الشحنة النووية الفعالة: المفهوم وكيفية حسابها والأمثلة - كيمياء - 2026

على شحنة نووية فعالة (Zef) هو القوة الجاذبة أن يمارس نواة على أي من الإلكترونات بعد أن خفضت من آثار التدريع والاختراق. إذا لم تكن هناك مثل هذه التأثيرات ، فستشعر الإلكترونات بالقوة الجاذبة للشحنة النووية الفعلية Z.

في الصورة السفلية لدينا نموذج بوهر الذري للذرة الوهمية. تحتوي نواتها على شحنة نووية Z = + n ، والتي تجذب الإلكترونات التي تدور حولها (الدوائر الزرقاء). يمكن ملاحظة أن إلكترونين في مدار أقرب إلى النواة ، بينما يقع الإلكترون الثالث بعيدًا عنه.

يدور الإلكترون الثالث ويشعر بالتنافر الكهروستاتيكي للإلكترونين الآخرين ، لذلك تجذبه النواة بقوة أقل ؛ أي أن تفاعل النواة والإلكترون ينخفض ​​نتيجة لحماية الإلكترونين الأولين.

لذا يشعر الإلكترونان الأولين بالقوة الجذابة لشحنة a + n ، لكن الإلكترون الثالث يتعرض لشحنة نووية فعالة + (n-2) بدلاً من ذلك.

ومع ذلك ، لن يكون هذا Zef صالحًا إلا إذا كانت المسافات (نصف القطر) إلى نواة جميع الإلكترونات دائمًا ثابتة ومحددة ، مع تحديد موقع الشحنات السالبة (-1).

مفهوم

تحدد البروتونات نوى العناصر الكيميائية ، وتحدد الإلكترونات هويتها ضمن مجموعة من الخصائص (مجموعات الجدول الدوري).

تعمل البروتونات على زيادة الشحنة النووية Z بمعدل n + 1 ، والتي يتم تعويضها بإضافة إلكترون جديد لتثبيت الذرة.

مع زيادة عدد البروتونات ، تصبح النواة "مغطاة" بسحابة ديناميكية من الإلكترونات ، حيث يتم تحديد المناطق التي تدور خلالها من خلال التوزيعات الاحتمالية للأجزاء الشعاعية والزاوية لوظائف الموجة (المدارات).

من هذا النهج ، لا تدور الإلكترونات في منطقة محددة من الفضاء حول النواة ، ولكن بدلاً من ذلك ، مثل شفرات المروحة التي تدور بسرعة ، فإنها تتداخل في أشكال المدارات s و p و d و f المعروفة.

لهذا السبب ، يتم توزيع الشحنة السالبة -1 للإلكترون من خلال تلك المناطق التي تخترقها المدارات ؛ كلما زاد تأثير الاختراق ، زادت الشحنة النووية الفعالة التي سيختبرها الإلكترون المذكور في المدار.

آثار الاختراق والوقاية

تمشيا مع التفسير أعلاه ، لا تساهم الإلكترونات الموجودة في الغلاف الداخلي بشحنة -1 في التنافر المستقر للإلكترونات في الأغلفة الخارجية.

ومع ذلك ، فإن هذه النواة (الأصداف المملوءة سابقًا بالإلكترونات) تعمل بمثابة "جدار" يمنع القوة الجاذبة للنواة من الوصول إلى الإلكترونات الخارجية.

يُعرف هذا بتأثير الشاشة أو تأثير التدريع. أيضًا ، لا تعاني كل الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي من نفس الحجم من هذا التأثير ؛ على سبيل المثال ، إذا كنت تشغل مدارًا له طابع اختراق عالٍ (أي أنه يمر بالقرب من النواة والمدارات الأخرى) ، فستشعر عندئذٍ بـ Zef أعلى.

نتيجة لذلك ، ينشأ ترتيب لاستقرار الطاقة كدالة لهذه Zef للمدارات: s

هذا يعني أن المدار 2p يحتوي على طاقة أعلى (أقل استقرارًا بواسطة شحنة النواة) من المدار 2s.

كلما كان تأثير الاختراق الذي يمارسه المدار ضعيفًا ، قل تأثير الشاشة على بقية الإلكترونات الخارجية. يُظهر المداران d و f العديد من الثقوب (العقد) حيث تجذب النواة إلكترونات أخرى.

