промену енергије, која је негативна када се енергија ослобађа; други наводе ослобођену енергију као позитиван број. Проверите конвенцију пре поређења вредности. Осим племенитих гасова, атоми ка десном крају периоде ослобађају највише енергије, јер њихов високи Zeff снажно привлачи придошли електрон.

Афинитет према електрону мање је правилан од енергије јонизације. Хлор ослобађа више енергије од флуора, око 349 kJ/mol у поређењу са 328 kJ/mol, на основу NIST Chemistry WebBook вредности од 3.613 и 3.401 eV. Додати електрон у компактној 2p подљусци флуора наилази на јаче одбијање. Берилијум, азот и племенити гасови имају мало или нимало склоности да граде стабилне гасовите анјоне, јер би додати електрон ушао у вишу подљуску или се упарио у полупопуњеној.

Електронегативност је способност атома у молекулу да привлачи електроне везе. За разлику од енергије јонизације, не мери се на изолованом атому; изводи се из енергија веза или других података, а Паулингова скала је најраспрострањенија. Флуор је највиши, са око 4.0. Електронегативност расте дуж периоде и опада низ групу, па поларност везе опада од H–F преко H–Cl и H–Br до H–I.

Уобичајене грешке при објашњавању периодичних трендова

Питања о трендовима обично се оцењују по објашњењу, а не само по редоследу.

Потпуно објашњење именује поређење (иста љуска или различита љуска), наводи шта се дешава са Zeff или растојањем и повезује ту промену са силом на електрон о ком је реч.

• Тврдња да је атом мањи зато што има више електрона. Дуж периоде електрони улазе у исту љуску; величина опада јер Zeff расте.
• Објашњавање тренда у групи само „више љуски“, без напомене да се Zeff мало мења низ групу.
• Третирање енергије јонизације као строго растуће дуж периоде. Проверите кораке од 2. до 13. групе и од 15. до 16. групе.
• Поређење јона по наелектрисању језгра без претходне провере да ли су изоелектронски.
• Мешање конвенција о знаку афинитета према електрону и закључак да је негативнији број мањи афинитет.
• Поређење полупречника из различитих табела. Ковалентни, метални и јонски полупречници дефинисани су различито.
• Објашњавање оним што атом „жели“. Атоми немају циљеве; објашњавајте привлачењем, растојањем и одбијањем.