Elektronafscherming
Elektronafscherming is het effect waarbij andere elektronen de netto aantrekking van de kern op een gekozen elektron verminderen. Het is geen fysieke schermlaag: het ontstaat uit elektron-elektronafstoting in combinatie met de ruimtelijke verdeling en penetratie van orbitalen.
Hoe afscherming werkt
Elektron-elektronafstoting verlaagt de netto kernattractie
In een meer-elektronenatoom trekt de kern ieder elektron aan, terwijl de elektronen elkaar afstoten. Om dat veeldeeltjesprobleem compact te beschrijven wordt vaak Zeff = Z − S gebruikt. S is een schatting van de afscherming; het is geen materiaalwand en ook geen vaste hoeveelheid die ieder elektron op dezelfde manier van Z aftrekt.
De ruimtelijke verdeling is bepalend. Elektronendichtheid die gemiddeld tussen de kern en het bekeken elektron ligt, vermindert de kernattractie sterker dan dichtheid die zich vooral in hetzelfde gebied of verder naar buiten bevindt. Daarom dragen verschillende elektronen niet evenveel bij aan S.
Kernelektronen en elektronen uit dezelfde schil schermen niet even sterk af
Kernelektronen
Hun dichtheid ligt grotendeels binnen die van het valentie-elektron. Ze geven sterke afscherming.
Elektronen in dezelfde schil
Hun ruimtelijke verdelingen overlappen sterk. De afscherming is gedeeltelijk en compenseert een extra proton niet volledig.
Penetratie onderscheidt s, p, d en f
Een orbitaal heeft niet één vaste afstand tot de kern. Een deel van de s-dichtheid kan sterk naar binnen penetreren; p doet dat minder en d en f doorgaans nog minder voor vergelijkbare schillen. Een elektron dat sterker penetreert, bevindt zich vaker binnen de dichtheid van andere elektronen en wordt daardoor minder afgeschermd.
Periodieke gevolgen
Binnen een periode neutraliseert afscherming de extra protonen niet
Van links naar rechts neemt de kernlading toe en gaan nieuwe elektronen meestal in dezelfde hoofdschil. Elk elektron in die schil schermt een deel af, maar minder dan één volledige eenheid kernlading. De effectieve aantrekking op de valentieschil neemt daarom toe en de elektronenwolk trekt gemiddeld samen.
Na en Cl maken dit concreet. Beide hebben een neonachtige kern en valentie-elektronen met n = 3, maar Cl heeft zes protonen meer. De extra elektronen in schil 3 schermen niet zes volledige positieve ladingseenheden af, zodat de buitenste elektronen van chloor veel sterker worden aangetrokken.
Omlaag in een groep wordt een nieuwe schil doorslaggevend
Omlaag in een groep verschijnt een extra bezette hoofdschil. Het valentie-elektron ligt verder van de kern en er bevindt zich meer kerndichtheid tussen kern en valentie. Bij alkalimetalen wordt het buitenste ns¹-elektron door een edelgaskern afgeschermd; daardoor daalt de eerste ionisatie-energie omlaag in de groep.
Zwakke d- en f-afscherming laat chemische sporen achter
d- en f-elektronen schermen buitenliggende elektronen minder effectief af dan een model met stijve schillen zou doen vermoeden. In een d-reeks wordt de stijgende kernlading slechts gedeeltelijk gecompenseerd en trekken atoom- en ionstralen vaak geleidelijk samen. Bij de lanthaniden veroorzaakt zwakke 4f-afscherming de lanthanidencontractie, een belangrijke reden waarom Zr en Hf bijna dezelfde grootte hebben.
Overgangsreeks
Binnen een d-blokreeks schermen toegevoegde d-elektronen de stijgende kernlading slechts gedeeltelijk af. Atoom- en ionstralen trekken vaak bescheiden samen.
Lanthanidencontractie
Toegevoegde 4f-elektronen schermen zwak af. De effectieve kernattractie neemt toe over de lanthaniden en trekt de buitenste elektronenwolk samen.
Afscherming schatten zonder haar voor een exacte meting te houden
Slaterregels maken van het idee een bruikbare benadering
De regels van Slater kennen empirische bijdragen toe op basis van schil en subschil. Voor een ns- of np-elektron tellen elektronen in dezelfde groep minder sterk mee dan elektronen in de n − 1-schil, terwijl nog diepere elektronen vaak als bijna volledige afschermers worden behandeld. De methode is nuttig voor trends en handberekeningen, niet als vervanging voor een moderne kwantumberekening.
Afstand, afscherming en orbitaalenergie zijn verschillende begrippen
Een elektron kan verder van de kern liggen omdat het een hogere hoofdschil bezet; afscherming beschrijft daarentegen hoe andere elektronendichtheid de kernattractie wijzigt. Beide veranderen vaak samen, maar een verklaring mag niet rondredeneren. Het is beter kernlading, elektronenverdeling, penetratie, afscherming en orbitaalgrootte afzonderlijk te benoemen.
Meer afscherming maakt een elektron doorgaans minder sterk gebonden, maar echte ionisatie-energieën hangen ook af van subschilvorm, paring, correlatie en relaxatie van de overblijvende elektronen. Afscherming is een mechanisme, geen volledige voorspelling op zichzelf.
Oefeningen
Na en Cl
Waarom verhindert afscherming binnen dezelfde schil niet dat de effectieve aantrekking van Na naar Cl toeneemt?
Oplossing
Omdat de extra elektronen in n = 3 de extra protonen slechts gedeeltelijk afschermen. De toename van Z is groter dan de toename van S.
s of d
Welk type orbitaal penetreert bij vergelijkbare hoofdschillen sterker naar de kern, s of d, en wordt daardoor minder afgeschermd?
Oplossing
Het s-orbitaal. Een groter deel van zijn dichtheid bereikt kleine afstanden en bevindt zich daar binnen meer van de overige elektronendichtheid.
Zr en Hf
Welk mechanisme helpt verklaren dat Zr en Hf vrijwel dezelfde straal hebben ondanks hun verschillende periode?
Oplossing
De lanthanidencontractie. De 4f-elektronen tussen Zr en Hf schermen de extra kernlading zwak af, waardoor de buitenste elektronenwolk van Hf sterker samentrekt dan een simpele groepsregel voorspelt.