Efektivni naboj jezgre

Jezgra sadrži Z protona, ali elektron u višeelektronskom atomu ne osjeća puni naboj +Ze kao da ostalih elektrona nema. Efektivni naboj jezgre opisuje rezultantno privlačenje nakon uključivanja elektronskog zasjenjenja i penetracije orbitale.

jezgra +Zunutarnji elektronivalenčni elektronZ_eff = Z - S

Z_eff = Z − S koristan je model

U jednostavnom zapisu Z_eff = Z − S, gdje je Z stvarni naboj jezgre, a S efektivna konstanta zasjenjenja. S nije samo broj elektrona „između“ jezgre i promatranog elektrona; predstavlja prosječni učinak elektronske raspodjele i međusobnih interakcija.

Z_eff nije jedan točan broj za cijeli atom. Različite orbitale istog atoma mogu osjećati različito efektivno privlačenje jer njihove gustoće vjerojatnosti različito duboko prodiru prema jezgri.

Penetracija mijenja osjećeno privlačenje

Za isti glavni kvantni broj s orbitale prodiru bliže jezgri više nego p, a one obično više nego d i f. Elektron koji se češće nalazi unutar gustoće drugih elektrona manje je učinkovito zasjenjen i osjeća veći Z_eff.

Ta razlika pomaže objasniti zašto energije podljuski u višeelektronskom atomu ne ovise samo o n. Penetracija 2s i 2p je različita, pa degeneracija jednostavnog vodikova modela nestaje.

Model Z_eff = Z − S

Preko periode Z_eff uglavnom raste

Kretanjem udesno kroz periodu Z raste za jedan proton po elementu, dok valenčni elektroni uglavnom ulaze u istu glavnu ljusku. Elektroni iste ljuske nepotpuno zasjenjuju jedni druge, pa rast S ne poništava cijeli rast Z.

Jače efektivno privlačenje obično skuplja valenčne orbitale, smanjuje atomski polumjer i povećava prvu energiju ionizacije. To je fizikalni mehanizam trenda, a ne samo pravilo za pamćenje.

Niz skupinu dodaje se nova ljuska

Niz skupinu Z raste, ali se dodaju i unutarnje ljuske. Valenčni elektroni dalje su od jezgre i jače zasjenjeni unutarnjim elektronima. Udaljenost i zasjenjenje zato često nadvladaju samo povećanje Z.

Kod prijelaznih elemenata i lantanoida slika je finija jer d i f elektroni zasjenjuju manje učinkovito. Slabo zasjenjenje 4f pridonosi lantanoidnoj kontrakciji.

Slaterova pravila su aproksimacija

Slaterova pravila elektronima pridružuju jednostavne koeficijente i daju procjenu S te Z_eff. Korisna su za kvalitativne usporedbe i nastavne račune, ali ne zamjenjuju izračun valne funkcije ni eksperimentalne energije.

Ključna je fizikalna interpretacija: Z_eff opisuje natjecanje nuklearnog privlačenja sa zasjenjenjem i penetracijom. Nije skriveni ukupni naboj atoma s jednom točnom univerzalnom vrijednosti.

Riješeni primjeri

1. Z = 11, S = 8,8

Rješenje

Jednostavni model daje Z_eff = 11 − 8,8 = 2,2. To je model za određeni elektron, ne naboj cijelog atoma.

2. Zašto se 2s i 2p razlikuju?

Rješenje

2s jače prodire prema jezgri pa obično osjeća veće efektivno privlačenje od 2p.

3. Trend Li → Ne

Rješenje

Z raste unutar iste valenčne ljuske, a zasjenjenje u njoj je nepotpuno. Z_eff zato općenito raste preko periode.