ประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ: แนวคิดวิธีการคำนวณและตัวอย่าง - เคมี - 2026

ค่าใช้จ่ายที่มีประสิทธิภาพนิวเคลียร์ (Zef) เป็นแรงที่น่าสนใจที่ออกแรงนิวเคลียสใด ๆ ของอิเล็กตรอนหลังจากที่ถูกลดลงโดยผลกระทบของการป้องกันและการเจาะ หากไม่มีผลกระทบดังกล่าวอิเล็กตรอนจะรู้สึกถึงแรงดึงดูดของประจุนิวเคลียร์จริง Z

ในภาพล่างเรามีแบบจำลองอะตอมของบอร์สำหรับอะตอมสมมติ นิวเคลียสของมันมีประจุนิวเคลียร์ Z = + n ซึ่งดึงดูดอิเล็กตรอนที่โคจรรอบตัวมัน (วงกลมสีน้ำเงิน) จะเห็นได้ว่าอิเล็กตรอนสองตัวอยู่ในวงโคจรที่ใกล้นิวเคลียสมากขึ้นในขณะที่อิเล็กตรอนตัวที่สามอยู่ห่างจากมันมากขึ้น

อิเล็กตรอนตัวที่สามโคจรโดยรู้สึกถึงแรงผลักของไฟฟ้าสถิตของอิเล็กตรอนอีกสองตัวดังนั้นนิวเคลียสจึงดึงดูดมันด้วยแรงที่น้อยกว่า นั่นคือปฏิสัมพันธ์ของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนจะลดลงอันเป็นผลมาจากการป้องกันของอิเล็กตรอนสองตัวแรก

ดังนั้นอิเล็กตรอนสองตัวแรกจึงสัมผัสได้ถึงแรงดึงดูดของประจุ a + n แต่อันที่สามสัมผัสกับประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพเป็น + (n-2) แทน

อย่างไรก็ตาม Zef นี้จะใช้ได้ก็ต่อเมื่อระยะทาง (รัศมี) ไปยังนิวเคลียสของอิเล็กตรอนทั้งหมดคงที่และแน่นอนเสมอโดยจะหาประจุลบ (-1)

แนวคิด

โปรตอนกำหนดนิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีและอิเล็กตรอนจะกำหนดเอกลักษณ์ของพวกมันภายในชุดของลักษณะต่างๆ (กลุ่มของตารางธาตุ)

โปรตอนจะเพิ่มประจุนิวเคลียร์ Z ที่อัตรา n + 1 ซึ่งได้รับการชดเชยโดยการเพิ่มอิเล็กตรอนใหม่เพื่อทำให้อะตอมเสถียร

เมื่อจำนวนโปรตอนเพิ่มขึ้นนิวเคลียสจะถูก "ปกคลุม" โดยเมฆแบบไดนามิกของอิเล็กตรอนซึ่งบริเวณที่พวกมันหมุนเวียนถูกกำหนดโดยการแจกแจงความน่าจะเป็นของส่วนในแนวรัศมีและเชิงมุมของฟังก์ชันคลื่น ( orbitals)

จากวิธีนี้อิเล็กตรอนจะไม่โคจรในพื้นที่ที่กำหนดรอบนิวเคลียส แต่เช่นเดียวกับใบพัดของพัดลมที่หมุนอย่างรวดเร็วพวกมันจะเบลอเป็นรูปร่างของวงโคจร s, p, d และ f ที่รู้จัก

ด้วยเหตุนี้ประจุลบ -1 ของอิเล็กตรอนจึงกระจายไปตามบริเวณที่วงโคจรทะลุผ่าน ยิ่งผลกระทบทะลุทะลวงมากเท่าใดประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิผลที่กล่าวว่าอิเล็กตรอนจะสัมผัสในวงโคจรก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

เอฟเฟกต์การเจาะและการป้องกัน

ตามคำอธิบายข้างต้นอิเล็กตรอนในเปลือกชั้นในไม่ได้มีส่วนทำให้เกิดการขับไล่ที่มีเสถียรภาพของอิเล็กตรอนในเปลือกนอก

อย่างไรก็ตามเคอร์เนลนี้ (เปลือกหอยก่อนหน้านี้เต็มไปด้วยอิเล็กตรอน) ทำหน้าที่เป็น "กำแพง" ที่ป้องกันไม่ให้แรงดึงดูดของนิวเคลียสไปถึงอิเล็กตรอนวงนอก

สิ่งนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์หน้าจอหรือเอฟเฟกต์การป้องกัน นอกจากนี้อิเล็กตรอนบางตัวในเปลือกนอกจะไม่ได้สัมผัสกับผลกระทบนี้ขนาดเดียวกัน ตัวอย่างเช่นหากคุณครอบครองออร์บิทัลที่มีอักขระทะลุทะลวงสูง (นั่นคือเคลื่อนที่เข้าใกล้นิวเคลียสและออร์บิทัลอื่น ๆ มาก) คุณจะรู้สึกได้ถึง Zef ที่สูงขึ้น

เป็นผลให้ลำดับความเสถียรของพลังงานเกิดขึ้นจากฟังก์ชันของ Zef เหล่านี้สำหรับวงโคจร: s

ซึ่งหมายความว่าออร์บิทัล 2p มีพลังงานสูงกว่า (มีความเสถียรน้อยกว่าโดยประจุของนิวเคลียส) มากกว่าออร์บิทัล 2s

ยิ่งผลการเจาะทะลุที่เกิดจากออร์บิทัลแย่ลงเท่าไหร่ก็จะยิ่งส่งผลกระทบต่อหน้าจอต่ออิเล็กตรอนภายนอกที่เหลือน้อยลง วงโคจร d และ f แสดงรู (โหนด) จำนวนมากที่นิวเคลียสดึงดูดอิเล็กตรอนอื่น ๆ

วิธีการคำนวณ?

