Periyodik Özellikler: Etkin Çekirdek Yükü, Boyut ve Enerji

Etkin çekirdek yükü ve perdeleme

Dış bir elektron, çekirdek yükü Z'nin tamamını hissetmez. Çekirdeğe daha yakın elektronlar onu kısmen dengeler ve net çekim, Zeff = Z − S olan etkin çekirdek yüküyle tanımlanır; burada S bir perdeleme sabitidir. Alt kabuklardaki iç elektronlar iyi perdeler. Aynı kabuktaki elektronlar kötü perdeler, çünkü ortalama olarak söz konusu elektrondan çekirdeğe daha yakın değildirler.

Kaba bir tahmin yalnızca iç elektronları sayar. Sodyum (Z = 11) ve klor (Z = 17) ikisi de 10 iç elektrona sahiptir; bu yüzden sodyumun 3s elektronu yaklaşık +1, klorun 3p elektronları yaklaşık +7 hisseder. Slater kuralları bunu inceltir. Bir ns veya np alt kabuğundaki bir elektron için, aynı ns ve np alt kabuklarındaki her diğer elektron S'ye 0.35 ekler (1s içinde 0.30), n − 1 kabuğundaki her elektron 0.85 ekler ve daha derin kabuklardaki her elektron 1.00 ekler.

Çözümlü örnek 1. Sodyumun 3s elektronu için S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80; dolayısıyla Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Klorun 3p elektronlarından biri için S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90; dolayısıyla Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. 3. periyot boyunca eklenen her proton, eklenen aynı kabuk elektronuyla yalnızca kısmen dengelenir; bu yüzden n 3'te kalırken Zeff soldan sağa yükselir.

Atom yarıçapı ve izoelektronik iyonlar

Atom yarıçapı bir periyot boyunca azalır, çünkü dış elektronlar aynı kabukta kalırken Zeff artar; bu yüzden daha yakına çekilirler. Bir grup boyunca aşağı doğru artar, çünkü her periyot bir kabuk ekler ve dış elektronları daha dışa yerleştirirken Zeff nispeten az değişir. En büyük atomlar tablonun sol altında, en küçükler sağ üstündedir.

Bir katyon ana atomundan küçüktür: elektron kaybetmek itmeyi azaltır ve ana grup katyonlarında genellikle dış kabuğu boşaltır. Bir anyon ana atomundan büyüktür, çünkü eklenen elektron çekirdek yükü aynı kalırken itmeyi artırır.

Çözümlü örnek 2. N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ ve Al³⁺'ı yarıçapa göre sıralayın. Önce elektronları sayın: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 ve 13 − 3'ün hepsi 10'a eşittir; dolayısıyla her iyon 1s² 2s² 2p⁶ neon dizilimine sahiptir. Elektron sayıları özdeş olduğundan tek fark, 7'den 13'e yükselen çekirdek yüküdür. Daha fazla proton aynı elektron bulutunu daha sıkı çeker; bu yüzden sıra N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺ olur.

Birinci iyonlaşma enerjisi ve alt kabuk istisnaları

Birinci iyonlaşma enerjisi, gaz hâlindeki bir atomdan en gevşek tutulan elektronu uzaklaştırmak için gereken enerjidir: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Zeff yükselip yarıçap küçüldükçe bir periyot boyunca genellikle artar ve bir grup boyunca aşağı doğru azalır. NIST iyonlaşma enerjilerini atom başına elektron volt olarak listeler; bunları eV başına 96.485 kJ/mol ile çarpmak molar birimlere çevirir.

NIST Atomic Spectra Database'ten dönüştürülen 2. periyot değerleri Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 ve Ne 2080.7 kJ/mol'dür. İki adım ters yöne gider. Bor berilyumun altındadır, çünkü en dış elektronu enerjice daha yüksek olan ve 2s çiftiyle kısmen perdelenen 2p'dedir. Oksijen azotun altındadır, çünkü dördüncü 2p elektronu dolu bir orbitalde eşleşmek zorundadır ve ek itme onu uzaklaştırmayı kolaylaştırır.

Aynı iki çukur 3. periyotta da görülür: alüminyum (577.5 kJ/mol) magnezyumun (737.7 kJ/mol) altındadır ve kükürt (999.6 kJ/mol) fosforun (1011.8 kJ/mol) altındadır. Tekrarlanan örüntü, bunun tek bir tuhaf elementten değil alt kabuk yapısından kaynaklandığını gösterir.

Ardışık iyonlaşma enerjileri ve değerlik elektronları

Her ardışık iyonlaşma enerjisi bir öncekinden büyüktür, çünkü her elektron giderek daha pozitif bir iyondan ayrılır. Her sıçramanın büyüklüğü yararlı bilgidir. Ilımlı bir artış, sonraki elektronun aynı değerlik kabuğundan geldiği anlamına gelir; çok büyük bir sıçrama, elektronun çekirdeğe daha yakın ve çok daha az perdelenmiş olan iç kabuktan gelmesi gerektiği anlamına gelir.

