Ekranowanie elektronowe
Elektrony w atomie wieloelektronowym odpychają się wzajemnie, dlatego elektron walencyjny nie odczuwa pełnego przyciągania ładunku +Z jądra. Ekranowanie opisuje to zmniejszenie wypadkowego przyciągania. Nie jest sztywną „osłoną” umieszczoną między jądrem a elektronem, lecz wynikiem rozkładu prawdopodobieństwa wszystkich elektronów.
Co oznacza ekranowanie
Elektrony wewnętrzne mają dużą gęstość prawdopodobieństwa bliżej jądra niż większość elektronów walencyjnych. Ich ujemny ładunek częściowo kompensuje pole jądra odczuwane dalej na zewnątrz. W przybliżonym języku zapisujemy Z_eff = Z − S, gdzie S opisuje skuteczne ekranowanie.
Ekranowanie nie jest dokładnym, całkowitym anulowaniem ładunku jednego protonu przez jeden elektron. Chmury elektronowe nakładają się i każdy elektron ma rozmyty rozkład przestrzenny, dlatego skuteczne S zależy od badanego orbitalu.
Penetracja: s, p, d i f nie są ekranowane tak samo
Orbital s tej samej powłoki ma większą część gęstości blisko jądra niż p; p zwykle penetruje bardziej niż d, a d bardziej niż f. Częściej penetrujący elektron bywa wewnątrz chmury innych elektronów i odczuwa mniejsze ekranowanie.
To dlatego nie wystarczy powiedzieć, że wszystkie elektrony z tym samym n mają tę samą odległość i to samo ekranowanie. W atomach wieloelektronowych kształt orbitalu zmienia zarówno energię, jak i odczuwany Z_eff.
Zobacz wpływ ekranowania
Elektrony tej samej powłoki ekranują się niepełnie
W poprzek okresu kolejne elektrony wchodzą do tej samej głównej powłoki. Ich wzajemne ekranowanie rośnie, ale słabiej niż ładunek jądra Z. W rezultacie Z_eff zazwyczaj rośnie w prawo, a promień atomowy maleje.
Ten sam mechanizm pomaga zrozumieć wzrost energii jonizacji w poprzek okresu. Odchylenia pojawiają się przy zmianach podpowłok i parowaniu elektronów, ponieważ ekranowanie nie jest jedynym czynnikiem energetycznym.
Nowe powłoki wzmacniają ekranowanie w dół grupy
Schodząc w dół grupy, elektron walencyjny znajduje się w wyższej powłoce, a pomiędzy nim a jądrem pojawiają się dodatkowe obsadzone powłoki. Odległość i ekranowanie rosną, dlatego elektrony walencyjne są zwykle słabiej związane pomimo większego Z.
To wyjaśnia ogólny wzrost promienia atomowego i spadek pierwszej energii jonizacji w dół wielu grup. Trend jest jednak wynikiem wspólnego działania Z, odległości, ekranowania i struktury podpowłok.
Słabe ekranowanie d i f pozostawia ślad w układzie okresowym
Elektrony d, a szczególnie f, są mniej skuteczne w ekranowaniu zewnętrznych elektronów niż można by oczekiwać z prostego liczenia powłok. W serii lantanowców dodawane elektrony 4f nie kompensują w pełni rosnącego Z.
Skutkiem jest stopniowy wzrost efektywnego przyciągania i kontrakcja lantanowców. Podobne subtelności wpływają na rozmiary metali przejściowych, energie jonizacji i chemię cięższych pierwiastków.
Przykłady rozwiązane
1. Większe ekranowanie
Rozwiązanie
Przy tym samym Z większe S daje mniejsze Z_eff, czyli słabsze efektywne przyciąganie zewnętrznego elektronu.
2. Orbital s a orbital p
Rozwiązanie
W tej samej powłoce orbital s silniej penetruje obszar blisko jądra, dlatego jego elektron jest zwykle mniej ekranowany niż elektron p.
3. Lantanowce
Rozwiązanie
Elektrony 4f ekranują słabo, więc rosnący Z zwiększa efektywne przyciąganie i prowadzi do kontrakcji lantanowców.