CARICA NUCLEARE EFFICACE: CONCETTO, COME CALCOLARLA ED ESEMPI - CHIMICA - 2026

La carica nucleare effettiva (Zef) è la forza attrattiva che il nucleo esercita su uno qualsiasi degli elettroni dopo essere stato ridotto dagli effetti della schermatura e della penetrazione. Se non ci fossero tali effetti, gli elettroni sentirebbero la forza attrattiva dell'attuale carica nucleare Z.

Nell'immagine in basso abbiamo il modello atomico di Bohr per un atomo fittizio. Il suo nucleo ha una carica nucleare Z = + n, che attrae gli elettroni che gli orbitano attorno (i cerchi blu). Si può vedere che due elettroni sono in un'orbita più vicina al nucleo, mentre il terzo elettrone si trova più lontano da esso.

Il terzo elettrone orbita sentendo le repulsioni elettrostatiche degli altri due elettroni, quindi il nucleo lo attrae con meno forza; cioè, l'interazione nucleo-elettrone diminuisce come risultato della schermatura dei primi due elettroni.

Quindi i primi due elettroni sentono la forza di attrazione di una carica a + n, ma il terzo sperimenta invece una carica nucleare efficace di + (n-2).

Tuttavia, questo Zef sarebbe valido solo se le distanze (il raggio) dal nucleo di tutti gli elettroni fossero sempre costanti e definite, localizzando le loro cariche negative (-1).

Concetto

I protoni definiscono i nuclei degli elementi chimici e gli elettroni definiscono la loro identità all'interno di un insieme di caratteristiche (i gruppi della tavola periodica).

I protoni aumentano la carica nucleare Z alla velocità di n + 1, che viene compensata dall'aggiunta di un nuovo elettrone per stabilizzare l'atomo.

All'aumentare del numero di protoni, il nucleo viene "coperto" da una nuvola dinamica di elettroni, in cui le regioni attraverso le quali circolano sono definite dalle distribuzioni di probabilità delle parti radiali e angolari delle funzioni d'onda ( orbitali).

Da questo approccio, gli elettroni non orbitano in una regione definita dello spazio attorno al nucleo, ma piuttosto, come le pale di una ventola in rapida rotazione, si confondono nelle forme degli orbitali noti s, p, de f.

Per questo motivo, la carica negativa -1 di un elettrone è distribuita da quelle regioni in cui penetrano gli orbitali; maggiore è l'effetto penetrante, maggiore sarà la carica nucleare effettiva che l'elettrone subirà nell'orbitale.

Effetti di penetrazione e schermatura

Coerentemente con la spiegazione di cui sopra, gli elettroni nei gusci interni non contribuiscono con una carica -1 alla repulsione stabilizzante degli elettroni nei gusci esterni.

Tuttavia, questo kernel (i gusci precedentemente riempiti dagli elettroni) funge da "muro" che impedisce alla forza di attrazione del nucleo di raggiungere gli elettroni esterni.

Questo è noto come effetto schermo o effetto schermante. Inoltre, non tutti gli elettroni nei gusci esterni subiscono la stessa entità di questo effetto; per esempio, se occupi un orbitale che ha un carattere altamente penetrante (cioè che transita molto vicino al nucleo e ad altri orbitali), allora sentirai una Zef più alta.

Di conseguenza, un ordine di stabilità energetica nasce in funzione di questi Zef per gli orbitali: s

Ciò significa che l'orbitale 2p ha un'energia maggiore (meno stabilizzata dalla carica del nucleo) rispetto all'orbitale 2s.

Più povero è l'effetto di penetrazione esercitato dall'orbitale, minore è il suo effetto schermo sul resto degli elettroni esterni. Gli orbitali d e f mostrano molti buchi (nodi) dove il nucleo attrae altri elettroni.

Come calcolarlo?

Supponendo che le cariche negative siano localizzate, la formula per calcolare Zef per qualsiasi elettrone è:

Zef = Z - σ

In questa formula σ è la costante di schermatura determinata dagli elettroni del kernel. Questo perché, in teoria, gli elettroni più esterni non contribuiscono alla schermatura degli elettroni interni. In altre parole, 1s ² protegge l'elettrone 2s ¹ , ma 2s ¹ non protegge Z gli elettroni 1s ² .

Se Z = 40, trascurando gli effetti citati, l'ultimo elettrone sperimenterà uno Zef pari a 1 (40-39).

La regola di Slater

La regola di Slater è una buona approssimazione dei valori Zef per gli elettroni nell'atomo. Per applicarlo, segui i passaggi seguenti:

1- La configurazione elettronica dell'atomo (o ione) dovrebbe essere scritta come segue:

(1s) (2s 2p) (3s 3p) (3d) (4s 4p) (4d) (4f) …

2- Gli elettroni che si trovano a destra di quello considerato non contribuiscono all'effetto schermante.

3- Gli elettroni che si trovano all'interno dello stesso gruppo (contrassegnati dalle parentesi) forniscono 0,35 la carica dell'elettrone a meno che non sia il gruppo 1s, essendo invece 0,30.

4- Se l'elettrone occupa un orbitale sop, tutti gli orbitali n-1 contribuiscono con 0,85 e tutti gli orbitali n-2 una unità.

5- Nel caso in cui l'elettrone occupi un dof orbitale, tutti quelli alla sua sinistra contribuiscono di un'unità.

Esempi

Determina Zef per gli elettroni nell'orbitale 2s

Seguendo la modalità di rappresentazione di Slater, la configurazione elettronica di Be (Z = 4) è:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Poiché ci sono due elettroni nell'orbitale, uno di questi contribuisce alla schermatura dell'altro e l'orbitale 1s è l'n-1 dell'orbitale 2s. Quindi, sviluppando la somma algebrica abbiamo quanto segue:

(0,35) (1) + (0,85) (2) = 2,05

Lo 0,35 proveniva dall'elettrone 2s e lo 0,85 dai due elettroni 1s. Ora, applicando la formula di Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Cosa significa questo? Significa che gli elettroni nell'orbitale 2s ² subiscono una carica di +1,95 che li attira verso il nucleo, invece della carica effettiva di +4.

Determina Zef per gli elettroni nell'orbitale 3p

Ancora una volta, continua come nell'esempio precedente:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Ora la somma algebrica viene sviluppata per determinare σ:

(, 35) (4) + (0,85) (8) + (1) (2) = 10,2

Quindi, Zef è la differenza tra σ e Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

In conclusione, gli ultimi elettroni 3p ³ subiscono una carica tre volte meno forte di quella reale. Va anche notato che, secondo questa regola, gli elettroni 3s ² subiscono lo stesso Zef, risultato che potrebbe far sorgere dubbi al riguardo.

Tuttavia, ci sono modifiche alla regola di Slater che aiutano ad approssimare i valori calcolati a quelli effettivi.

Riferimenti

1. Chemistry Libretexts. (2016, 22 ottobre). Carica nucleare efficace. Tratto da: chem.libretexts.org
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimica inorganica. In Gli elementi del gruppo 1. (Quarta edizione., Pagine 19, 25, 26 e 30). Mc Graw Hill.
3. La regola di Slater. Tratto da: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. L'effetto schermante e la carica nucleare efficace. Tratto da: course.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23 aprile 2018). Come calcolare la carica nucleare effettiva. Sciencing. Tratto da: sciencing.com
6. Dottoressa Arlene Courtney. (2008). Tendenze periodiche. Western Oregon University. Tratto da: wou.edu