Effektiv kärnladdning
Kärnan innehåller Z protoner, men en elektron i en flerelektronatom reagerar inte på hela laddningen +Ze som om de andra elektronerna saknades. Effektiv kärnladdning beskriver nettodragningen efter att elektronskärmning och orbitalpenetration tagits med.
Från kärnladdning till effektiv attraktion
Kärnladdning och den laddning en elektron upplever
För väte är skillnaden enkel: den enda elektronen ser en kärna med Z = 1 och det finns inga andra elektroner som skärmar. I en atom med många elektroner attraheras varje elektron av kärnan och repelleras av de andra elektronerna. Det är ett kvantmekaniskt mångkroppsproblem, inte ett klassiskt negativt skal som enkelt kan dras av från kärnladdningen.
En användbar approximation är Zeff = Z − S, där S representerar skärmningen från övriga elektroner. Värdet gäller en viss elektron eller orbital. Kärnelektroner och valenselektroner i samma atom kan därför uppleva mycket olika effektiva kärnladdningar.
Kärnelektron
Befinner sig ofta nära kärnan och skärmas av relativt få elektroner. Den effektiva attraktionen är stor.
Valenselektron
Ligger vanligen längre ut och skärmas av kärnelektronerna; den upplever betydligt mindre än den fulla kärnladdningen.
Penetration förändrar skärmningen
Elektroner rör sig inte i tunna cirkulära skal. Orbitaler har radiella sannolikhetsfördelningar. Inom jämförbara huvudskal penetrerar en s-orbital starkare in mot kärnan än p, följd av d och f. Elektrontäthet som når längre in ligger innanför en större del av den övriga elektrontätheten och blir därför mindre skärmad.
Förändring genom periodiska systemet
Över en period ökar Z mer än skärmningen
Från ett grundämne till nästa i en period tillkommer en proton, medan den extra elektronen vanligen går in i samma huvudskal. Elektroner i samma skal skärmar varandra ofullständigt. En extra positiv kärnladdning kompenseras därför inte av en hel extra skärmningsenhet, och den effektiva kärnladdningen på valenselektroner ökar generellt.
Mekanismen bidrar både till minskande atomradie och till den allmänna ökningen av första joniseringsenergin från vänster till höger. Trenderna behöver inte memoreras som två oberoende pilar; båda följer av balansen mellan kärnladdning, skärmning och orbitalstorlek.
Nedåt i en grupp ändrar ett nytt skal balansen
Nedåt i en grupp ökar både Z och antalet fyllda skal. Valenselektronen ligger i ett större huvudskal och skärmas kraftigt av de inre elektronerna. Den yttersta elektronen kan därför förbli relativt svagt bunden trots den större kärnladdningen.
Svag d- och f-skärmning lämnar tydliga spår
d- och särskilt f-elektroner kompenserar inte fullt ut den ökande kärnladdningen för elektroner längre ut. Det bidrar till gradvisa kontraktioner i övergångsserier och till lantanoidkontraktionen. Detta hjälper till att förklara varför Zr och Hf har förvånansvärt likartade radier trots att Hf ligger en period längre ned.
Uppskattningar och modellens gränser
Slaters regler ger en kontrollerad uppskattning
Slaters regler tilldelar empiriska skärmningsbidrag utifrån de övriga elektronernas placering. De är användbara för jämförelser och handberäkningar men är inte en exakt kvantmekanisk lösning. I en verklig atom anpassar sig orbitalerna till varandra, och elektronkorrelation kan inte fullständigt sammanfattas i ett enda tal S.
Zeff är därför varken en laddning som mäts direkt med ett instrument eller en universell konstant för ett grundämne. Det är en kompakt modellstorhet för nettodragningen på en viss elektron.
Övningar
Natrium och klor
Na och Cl har valenselektroner i huvudskalet n = 3. Vilken atom har större effektiv kärnladdning på valensen?
Lösning
Klor. Kärnan har sex protoner fler, medan de extra elektronerna i samma skal bara delvis skärmar den ökade kärnladdningen.
Kärn- eller valenselektron
Vilken elektron upplever normalt starkast effektiv kärnattraktion i en atom: en 1s-elektron eller en yttre valenselektron?
Lösning
1s-elektronen. Den befinner sig mycket oftare nära kärnan och skärmas av mindre elektrontäthet.
Varför inget enda atomvärde?
Varför är det fel att tilldela alla elektroner i en atom ett enda exakt Zₑff?
Lösning
Eftersom skärmning och penetration beror på den specifika orbitalen. Kärn- och valenselektroner har olika rumsliga fördelningar och upplever därför inte samma nettoattraktion.