Xu hướng tuần hoàn: điện tích hạt nhân hiệu dụng, kích thước và năng lượng

Điện tích hạt nhân hiệu dụng và hiệu ứng chắn

Một electron ngoài không cảm nhận toàn bộ điện tích hạt nhân Z. Các electron gần hạt nhân hơn triệt tiêu một phần điện tích đó, và lực hút thực được mô tả bằng điện tích hạt nhân hiệu dụng, Zeff = Z − S, trong đó S là hằng số chắn. Các electron lõi, ở lớp thấp hơn, chắn tốt. Các electron cùng lớp chắn kém, vì trung bình chúng không gần hạt nhân hơn electron đang xét.

Một ước lượng thô chỉ đếm các electron lõi. Natri (Z = 11) và clo (Z = 17) đều có 10 electron lõi, nên electron 3s của natri cảm nhận khoảng +1 và các electron 3p của clo khoảng +7. Quy tắc Slater tinh chỉnh điều này. Với một electron ở phân lớp ns hoặc np, mỗi electron khác trong cùng các phân lớp ns và np cộng 0.35 vào S (0.30 trong 1s), mỗi electron ở lớp n − 1 cộng 0.85, và mỗi electron ở các lớp sâu hơn cộng 1.00.

Ví dụ có lời giải 1. Với electron 3s của natri, S = 8(0.85) + 2(1.00) = 8.80, nên Zeff = 11 − 8.80 = 2.20. Với một electron 3p của clo, S = 6(0.35) + 8(0.85) + 2(1.00) = 10.90, nên Zeff = 17 − 10.90 = 6.10. Qua chu kỳ 3, mỗi proton thêm vào chỉ được bù đắp một phần bởi electron cùng lớp thêm vào, nên Zeff tăng từ trái sang phải trong khi n giữ nguyên bằng 3.

Bán kính nguyên tử và các ion đẳng electron

Bán kính nguyên tử giảm dọc theo một chu kỳ vì Zeff tăng trong khi các electron ngoài vẫn ở cùng một lớp, nên chúng bị kéo lại gần hơn. Nó tăng đi xuống một nhóm vì mỗi chu kỳ thêm một lớp, đặt các electron ngoài xa hơn, trong khi Zeff thay đổi tương đối ít. Các nguyên tử lớn nhất nằm ở góc dưới bên trái của bảng và nhỏ nhất ở góc trên bên phải.

Cation nhỏ hơn nguyên tử mẹ của nó: mất electron làm giảm lực đẩy, và với cation nhóm chính thường làm trống lớp ngoài. Anion lớn hơn nguyên tử mẹ, vì electron thêm vào làm tăng lực đẩy trong khi điện tích hạt nhân giữ nguyên.

Ví dụ có lời giải 2. Xếp hạng N³⁻, O²⁻, F⁻, Na⁺, Mg²⁺ và Al³⁺ theo bán kính. Hãy đếm electron trước: 7 + 3, 8 + 2, 9 + 1, 11 − 1, 12 − 2 và 13 − 3 đều bằng 10, nên mọi ion đều có cấu hình neon 1s² 2s² 2p⁶. Với số electron giống hệt nhau, khác biệt duy nhất là điện tích hạt nhân, tăng từ 7 đến 13. Nhiều proton hơn kéo cùng đám mây electron chặt hơn, nên thứ tự là N³⁻ > O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺ > Al³⁺.

Năng lượng ion hóa thứ nhất và các ngoại lệ do phân lớp

Năng lượng ion hóa thứ nhất là năng lượng cần để tách electron liên kết yếu nhất khỏi một nguyên tử ở thể khí: X(g) → X⁺(g) + e⁻. Nó nhìn chung tăng dọc một chu kỳ, khi Zeff tăng và bán kính co lại, và giảm đi xuống một nhóm. NIST liệt kê năng lượng ion hóa bằng electron vôn trên nguyên tử; nhân với 96.485 kJ/mol trên mỗi eV sẽ đổi chúng sang đơn vị mol.

Quy đổi từ NIST Atomic Spectra Database, các giá trị của chu kỳ 2 là Li 520.2, Be 899.5, B 800.6, C 1086.5, N 1402.3, O 1313.9, F 1681.0 và Ne 2080.7 kJ/mol. Hai bước đi ngược chiều. Bo thấp hơn beri vì electron ngoài cùng của nó ở 2p, có năng lượng cao hơn và bị cặp 2s chắn một phần. Oxi thấp hơn nitơ vì electron 2p thứ tư của nó phải ghép đôi trong một obitan đã có electron, và lực đẩy thêm làm nó dễ bị tách hơn.

Hai chỗ trũng tương tự xuất hiện ở chu kỳ 3: nhôm (577.5 kJ/mol) thấp hơn magie (737.7 kJ/mol), và lưu huỳnh (999.6 kJ/mol) thấp hơn photpho (1011.8 kJ/mol). Mẫu lặp lại cho thấy nó đến từ cấu trúc phân lớp, không phải từ một nguyên tố đặc biệt nào.

