ఆవర్తన ధోరణులు: ప్రభావవంతమైన కేంద్రక ఆవేశం, పరిమాణం, శక్తి

ప్రభావవంతమైన కేంద్రక ఆవేశం, రక్షణ

బాహ్య ఎలక్ట్రాన్ పూర్తి కేంద్రక ఆవేశం Z ను అనుభవించదు. కేంద్రకానికి దగ్గరగా ఉన్న ఎలక్ట్రాన్‌లు దాన్ని పాక్షికంగా రద్దు చేస్తాయి, నికర లాగడాన్ని ప్రభావవంతమైన కేంద్రక ఆవేశం, Zeff = Z − S, వివరిస్తుంది, ఇక్కడ S రక్షణ స్థిరాంకం. దిగువ కర్పరాల్లోని కోర్ ఎలక్ట్రాన్‌లు బాగా రక్షిస్తాయి. అదే కర్పరంలోని ఎలక్ట్రాన్‌లు బలహీనంగా రక్షిస్తాయి, ఎందుకంటే సగటున అవి సంబంధిత ఎలక్ట్రాన్ కంటే కేంద్రకానికి దగ్గరగా ఉండవు.

ఒక స్థూల అంచనా కోర్ ఎలక్ట్రాన్‌లను మాత్రమే లెక్కిస్తుంది. సోడియం (Z = 11), క్లోరిన్ (Z = 17) రెండింటికీ 10 కోర్ ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉన్నాయి, కాబట్టి సోడియం 3s ఎలక్ట్రాన్ సుమారు +1 ను, క్లోరిన్ 3p ఎలక్ట్రాన్‌లు సుమారు +7 ను అనుభవిస్తాయి. స్లేటర్ నియమాలు దీన్ని మెరుగుపరుస్తాయి. ns లేదా np ఉపకర్పరంలోని ఎలక్ట్రాన్‌కు, అదే ns, np ఉపకర్పరాలలోని ప్రతి ఇతర ఎలక్ట్రాన్ S కు 0.35 కలుపుతుంది (1s లో 0.30), n − 1 కర్పరంలోని ప్రతి ఎలక్ట్రాన్ 0.85 కలుపుతుంది, లోతైన కర్పరాల్లోని ప్రతి ఎలక్ట్రాన్ 1.00 కలుపుతుంది.

సాధన ఉదాహరణ 1. సోడియం 3s ఎలక్ట్రాన్‌కు, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, కాబట్టి Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. క్లోరిన్ 3p ఎలక్ట్రాన్‌లలో ఒకదానికి, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, కాబట్టి Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. 3వ ఆవర్తనంలో అడ్డంగా, జోడించిన ప్రతి ప్రోటాన్ అదే కర్పరంలో జోడించిన ఎలక్ట్రాన్ ద్వారా పాక్షికంగా మాత్రమే సమం అవుతుంది, కాబట్టి n 3 గానే ఉండగా Zeff ఎడమ నుండి కుడికి పెరుగుతుంది.

పరమాణు వ్యాసార్ధం, సమఎలక్ట్రానిక్ అయాన్‌లు

Zeff పెరుగుతూ బాహ్య ఎలక్ట్రాన్‌లు అదే కర్పరంలో ఉండటం వల్ల అవి దగ్గరగా లాగబడి, ఆవర్తనంలో అడ్డంగా పరమాణు వ్యాసార్ధం తగ్గుతుంది. ప్రతి ఆవర్తనం ఒక కర్పరాన్ని జోడించి బాహ్య ఎలక్ట్రాన్‌లను మరింత దూరంలో ఉంచగా, Zeff తులనాత్మకంగా కొద్దిగా మాత్రమే మారడం వల్ల, గ్రూపులో కిందికి అది పెరుగుతుంది. అతిపెద్ద పరమాణువులు పట్టికలో కింద ఎడమవైపు, అతిచిన్నవి పై కుడివైపు ఉంటాయి.

