Davriy tendensiyalar: effektiv yadro zaryadi, o'lcham va energiya

Effektiv yadro zaryadi va ekranlash

Tashqi elektron yadroning to'liq Z zaryadini his qilmaydi. Yadroga yaqinroq elektronlar uni qisman bekor qiladi va sof tortishish effektiv yadro zaryadi bilan tavsiflanadi: Zeff = Z − S, bunda S — ekranlash doimiysi. Pastroq qobiqlardagi ichki elektronlar yaxshi ekranlaydi. Bir qobiqdagi elektronlar yomon ekranlaydi, chunki o'rtacha ular ko'rilayotgan elektrondan yadroga yaqinroq emas.

Taxminiy baho faqat ichki elektronlarni sanaydi. Natriy (Z = 11) va xlor (Z = 17) ikkalasida ham 10 ta ichki elektron bor, shuning uchun natriyning 3s elektroni taxminan +1, xlorning 3p elektronlari taxminan +7 ni his qiladi. Sleyter qoidalari buni aniqlashtiradi. ns yoki np qobiqchadagi elektron uchun o'sha ns va np qobiqchalardagi har bir boshqa elektron S ga 0.35 qo'shadi (1s ichida 0.30), n − 1 qobiqdagi har bir elektron 0.85 qo'shadi, chuqurroq qobiqlardagi har bir elektron 1.00 qo'shadi.

1-yechilgan misol. Natriyning 3s elektroni uchun S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, demak Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Xlorning 3p elektronlaridan biri uchun S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, demak Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. 3-davr bo'ylab har bir qo'shilgan proton qo'shilgan bir qobiqdagi elektron bilan faqat qisman muvozanatlanadi, shuning uchun n 3 bo'lib qolganda Zeff chapdan o'ngga ortadi.

Atom radiusi va izoelektron ionlar

Atom radiusi davr bo'ylab kamayadi, chunki Zeff ortadi, tashqi elektronlar esa bir qobiqda qoladi va yaqinroq tortiladi. U guruh bo'ylab pastga ortadi, chunki har bir davr bitta qobiq qo'shadi va tashqi elektronlarni uzoqroqqa joylashtiradi, Zeff esa nisbatan kam o'zgaradi. Eng katta atomlar jadvalning pastki chapida, eng kichiklari yuqori o'ngida.

Kation o'z ona atomidan kichik: elektronlarni yo'qotish itarishni kamaytiradi va asosiy guruh kationlari uchun odatda tashqi qobiqni bo'shatadi. Anion o'z ona atomidan katta, chunki qo'shilgan elektron itarishni oshiradi, yadro zaryadi esa o'zgarmaydi.

2-yechilgan misol. N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ va Al³⁺ ni radius bo'yicha tartiblang. Avval elektronlarni sanang: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 va 13 − 3 hammasi 10 ga teng, shuning uchun har bir ion neon konfiguratsiyasi 1s² 2s² 2p⁶ ga ega. Elektronlar soni bir xil bo'lganda yagona farq yadro zaryadi bo'lib, u 7 dan 13 gacha ortadi. Ko'proq protonlar bir xil elektron bulutini ko'proq tortadi, shuning uchun tartib: N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Birinchi ionlanish energiyasi va uning qobiqcha istisnolari

Birinchi ionlanish energiyasi — gazsimon atomdan eng bo'sh tutilgan elektronni olib tashlash uchun kerak bo'lgan energiya: X(g) → X⁺(g) + e⁻. U odatda davr bo'ylab ortadi, chunki Zeff ortadi va radius kamayadi, guruh bo'ylab pastga kamayadi. NIST ionlanish energiyalarini atomga elektron-voltlarda beradi; har bir eV uchun 96.485 kJ/mol ga ko'paytirish ularni molyar birliklarga o'zgartiradi.

NIST Atomic Spectra Database dan o'zgartirilgan 2-davr qiymatlari: Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 va Ne 2080.7 kJ/mol. Ikki qadam noto'g'ri tomonga ketadi. Bor berilliydan past, chunki uning eng tashqi elektroni 2p da bo'lib, u energiya jihatidan yuqoriroq va 2s juft tomonidan qisman ekranlangan. Kislorod azotdan past, chunki uning to'rtinchi 2p elektroni band orbitalda juftlashishi kerak va qo'shimcha itarish uni olib tashlashni osonlashtiradi.

Xuddi shu ikki pasayish 3-davrda ham paydo bo'ladi: alyuminiy (577.5 kJ/mol) magniydan (737.7 kJ/mol) past, oltingugurt (999.6 kJ/mol) esa fosfordan (1011.8 kJ/mol) past. Takrorlanuvchi qonuniyat buning bitta g'alati elementdan emas, qobiqcha tuzilishidan kelib chiqishini ko'rsatadi.