Các năng lượng ion hóa kế tiếp và electron hóa trị

Mỗi năng lượng ion hóa kế tiếp lớn hơn năng lượng trước, vì mỗi electron rời đi từ một ion ngày càng dương hơn. Độ lớn của mỗi bước nhảy mới là thông tin hữu ích. Một mức tăng vừa phải nghĩa là electron tiếp theo đến từ cùng lớp hóa trị; một bước nhảy rất lớn nghĩa là nó phải đến từ lõi, gần hạt nhân hơn và ít bị chắn hơn nhiều.

Ví dụ có lời giải 3. NIST cho ba năng lượng ion hóa đầu của magie là 7.646, 15.035 và 80.144 eV. Quy đổi: 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. Tỉ số IE₂/IE₁ là 1450.7 / 737.7 = 1.97, nhưng IE₃/IE₂ là 7732.7 / 1450.7 = 5.33. Bước nhảy lớn sau electron thứ hai cho thấy magie có hai electron hóa trị, [Ne] 3s², và giải thích vì sao nó tạo Mg²⁺ chứ không tạo Mg³⁺ trong hóa học thông thường.

Natri cho thấy bước nhảy sớm hơn một bước. Năng lượng ion hóa thứ hai của nó, 4562.4 kJ/mol, gấp khoảng 9.2 lần năng lượng thứ nhất, 495.8 kJ/mol, vì electron thứ hai phải đến từ lõi 2p.

Ái lực electron và độ âm điện

Ái lực electron mô tả sự thay đổi năng lượng khi một nguyên tử khí nhận một electron: X(g) + e⁻ → X⁻(g). Quy ước về dấu khác nhau. Một số sách giáo khoa, kể cả OpenStax, báo cáo độ biến thiên năng lượng, âm khi năng lượng được giải phóng; những sách khác báo cáo năng lượng giải phóng dưới dạng số dương. Hãy kiểm tra quy ước trước khi so sánh các giá trị. Ngoại trừ các khí hiếm, các nguyên tử về phía bên phải của một chu kỳ giải phóng nhiều năng lượng nhất, vì Zeff cao của chúng hút mạnh electron đến.

Ái lực electron kém đều đặn hơn năng lượng ion hóa. Clo giải phóng nhiều năng lượng hơn flo, khoảng 349 kJ/mol so với 328 kJ/mol, dựa trên các giá trị 3.613 và 3.401 eV của NIST Chemistry WebBook. Electron thêm vào ở phân lớp 2p nhỏ gọn của flo gặp lực đẩy mạnh hơn. Beri, nitơ và các khí hiếm có ít hoặc không có xu hướng tạo anion khí bền, vì electron thêm vào sẽ vào một phân lớp cao hơn hoặc ghép đôi trong một phân lớp nửa đầy.

Độ âm điện là khả năng của một nguyên tử trong phân tử hút các electron của liên kết. Không giống năng lượng ion hóa, nó không được đo trên một nguyên tử cô lập; nó được suy ra từ năng lượng liên kết hoặc các số liệu khác, và thang Pauling được dùng rộng rãi nhất. Flo cao nhất, khoảng 4.0. Độ âm điện tăng dọc một chu kỳ và giảm đi xuống một nhóm, nên độ phân cực của liên kết giảm từ H–F qua H–Cl và H–Br đến H–I.

Những sai lầm thường gặp khi giải thích xu hướng tuần hoàn

Các câu hỏi về xu hướng thường được chấm theo lời giải thích, không chỉ theo thứ tự.

Một lời giải thích đầy đủ nêu rõ phép so sánh (cùng lớp hay khác lớp), nói điều gì xảy ra với Zeff hoặc khoảng cách, và gắn sự thay đổi đó với lực tác dụng lên electron đang xét.

• Nói một nguyên tử nhỏ hơn vì có nhiều electron hơn. Dọc một chu kỳ, các electron vào cùng một lớp; kích thước giảm vì Zeff tăng.
• Giải thích xu hướng theo nhóm chỉ bằng "nhiều lớp hơn", mà không lưu ý rằng Zeff thay đổi ít khi đi xuống một nhóm.
• Coi năng lượng ion hóa tăng đơn điệu dọc một chu kỳ. Hãy kiểm tra các bước từ nhóm 2 sang 13 và từ nhóm 15 sang 16.
• So sánh các ion theo điện tích hạt nhân mà không kiểm tra trước chúng có đẳng electron hay không.
• Lẫn lộn các quy ước dấu của ái lực electron và kết luận rằng số âm hơn là ái lực nhỏ hơn.
• So sánh bán kính từ các bảng khác nhau. Bán kính cộng hóa trị, kim loại và ion được định nghĩa khác nhau.
• Giải thích bằng điều một nguyên tử "muốn". Nguyên tử không có mục tiêu; hãy giải thích bằng lực hút, khoảng cách và lực đẩy.