Apantallament electrònic
L’apantallament electrònic és l’efecte pel qual la presència d’altres electrons redueix l’atracció nuclear neta que experimenta un electró concret. No és una pantalla física ni una capa opaca: és el resultat quàntic de la repulsió electró–electró combinada amb la distribució espacial dels orbitals.
Com funciona l’apantallament
La repulsió electró–electró redueix l’atracció neta
En un àtom polielectrònic, el nucli atrau cada electró mentre que els electrons es repel·leixen entre ells. Per resumir aquest problema de molts cossos s’utilitza sovint Zeff = Z − S. S representa una estimació d’apantallament, però no és una capa material ni una quantitat que cada electró “resti” de manera idèntica.
La posició importa. Densitat electrònica situada, de mitjana, entre el nucli i l’electró considerat tendeix a reduir més l’atracció nuclear que densitat situada a la mateixa regió o més lluny. Per això no tots els electrons contribueixen igual a S.
Els electrons interns i els de la mateixa capa no apantallen igual
Electrons interns
La seva densitat es troba majoritàriament més a prop del nucli que l’electró de valència. Produeixen un apantallament fort.
Electrons de la mateixa capa
Les seves distribucions se superposen molt. L’apantallament és parcial i no compensa completament un protó addicional.
La penetració diferencia s, p, d i f
Un orbital no té una única distància al nucli. Part de la densitat d’un orbital s pot penetrar molt cap a la regió interna; p ho fa menys i, qualitativament, d i f encara menys per a capes comparables. Un electró que penetra més queda menys apantallat perquè passa més temps dins de la densitat dels altres electrons.
Conseqüències periòdiques
En un període, l’apantallament no anul·la els protons afegits
D’esquerra a dreta, el nucli guanya protons i els electrons nous entren, en general, a la mateixa capa principal. Cada electró de la mateixa capa contribueix a l’apantallament, però menys d’una unitat completa de càrrega nuclear. L’atracció efectiva sobre la valència augmenta i el núvol electrònic tendeix a contreure’s.
Na i Cl il·lustren el mecanisme. Tots dos tenen un nucli intern semblant al neó i electrons de valència a n = 3, però Cl té sis protons més. Els electrons addicionals de la capa 3 no apantallen sis unitats completes de càrrega; els electrons externs del clor queden molt més fortament atrets.
En baixar per un grup, una capa nova pesa molt
En baixar per un grup apareix una nova capa principal ocupada. L’electró de valència queda més lluny i hi ha més densitat interna entre ell i el nucli. En els metalls alcalins, l’electró ns¹ extern queda separat del nucli per un nucli electrònic de gas noble; la seva energia d’ionització disminueix en baixar pel grup.
L’apantallament deficient de d i f deixa una empremta química
Els electrons d i f són apantalladors menys eficients per als electrons situats a l’exterior del que suggeriria un model de capes rígides. Al llarg d’una sèrie d, l’augment de la càrrega nuclear només queda parcialment compensat; els radis sovint es contrauen moderadament. En els lantànids, l’apantallament deficient dels 4f produeix la contracció lantànida, que contribueix a la similitud de mida entre Zr i Hf.
Sèrie de transició
Al llarg d’una sèrie del bloc d, els electrons d afegits només apantallen parcialment l’augment de càrrega nuclear. Els radis atòmics i iònics solen contreure’s moderadament.
Contracció lantànida
Els electrons 4f apantallen malament. L’atracció nuclear efectiva augmenta al llarg dels lantànids i contreu el núvol electrònic extern.
Estimar l’apantallament sense confondre’l amb una mesura exacta
Les regles de Slater transformen la idea en una aproximació
Les regles de Slater assignen contribucions empíriques segons la capa i subcapa dels altres electrons. Per a electrons ns o np, els electrons de la mateixa agrupació compten menys que els de la capa n − 1, i els electrons encara més interns s’aproximen a apantalladors gairebé complets. La recepta és útil per comparar, no per substituir un càlcul quàntic modern.
Distància, apantallament i energia orbital són conceptes diferents
Un electró pot estar més lluny perquè ocupa una capa principal més gran, mentre que l’apantallament descriu com la resta de densitat electrònica modifica l’atracció nuclear. Les dues coses sovint canvien alhora, però no s’han d’utilitzar en una explicació circular. La cadena causal més clara identifica càrrega nuclear, distribució electrònica, penetració, apantallament i mida orbital per separat.
Més apantallament sol afeblir la unió de l’electró, però les energies d’ionització reals també depenen de la forma de les subcapes, l’aparellament, la correlació i la relaxació dels electrons restants. L’apantallament és un mecanisme important, no una predicció completa per si sol.
Exercicis
Na i Cl
Per què l’apantallament de la mateixa capa no impedeix que l’atracció efectiva augmenti de Na a Cl?
Solució
Perquè els electrons afegits a n = 3 apantallen només parcialment els protons que també s’afegeixen. L’increment de Z supera l’increment de S.
s o d
Per a una capa comparable, quin tipus d’orbital penetra més cap al nucli, s o d, i quin queda menys apantallat?
Solució
L’orbital s penetra més. La part de la seva densitat situada a distàncies petites queda a l’interior de més densitat electrònica i, per tant, experimenta menys apantallament.
Zr i Hf
Quina idea ajuda a explicar que Zr i Hf tinguin radis molt semblants malgrat estar en períodes diferents?
Solució
La contracció lantànida: els electrons 4f afegits entre Zr i Hf apantallen malament l’augment de càrrega nuclear, de manera que el núvol extern de Hf es contrau més del que indicaria una simple regla “baixar un període = més gran”.