Elektronskärmning

Elektronskärmning är effekten där andra elektroner minskar den nettodragning från kärnan som en viss elektron upplever. Det är inte en fysisk skärm eller ett ogenomträngligt skal, utan följer av elektron–elektron-repulsion tillsammans med orbitalernas rumsliga fördelning och penetration.

Skärmning är elektron–elektron-screening. Den minskar den nettokraft från kärnan som en vald elektron känner, särskilt när annan elektrontäthet ligger närmare kärnan.

Hur skärmning fungerar

Elektron–elektron-repulsion minskar nettoattraktionen

I en flerelektronatom attraherar kärnan varje elektron samtidigt som elektronerna repellerar varandra. För att sammanfatta mångkroppsproblemet används ofta Z_eff = Z − S. S är en uppskattning av skärmningen; det är varken ett materiellt skikt eller en fast mängd som varje elektron subtraherar från Z på exakt samma sätt.

Den rumsliga fördelningen spelar stor roll. Elektrontäthet som i genomsnitt ligger mellan kärnan och den aktuella elektronen minskar kärnattraktionen mer än täthet som huvudsakligen ligger i samma region eller längre ut. Därför bidrar olika elektroner olika mycket till S.

Kärnelektroner och elektroner i samma skal skärmar olika

Kärnelektroner

Deras täthet ligger till stor del innanför valenselektronens. De ger stark skärmning.

Elektroner i samma skal

Deras rumsliga fördelningar överlappar kraftigt. Skärmningen är ofullständig och kompenserar inte helt för en extra proton.

Penetration skiljer s, p, d och f åt

En orbital har inte ett enda bestämt avstånd till kärnan. En del av s-tätheten kan penetrera långt in mot kärnan; p gör det mindre och d och f vanligen ännu mindre för jämförbara skal. En elektron som penetrerar mer befinner sig oftare innanför annan elektrontäthet och blir därför mindre skärmad.

Penetration och skärmning hänger ihop men är inte samma sak. Orbitalens radiella form bestämmer hur mycket elektrontäthet som kan nå nära kärnan och hur mycket skärmande täthet som ligger utanför.

Periodiska konsekvenser

Över en period upphäver skärmningen inte de extra protonerna

Från vänster till höger får kärnan fler protoner, medan nya elektroner vanligen går in i samma huvudskal. Varje elektron i skalet bidrar med viss skärmning men mindre än en hel enhet kärnladdning. Nettoattraktionen på valensen ökar därför och elektronmolnet dras i genomsnitt samman.

Na och Cl visar mekanismen tydligt. Båda har en neonliknande kärna och valenselektroner med n = 3, men Cl har sex protoner fler. De extra elektronerna i skal 3 skärmar inte sex fulla positiva laddningsenheter, så klors ytterelektroner attraheras betydligt starkare.

Nedåt i en grupp får ett nytt skal stor betydelse

Nedåt i en grupp tillkommer ett nytt fyllt huvudskal. Valenselektronen ligger längre från kärnan och mer inre elektrontäthet finns mellan den och kärnan. I alkalimetaller skärmas den yttre ns¹-elektronen av en ädelgaskärna; därför sjunker den första joniseringsenergin nedåt i gruppen.

Svag d- och f-skärmning lämnar kemiska avtryck

d- och f-elektroner skärmar elektroner längre ut mindre effektivt än en stel skalmodell antyder. Genom en d-serie kompenseras den ökande kärnladdningen bara delvis och atom- och jonradier kan dra ihop sig måttligt. Hos lantanoiderna ger svag 4f-skärmning lantanoidkontraktionen, vilket bidrar till att Zr och Hf är förvånansvärt lika stora.

Övergångsserie

Genom en d-blocksserie skärmar tillagda d-elektroner bara delvis den ökande kärnladdningen. Atom- och jonradier drar ofta ihop sig måttligt.

Lantanoidkontraktion

Tillagda 4f-elektroner skärmar dåligt. Den effektiva kärnattraktionen ökar genom lantanoiderna och drar ihop det yttre elektronmolnet.

Att uppskatta skärmning utan att göra den till en exakt mätstorhet

Slaters regler ger en kontrollerad approximation

Slaters regler tilldelar empiriska bidrag efter skal och underskal. För en ns- eller np-elektron räknas elektroner i samma grupp svagare än elektroner i n − 1-skalet, medan djupare elektroner ofta behandlas som nästan fullständiga skärmare. Metoden är användbar för trender och handberäkningar men ersätter inte en modern kvantmekanisk beräkning.

Avstånd, skärmning och orbitalenergi är olika begrepp

En elektron kan ligga längre från kärnan därför att den befinner sig i ett större huvudskal; skärmning beskriver i stället hur annan elektrontäthet förändrar kärnattraktionen. De två sakerna ändras ofta tillsammans, men en förklaring bör inte bli cirkulär. Kärnladdning, elektronfördelning, penetration, skärmning och orbitalstorlek bör hållas isär.

Mer skärmning gör vanligtvis en elektron svagare bunden, men verkliga joniseringsenergier påverkas också av underskalets form, elektronparning, korrelation och relaxation av de återstående elektronerna. Skärmning är en viktig mekanism, inte en fullständig prognos i sig.

Övningar

Na och Cl

Varför hindrar skärmning inom samma skal inte att den effektiva attraktionen ökar från Na till Cl?

Lösning

Eftersom elektronerna som läggs till i n = 3 bara delvis skärmar de extra protonerna. Z ökar mer än S.

s eller d

Vilken orbitaltyp penetrerar starkare mot kärnan i jämförbara skal, s eller d, och blir därför mindre skärmad?

Lösning

s-orbitalen. En större del av dess täthet når korta avstånd och ligger där innanför mer av den övriga elektrontätheten.

Zr och Hf

Vilken idé hjälper till att förklara att Zr och Hf har nästan samma radie trots att de ligger i olika perioder?

Lösning

Lantanoidkontraktionen. 4f-elektronerna mellan Zr och Hf skärmar den ökade kärnladdningen dåligt, så Hf:s yttre elektronmoln dras ihop mer än en enkel regel om ökande storlek nedåt skulle förutsäga.