కాటయాన్ దాని మాతృ పరమాణువు కంటే చిన్నది: ఎలక్ట్రాన్‌లను కోల్పోవడం వికర్షణను తగ్గిస్తుంది, ప్రధాన గ్రూపు కాటయాన్‌లకు ఇది సాధారణంగా బాహ్య కర్పరాన్ని ఖాళీ చేస్తుంది. ఆనయాన్ దాని మాతృ పరమాణువు కంటే పెద్దది, ఎందుకంటే కేంద్రక ఆవేశం మారకుండా జోడించిన ఎలక్ట్రాన్ వికర్షణను పెంచుతుంది.

సాధన ఉదాహరణ 2. N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺ లను వ్యాసార్ధం ప్రకారం క్రమబద్ధీకరించండి. ముందు ఎలక్ట్రాన్‌లను లెక్కించండి: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2, 13 − 3 అన్నీ 10 కి సమానం, కాబట్టి ప్రతి అయాన్‌కు నియాన్ విన్యాసం 1s² 2s² 2p⁶ ఉంటుంది. ఒకే ఎలక్ట్రాన్ సంఖ్యలతో, ఏకైక తేడా కేంద్రక ఆవేశం, ఇది 7 నుండి 13 కు పెరుగుతుంది. ఎక్కువ ప్రోటాన్‌లు అదే ఎలక్ట్రాన్ మేఘాన్ని మరింత గట్టిగా లాగుతాయి, కాబట్టి క్రమం N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

మొదటి అయనీకరణ శక్తి, దాని ఉపకర్పర అపవాదాలు

మొదటి అయనీకరణ శక్తి అంటే వాయు పరమాణువు నుండి అత్యంత వదులుగా పట్టుకున్న ఎలక్ట్రాన్‌ను తొలగించడానికి అవసరమైన శక్తి: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Zeff పెరిగి వ్యాసార్ధం తగ్గుతున్నందున ఇది సాధారణంగా ఆవర్తనంలో అడ్డంగా పెరుగుతుంది, గ్రూపులో కిందికి తగ్గుతుంది. NIST అయనీకరణ శక్తులను పరమాణువుకు ఎలక్ట్రాన్ వోల్ట్‌లలో జాబితా చేస్తుంది; వాటిని eV కు 96.485 kJ/mol తో గుణిస్తే మోలార్ ప్రమాణాలలోకి మారతాయి.

NIST Atomic Spectra Database నుండి మార్చిన 2వ ఆవర్తన విలువలు Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0, Ne 2080.7 kJ/mol. రెండు అడుగులు తప్పు దిశలో వెళ్తాయి. బోరాన్ బెరీలియం కంటే తక్కువ, ఎందుకంటే దాని బాహ్యతమ ఎలక్ట్రాన్ 2p లో ఉంది, ఇది ఎక్కువ శక్తిలో ఉండి 2s జత ద్వారా పాక్షికంగా రక్షించబడుతుంది. ఆక్సిజన్ నైట్రోజన్ కంటే తక్కువ, ఎందుకంటే దాని నాలుగో 2p ఎలక్ట్రాన్ ఆక్రమించబడిన ఆర్బిటాల్‌లో జత కట్టాలి, అదనపు వికర్షణ దాన్ని తొలగించడం సులభం చేస్తుంది.

అదే రెండు తగ్గుదలలు 3వ ఆవర్తనంలోనూ కనిపిస్తాయి: అల్యూమినియం (577.5 kJ/mol) మెగ్నీషియం (737.7 kJ/mol) కంటే తక్కువ, సల్ఫర్ (999.6 kJ/mol) ఫాస్ఫరస్ (1011.8 kJ/mol) కంటే తక్కువ. పునరావృతమయ్యే ఈ నమూనా అది ఒక విచిత్ర మూలకం నుండి కాక, ఉపకర్పర నిర్మాణం నుండి వస్తుందని చూపుతుంది.