Çözümlü örnek 3. NIST, magnezyumun ilk üç iyonlaşma enerjisini 7.646, 15.035 ve 80.144 eV olarak verir. Dönüştürme: 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. IE₂/IE₁ oranı 1450.7 / 737.7 = 1.97'dir, ancak IE₃/IE₂ 7732.7 / 1450.7 = 5.33'tür. İkinci elektrondan sonraki büyük sıçrama, magnezyumun iki değerlik elektronu, [Ne] 3s², olduğunu gösterir ve olağan kimyada neden Mg²⁺ oluşturduğunu ama Mg³⁺ oluşturmadığını açıklar.

Sodyum sıçramayı bir adım önce gösterir. İkinci iyonlaşma enerjisi, 4562.4 kJ/mol, birincisinin, 495.8 kJ/mol, yaklaşık 9.2 katıdır; çünkü ikinci elektron 2p iç kabuğundan gelmek zorundadır.

Elektron ilgisi ve elektronegatiflik

Elektron ilgisi, gaz hâlindeki bir atom bir elektron kazandığında olan enerji değişimini tanımlar: X(g) + e⁻ → X⁻(g). İşaret gelenekleri farklıdır. OpenStax dâhil bazı ders kitapları, enerji açığa çıktığında negatif olan enerji değişimini bildirir; diğerleri açığa çıkan enerjiyi pozitif bir sayı olarak bildirir. Değerleri karşılaştırmadan önce geleneği kontrol edin. Soygazlar dışında, bir periyodun sağına doğru atomlar en çok enerji açığa çıkarır, çünkü yüksek Zeff'leri gelen elektronu güçlü biçimde çeker.

Elektron ilgisi iyonlaşma enerjisinden daha az düzenlidir. Klor, NIST Chemistry WebBook'un 3.613 ve 3.401 eV değerlerine dayanarak florden daha fazla enerji açığa çıkarır; yaklaşık 349 kJ/mol'e karşılık 328 kJ/mol. Florun kompakt 2p alt kabuğuna eklenen elektron daha güçlü itmeyle karşılaşır. Berilyum, azot ve soygazların kararlı gaz hâlindeki anyonlar oluşturma eğilimi çok azdır ya da yoktur, çünkü eklenen elektron daha yüksek bir alt kabuğa girer veya yarı dolu bir alt kabukta eşleşir.

Elektronegatiflik, bir moleküldeki atomun bir bağın elektronlarını çekme yeteneğidir. İyonlaşma enerjisinden farklı olarak yalıtılmış bir atom üzerinde ölçülmez; bağ enerjilerinden veya diğer verilerden türetilir ve en yaygın kullanılan ölçek Pauling ölçeğidir. Flor yaklaşık 4.0 ile en yüksektir. Elektronegatiflik bir periyot boyunca artar ve bir grup boyunca aşağı doğru azalır; bu yüzden bağ polarlığı H–F'den H–Cl ve H–Br üzerinden H–I'ya doğru düşer.

Periyodik özellikleri açıklarken yaygın hatalar

Eğilim soruları genellikle yalnızca sıraya değil, açıklamaya göre değerlendirilir.

Eksiksiz bir açıklama karşılaştırmayı adlandırır (aynı kabuk veya farklı bir kabuk), Zeff'e veya uzaklığa ne olduğunu belirtir ve bu değişimi söz konusu elektron üzerindeki kuvvete bağlar.

• Bir atomun daha çok elektronu olduğu için daha küçük olduğunu söylemek. Bir periyot boyunca elektronlar aynı kabuğa girer; boyut Zeff yükseldiği için küçülür.
• Bir grup eğilimini, Zeff'in grup boyunca aşağı doğru az değiştiğini belirtmeden yalnızca 'daha çok kabuk' ile açıklamak.
• İyonlaşma enerjisini bir periyot boyunca kesin biçimde artan saymak. 2. ile 13. grup ve 15. ile 16. grup adımlarını kontrol edin.
• İyonları, izoelektronik olduklarını önce kontrol etmeden çekirdek yüküne göre karşılaştırmak.
• Elektron ilgisi işaret geleneklerini karıştırmak ve daha negatif sayının daha küçük ilgi olduğu sonucuna varmak.
• Farklı tablolardan yarıçapları karşılaştırmak. Kovalent, metalik ve iyonik yarıçaplar farklı tanımlanır.
• Bir atomun 'ne istediğiyle' açıklamak. Atomların amaçları yoktur; çekim, uzaklık ve itme ile açıklayın.