كيف تحسبها؟

بافتراض أن الشحنات السالبة موضعية ، فإن صيغة حساب Zef لأي إلكترون هي:

Zef = Z - σ

في هذه الصيغة σ هو ثابت التدريع الذي تحدده إلكترونات النواة. هذا لأنه ، من الناحية النظرية ، لا تسهم الإلكترونات الخارجية في حماية الإلكترونات الداخلية. بمعنى آخر ، تحمي 1s ² الإلكترون 2s ¹ ، لكن 2s ¹ لا تحمي Z الإلكترونات 1s ².

إذا كانت Z = 40 ، مع إهمال التأثيرات المذكورة ، فإن آخر إلكترون سيختبر Zef يساوي 1 (40-39).

حكم سلاتر

قاعدة سلاتر هي تقريب جيد لقيم Zef للإلكترونات في الذرة. لتطبيقه ، اتبع الخطوات أدناه:

1- يجب كتابة التكوين الإلكتروني للذرة (أو الأيون) على النحو التالي:

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

2- الإلكترونات التي على يمين الشخص لا تساهم في تأثير التدريع.

3- توفر الإلكترونات الموجودة داخل نفس المجموعة (المميزة بالأقواس) 0.35 شحنة الإلكترون ما لم تكن مجموعة 1s ، فهي 0.30 بدلاً من ذلك.

4- إذا كان الإلكترون يحتل مدارا سوبيا ، فإن كل المدارات n-1 تساهم ب 0.85 ، وجميع مدارات n-2 وحدة واحدة.

5- في حالة احتلال الإلكترون لمدار dof ، يساهم كل من على يساره بوحدة واحدة.

أمثلة

حدد Zef للإلكترونات في مدار 2s

بعد طريقة تمثيل Slater ، يكون التكوين الإلكتروني لـ Be (Z = 4) هو:

(1s ²) (2s ² 2p ⁰)

نظرًا لوجود إلكترونين في المدار ، فإن أحدهما يساهم في حماية الآخر ، والمدار 1s هو n-1 من مدار 2s. بعد ذلك ، عند تطوير المجموع الجبري ، لدينا ما يلي:

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

جاء 0.35 من إلكترون 2s و 0.85 من إلكترونين 1s. الآن ، تطبيق صيغة Zef:

Zef = 4 - 2.05 = 1.95

ماذا يعني هذا؟ هذا يعني أن الإلكترونات في المدار 2s ² تتعرض لشحنة +1.95 والتي تجذبها نحو النواة ، بدلاً من الشحنة الفعلية +4.

حدد Zef للإلكترونات في المدار 3p

مرة أخرى ، يستمر كما في المثال السابق:

(1s ²) (2s ² 2p ⁶) (3s ² 3p ³)

الآن تم تطوير المجموع الجبري لتحديد σ:

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

إذن ، Zef هو الفرق بين σ و Z:

Zef = 15-10.2 = 4.8

في الختام ، تتعرض آخر إلكترونات 3p ³ لشحنة أقل بثلاث مرات من الشحنة الحقيقية. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه وفقًا لهذه القاعدة ، فإن إلكترونات 3s ² تختبر نفس Zef ، وهي نتيجة قد تثير الشكوك حولها.

ومع ذلك ، هناك تعديلات على قاعدة سلاتر تساعد في تقريب القيم المحسوبة إلى القيم الفعلية.

المراجع

1. نصوص الكيمياء. (2016 ، 22 أكتوبر). شحنة نووي فعال. مأخوذة من: chem.libretexts.org
2. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. في عناصر المجموعة الأولى (الطبعة الرابعة ، الصفحات 19 ، 25 ، 26 ، 30). ماك جراو هيل.
3. حكم سلاتر. مأخوذة من: intro.chem.okstate.edu
4. لومن. تأثير الحماية والشحنة النووية الفعالة. مأخوذة من: course.lumenlearning.com
5. هوك ، كريس. (23 أبريل 2018). كيفية حساب الشحنة النووية الفعالة. علم. مأخوذة من: sciencing.com
6. الدكتورة ارلين كورتني. (2008). الاتجاهات الدورية. جامعة غرب أوريغون. مأخوذة من: wou.edu