Ketma-ket ionlanish energiyalari va valent elektronlar

Har bir keyingi ionlanish energiyasi oldingisidan katta, chunki har bir elektron tobora musbatroq ionidan ketadi. Foydali ma'lumot har bir sakrashning kattaligida. O'rtacha ortish keyingi elektron o'sha valent qobiqdan kelishini bildiradi; juda katta sakrash esa u yadroga yaqinroq va ancha kam ekranlangan ichki qismdan kelishi kerakligini bildiradi.

3-yechilgan misol. NIST magniyning dastlabki uchta ionlanish energiyasini 7.646, 15.035 va 80.144 eV deb beradi. O'zgartirish: 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 nisbati 1450.7 / 737.7 = 1.97, lekin IE₃/IE₂ 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Ikkinchi elektrondan keyingi katta sakrash magniyda ikkita valent elektron borligini, [Ne] 3s², ko'rsatadi va nima uchun u oddiy kimyoda Mg²⁺ hosil qilishini, Mg³⁺ni esa hosil qilmasligini tushuntiradi.

Natriy sakrashni bir qadam oldinroq ko'rsatadi. Uning ikkinchi ionlanish energiyasi, 4562.4 kJ/mol, birinchisidan, 495.8 kJ/mol, taxminan 9.2 barobar ko'p, chunki ikkinchi elektron 2p ichki qismdan kelishi kerak.

Elektronga moyillik va elektrmanfiylik

Elektronga moyillik gazsimon atom elektron qabul qilgandagi energiya o'zgarishini ifodalaydi: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Ishora kelishuvlari farq qiladi. OpenStax kabi ba'zi darsliklar energiya o'zgarishini keltiradi, energiya ajralganda u manfiy; boshqalari ajralgan energiyani musbat son sifatida keltiradi. Qiymatlarni solishtirishdan oldin kelishuvni tekshiring. Nodir gazlardan tashqari, davrning o'ng tomonidagi atomlar eng ko'p energiya ajratadi, chunki ularning yuqori Zeff i kirayotgan elektronni kuchli tortadi.

Elektronga moyillik ionlanish energiyasiga qaraganda kamroq muntazam. Xlor ftordan ko'proq energiya ajratadi, taxminan 349 kJ/mol ga nisbatan 328 kJ/mol, NIST Chemistry WebBook ning 3.613 va 3.401 eV qiymatlari asosida. Ftorning ixcham 2p qobiqchasidagi qo'shilgan elektron kuchliroq itarishga duch keladi. Berilliy, azot va nodir gazlar barqaror gazsimon anionlar hosil qilishga kam yoki umuman moyil emas, chunki qo'shilgan elektron yuqoriroq qobiqchaga kirishi yoki yarim to'lgan qobiqchada juftlashishi kerak bo'lardi.

Elektrmanfiylik — molekuladagi atomning bog' elektronlarini tortish qobiliyati. Ionlanish energiyasidan farqli, u yakkalangan atomda o'lchanmaydi; u bog' energiyalari yoki boshqa ma'lumotlardan hosil qilinadi, eng keng qo'llaniladigani Poling shkalasi. Ftor eng yuqori, taxminan 4.0. Elektrmanfiylik davr bo'ylab ortadi va guruh bo'ylab pastga kamayadi, shuning uchun bog' qutbliligi H–F dan H–Cl va H–Br orqali H–I gacha kamayadi.

Davriy tendensiyalarni tushuntirishdagi keng tarqalgan xatolar

Tendensiya savollari odatda faqat tartibga emas, tushuntirishga ham baho beriladi.

To'liq tushuntirish taqqoslashni nomlaydi (bir xil qobiq yoki boshqa qobiq), Zeff yoki masofa bilan nima bo'lishini bayon qiladi va bu o'zgarishni ko'rilayotgan elektronga ta'sir qiluvchi kuchga bog'laydi.

• Atom ko'proq elektronga ega bo'lgani uchun kichik deyish. Davr bo'ylab elektronlar bir qobiqqa kiradi; o'lcham Zeff ortgani uchun kamayadi.
• Guruh tendensiyasini faqat «ko'proq qobiqlar» bilan, guruh bo'ylab pastga Zeff kam o'zgarishini ta'kidlamasdan tushuntirish.
• Ionlanish energiyasini davr bo'ylab qat'iy ortuvchi deb hisoblash. 2-guruhdan 13-guruhga va 15-guruhdan 16-guruhga o'tishlarni tekshiring.
• Ionlarni avval izoelektron ekanini tekshirmasdan yadro zaryadi bo'yicha solishtirish.
• Elektronga moyillik ishora kelishuvlarini aralashtirish va manfiyroq sonni kichikroq moyillik deb xulosa qilish.
• Turli jadvallardagi radiuslarni solishtirish. Kovalent, metall va ionli radiuslar turlicha aniqlanadi.
• Atom nimani «xohlashi» bilan tushuntirish. Atomlarning maqsadi yo'q; tortishish, masofa va itarish bilan tushuntiring.