వరుస అయనీకరణ శక్తులు, సంయోజకత ఎలక్ట్రాన్‌లు

ప్రతి వరుస అయనీకరణ శక్తి మునుపటి దాని కంటే ఎక్కువ, ఎందుకంటే ప్రతి ఎలక్ట్రాన్ క్రమంగా ఎక్కువ ధనాత్మకమవుతున్న అయాన్ నుండి బయటకు వెళ్తుంది. ప్రతి జంప్ పరిమాణమే ఉపయోగకరమైన సమాచారం. మితమైన పెరుగుదల అంటే తదుపరి ఎలక్ట్రాన్ అదే సంయోజకత కర్పరం నుండి వస్తుందని అర్థం; చాలా పెద్ద జంప్ అంటే అది కోర్ నుండి రావాలని, అది కేంద్రకానికి దగ్గరగా ఉండి చాలా తక్కువగా రక్షించబడుతుందని అర్థం.

సాధన ఉదాహరణ 3. NIST మెగ్నీషియం మొదటి మూడు అయనీకరణ శక్తులను 7.646, 15.035, 80.144 eV గా ఇస్తుంది. మార్చగా: 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. నిష్పత్తి IE₂/IE₁ 1450.7 / 737.7 = 1.97, కానీ IE₃/IE₂ 7732.7 / 1450.7 = 5.33. రెండో ఎలక్ట్రాన్ తర్వాత పెద్ద జంప్ మెగ్నీషియంకు రెండు సంయోజకత ఎలక్ట్రాన్‌లు, [Ne] 3s², ఉన్నాయని చూపుతుంది, సాధారణ రసాయనశాస్త్రంలో అది Mg²⁺ ను ఎందుకు ఏర్పరుస్తుందో కానీ Mg³⁺ ను ఎందుకు ఏర్పరచదో వివరిస్తుంది.

సోడియం జంప్‌ను ఒక అడుగు ముందే చూపుతుంది. దాని రెండో అయనీకరణ శక్తి, 4562.4 kJ/mol, దాని మొదటి దానికి, 495.8 kJ/mol, సుమారు 9.2 రెట్లు, ఎందుకంటే రెండో ఎలక్ట్రాన్ 2p కోర్ నుండి రావాలి.

ఎలక్ట్రాన్ ఎఫినిటీ, విద్యుదృణాత్మకత

ఎలక్ట్రాన్ ఎఫినిటీ వాయు పరమాణువు ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ను పొందినప్పుడు శక్తి మార్పును వివరిస్తుంది: X(g) + e⁻ → X⁻(g). గుర్తు సంప్రదాయాలు భిన్నంగా ఉంటాయి. OpenStax సహా కొన్ని పాఠ్యపుస్తకాలు శక్తి మార్పును నివేదిస్తాయి, శక్తి విడుదలైతే అది ఋణాత్మకం; మరికొన్ని విడుదలైన శక్తిని ధనాత్మక సంఖ్యగా నివేదిస్తాయి. విలువలను పోల్చే ముందు సంప్రదాయాన్ని సరిచూడండి. జడ వాయువులు తప్ప, ఆవర్తనానికి కుడివైపు ఉన్న పరమాణువులు అత్యధిక శక్తిని విడుదల చేస్తాయి, ఎందుకంటే వాటి అధిక Zeff వచ్చే ఎలక్ట్రాన్‌ను బలంగా ఆకర్షిస్తుంది.