สมมติว่ามีการแปลประจุลบสูตรสำหรับการคำนวณ Zef สำหรับอิเล็กตรอนใด ๆ คือ:

Zef = Z - σ

ในสูตรนี้σคือค่าคงที่ป้องกันที่กำหนดโดยอิเล็กตรอนของเคอร์เนล เนื่องจากตามทฤษฎีแล้วอิเล็กตรอนวงนอกสุดไม่ได้มีส่วนในการป้องกันอิเล็กตรอนชั้นใน ในคำอื่น ๆ 1S ²โล่ 2s ¹อิเล็กตรอนแต่ 2s ¹ไม่ Z โล่ 1s ²อิเล็กตรอน

ถ้า Z = 40 ละเลยผลกระทบที่กล่าวมาอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายจะได้รับ Zef เท่ากับ 1 (40-39)

กฎของผู้ตำหนิ

กฎของตำหนิคือการประมาณค่า Zef ที่ดีสำหรับอิเล็กตรอนในอะตอม หากต้องการนำไปใช้ให้ทำตามขั้นตอนด้านล่าง:

1- การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม (หรือไอออน) ควรเขียนดังนี้:

(1 วินาที) (2 วินาที 2p) (3 วินาที 3p) (3 มิติ) (4 วินาที 4p) (4d) (4f) …

2- อิเล็กตรอนที่อยู่ทางขวาของอิเล็กตรอนที่พิจารณาไม่ได้มีส่วนในการป้องกันผลกระทบ

3- อิเล็กตรอนที่อยู่ในกลุ่มเดียวกัน (ทำเครื่องหมายด้วยวงเล็บ) มีส่วนทำให้ประจุของอิเล็กตรอน 0.35 เว้นแต่จะเป็นกลุ่ม 1 โดยเป็น 0.30 แทน

4- ถ้าอิเล็กตรอนอยู่ในออร์บิทัล sop ดังนั้นออร์บิทัล n-1 ทั้งหมดจะมีส่วนทำให้ 0.85 และ n-2 ออร์บิทัลทั้งหมดหนึ่งหน่วย

5- ในกรณีที่อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจร dof ทั้งหมดที่อยู่ทางซ้ายจะมีส่วนร่วมหนึ่งหน่วย

ตัวอย่าง

กำหนด Zef สำหรับอิเล็กตรอนในออร์บิทัล 2 วินาที

ตามโหมดการเป็นตัวแทนของ Slater การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ของ Be (Z = 4) คือ:

(1 วินาที² ) ( ²วินาที² 2p ⁰ )

เนื่องจากมีอิเล็กตรอนสองตัวในออร์บิทัลหนึ่งในนั้นจึงก่อให้เกิดการป้องกันอีกอันหนึ่งและออร์บิทัล 1s คือ n-1 ของออร์บิทัล 2 จากนั้นการพัฒนาผลรวมพีชคณิตเรามีดังต่อไปนี้:

(0.35) (1) + (0.85) (2) = 2.05

0.35 มาจากอิเล็กตรอน 2 ตัวและ 0.85 จากอิเล็กตรอน 1s สองตัว ตอนนี้ใช้สูตรของ Zef:

Zef = 4 - 2.05 = 1.95

สิ่งนี้หมายความว่า? หมายความว่าอิเล็กตรอนในวงโคจร 2s ²จะมีประจุ +1.95 ซึ่งดึงพวกมันเข้าหานิวเคลียสแทนที่จะเป็นประจุจริงที่ +4

กำหนด Zef สำหรับอิเล็กตรอนในออร์บิทัล 3p

อีกครั้งจะดำเนินต่อไปตามตัวอย่างก่อนหน้านี้:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

ตอนนี้ผลรวมพีชคณิตได้รับการพัฒนาเพื่อกำหนดσ:

(, 35) (4) + (0.85) (8) + (1) (2) = 10.2

ดังนั้น Zef คือความแตกต่างระหว่างσและ Z:

Zef = 15-10.2 = 4.8

สรุปได้ว่าอิเล็กตรอน 3p ³ตัวสุดท้ายสัมผัสกับประจุไฟฟ้าที่แรงน้อยกว่าของจริงถึงสามเท่า นอกจากนี้ควรสังเกตด้วยว่าตามกฎนี้อิเล็กตรอน 3s ²สัมผัสกับ Zef เดียวกันซึ่งเป็นผลที่อาจทำให้เกิดข้อสงสัยในเรื่องนี้

อย่างไรก็ตามมีการปรับเปลี่ยนกฎของ Slater ที่ช่วยประมาณค่าที่คำนวณได้เป็นค่าจริง

อ้างอิง

1. เคมี Libretexts (2559, 22 ตุลาคม). ประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ นำมาจาก: chem.libretexts.org
2. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. ในองค์ประกอบของกลุ่ม 1 (พิมพ์ครั้งที่สี่, หน้า 19, 25, 26 และ 30) Mc Graw Hill
3. กฎของผู้ตำหนิ นำมาจาก: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen ผลการป้องกันและประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ นำมาจาก: courses.lumenlearning.com
5. โฮกคริส. (23 เมษายน 2561). วิธีการคำนวณประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ Sciencing นำมาจาก: sciencing.com
6. ดร. Arlene Courtney (2008) แนวโน้มเป็นระยะ มหาวิทยาลัย Western Oregon นำมาจาก: wou.edu