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.

+ZwewnętrznewalencyjnyZ_eff = Z - Ss > p > d > f

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.