Elektronafskærmning

Sådan virker afskærmning

Elektron–elektron-frastødning mindsker nettotiltrækningen

I et fler-elektron-atom tiltrækker kernen hvert elektron, mens elektronerne frastøder hinanden. Som kompakt beskrivelse bruges ofte Z_eff = Z − S. S er et estimat for afskærmningen; det er ikke en fysisk væg og heller ikke en fast mængde, som alle elektroner trækker fra Z på samme måde.

Den rumlige fordeling er afgørende. Elektrontæthed, der i gennemsnit ligger mellem kernen og det betragtede elektron, reducerer kernens tiltrækning mere end tæthed, der hovedsageligt ligger i samme område eller længere ude. Derfor bidrager forskellige elektroner ikke lige meget til S.

Kerneelektroner og elektroner i samme skal afskærmer forskelligt

Penetration skelner mellem s, p, d og f

En orbital har ikke én fast afstand fra kernen. En del af s-tætheden kan penetrere langt ind mod kernen; p gør det mindre, og d og f typisk endnu mindre for sammenlignelige skaller. Et elektron, der penetrerer mere, befinder sig oftere inden for de øvrige elektroners tæthed og bliver derfor mindre afskærmet.

Periodiske konsekvenser

Hen over en periode ophæver afskærmning ikke de ekstra protoner

Fra venstre mod højre får kernen flere protoner, mens nye elektroner normalt går ind i den samme hovedskal. Hvert elektron i skallen bidrager med noget afskærmning, men mindre end én hel enhed kerneladning. Den effektive tiltrækning på valensen øges derfor, og elektronskyen trækkes i gennemsnit sammen.

Na og Cl viser mekanismen. Begge har en neonlignende kerne og valenselektroner med n = 3, men Cl har seks protoner mere. De ekstra elektroner i skal 3 afskærmer ikke seks fulde positive ladningsenheder, så chlors ydre elektroner tiltrækkes langt stærkere.

Ned gennem en gruppe får en ny skal stor betydning

Ned gennem en gruppe kommer en ny besat hovedskal til. Valenselektronet ligger længere fra kernen, og mere indre elektrontæthed ligger mellem elektron og kerne. I alkalimetaller afskærmes det ydre ns¹-elektron af en ædelgaskerne; derfor falder den første ioniseringsenergi ned gennem gruppen.

Svag d- og f-afskærmning sætter kemiske spor

d- og f-elektroner afskærmer elektroner længere ude mindre effektivt, end et stift skalbillede antyder. I en d-serie bliver den voksende kerneladning kun delvist kompenseret, så atom- og ionradier ofte trækker sig moderat sammen. Hos lanthaniderne giver svag 4f-afskærmning lanthanidkontraktionen, som er med til at forklare den overraskende ens størrelse af Zr og Hf.

At estimere afskærmning uden at forveksle den med en eksakt måling

Slaters regler gør idéen til en brugbar tilnærmelse

Slaters regler tildeler empiriske bidrag efter skal og underskal. For et ns- eller np-elektron tæller elektroner i samme gruppe mindre end elektroner i n − 1-skallen, mens endnu dybere elektroner ofte behandles som næsten komplette afskærmere. Metoden er nyttig til trends og håndregning, men erstatter ikke en moderne kvantemekanisk beregning.

Afstand, afskærmning og orbitalenergi er forskellige begreber

Et elektron kan være længere fra kernen, fordi det befinder sig i en større hovedskal; afskærmning beskriver derimod, hvordan den øvrige elektrontæthed ændrer kernens tiltrækning. De to ting ændrer sig ofte samtidigt, men forklaringen må ikke blive cirkulær. Det er bedre at nævne kerneladning, elektronfordeling, penetration, afskærmning og orbitalstørrelse hver for sig.

Større afskærmning gør normalt et elektron mindre stærkt bundet, men virkelige ioniseringsenergier afhænger også af underskallens form, elektronparring, korrelation og afslapning af de tilbageværende elektroner. Afskærmning er en mekanisme, ikke en fuldstændig forudsigelse alene.

Opgaver

Na og Cl

Hvorfor forhindrer afskærmning i samme skal ikke, at den effektive tiltrækning vokser fra Na til Cl?

s eller d

Hvilken orbitaltype penetrerer mest ind mod kernen i sammenlignelige skaller, s eller d, og bliver derfor mindre afskærmet?

Zr og Hf

Hvilken idé hjælper med at forklare, at Zr og Hf har næsten samme radius, selv om de ligger i forskellige perioder?