ఎలక్ట్రాన్ ఎఫినిటీ అయనీకరణ శక్తి కంటే తక్కువ క్రమబద్ధం. NIST Chemistry WebBook విలువలు 3.613, 3.401 eV ఆధారంగా, క్లోరిన్ ఫ్లోరిన్ కంటే ఎక్కువ శక్తిని విడుదల చేస్తుంది, సుమారు 349 kJ/mol కు 328 kJ/mol. ఫ్లోరిన్ కాంపాక్ట్ 2p ఉపకర్పరంలో జోడించిన ఎలక్ట్రాన్ ఎక్కువ వికర్షణను ఎదుర్కొంటుంది. బెరీలియం, నైట్రోజన్, జడ వాయువులకు స్థిరమైన వాయు ఆనయాన్‌లను ఏర్పరచే ప్రవృత్తి తక్కువ లేదా లేదు, ఎందుకంటే జోడించిన ఎలక్ట్రాన్ ఎక్కువ ఉపకర్పరంలోకి ప్రవేశించాలి లేదా సగం నిండిన దానిలో జత కట్టాలి.

విద్యుదృణాత్మకత అంటే అణువులోని పరమాణువు బంధం ఎలక్ట్రాన్‌లను ఆకర్షించే సామర్థ్యం. అయనీకరణ శక్తి వలె కాకుండా, దాన్ని వివిక్త పరమాణువుపై కొలవరు; అది బంధ శక్తులు లేదా ఇతర డేటా నుండి ఉత్పన్నం చేయబడుతుంది, పౌలింగ్ మానం అత్యధికంగా ఉపయోగించబడుతుంది. ఫ్లోరిన్ అత్యధికం, సుమారు 4.0. విద్యుదృణాత్మకత ఆవర్తనంలో అడ్డంగా పెరుగుతుంది, గ్రూపులో కిందికి తగ్గుతుంది, కాబట్టి బంధ ధ్రువణత H–F నుండి H–Cl, H–Br ల ద్వారా H–I కు తగ్గుతుంది.

ఆవర్తన ధోరణులను వివరించడంలో సాధారణ తప్పులు

ధోరణి ప్రశ్నలను సాధారణంగా క్రమాన్ని బట్టి మాత్రమే కాక, వివరణను బట్టి మూల్యాంకనం చేస్తారు.

పూర్తి వివరణ పోలికకు పేరు పెడుతుంది (అదే కర్పరం లేదా వేరే కర్పరం), Zeff కు లేదా దూరానికి ఏమి జరుగుతుందో చెబుతుంది, ఆ మార్పును సంబంధిత ఎలక్ట్రాన్‌పై బలంతో కలుపుతుంది.

• ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉన్నందున పరమాణువు చిన్నదని చెప్పడం. ఆవర్తనంలో అడ్డంగా, ఎలక్ట్రాన్‌లు అదే కర్పరంలోకి చేరతాయి; Zeff పెరగడం వల్ల పరిమాణం తగ్గుతుంది.
• గ్రూపులో కిందికి Zeff కొద్దిగా మాత్రమే మారుతుందని గమనించకుండా, 'ఎక్కువ కర్పరాలు' అనే దానితో మాత్రమే గ్రూప్ ధోరణిని వివరించడం.
• అయనీకరణ శక్తి ఆవర్తనంలో అడ్డంగా ఖచ్చితంగా పెరుగుతుందని భావించడం. 2వ నుండి 13వ గ్రూపు, 15వ నుండి 16వ గ్రూపు అడుగులను సరిచూడండి.
• అయాన్‌లు సమఎలక్ట్రానిక్ అని ముందు సరిచూడకుండా కేంద్రక ఆవేశం ద్వారా వాటిని పోల్చడం.
• ఎలక్ట్రాన్ ఎఫినిటీ గుర్తు సంప్రదాయాలను కలపడం, మరింత ఋణాత్మక సంఖ్య తక్కువ ఎఫినిటీ అని నిర్ణయించడం.
• వేర్వేరు పట్టికల నుండి వ్యాసార్ధాలను పోల్చడం. సహసంయోజక, లోహ, అయానిక వ్యాసార్ధాలు వేరుగా నిర్వచించబడతాయి.
• పరమాణువు 'కోరుకునే' దానితో వివరించడం. పరమాణువులకు లక్ష్యాలు ఉండవు; ఆకర్షణ, దూరం, వికర్షణతో వివరించండి.