Carga Nuclear Efetiva: Conceito, Como Calcular e Exemplos

A carga nuclear efetiva (Zef) é a força de atração que o núcleo exerce sobre qualquer um dos elétrons após ser reduzido pelos efeitos da triagem e penetração. Se não houvesse tais efeitos, os elétrons sentiriam a força atrativa da carga nuclear real Z.

Na imagem abaixo, temos o modelo atômico de Bohr para um átomo fictício. Seu núcleo tem uma carga nuclear Z = + n, que atrai os elétrons que orbitam ao redor (os círculos azuis). Pode-se ver que dois elétrons estão em uma órbita mais próxima do núcleo, enquanto o terceiro elétron fica a uma distância maior dele.

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O terceiro elétron orbita sentindo as repulsões eletrostáticas dos outros dois elétrons, de modo que o núcleo o atrai com menos força; isto é, a interação núcleo-elétron diminui como resultado da triagem dos dois primeiros elétrons.

Então, os dois primeiros elétrons sentem a força atrativa de uma carga + n, mas o terceiro experimenta uma carga nuclear efetiva de + (n-2).

No entanto, o referido Zef seria válido apenas se as distâncias (o raio) do núcleo de todos os elétrons fossem sempre constantes e definidas, localizando suas cargas negativas (-1).

Conceito

Os prótons definem os núcleos dos elementos químicos e os elétrons, sua identidade, dentro de um conjunto de características (os grupos da tabela periódica).

Os prótons aumentam a carga nuclear Z a uma taxa de n + 1, que é compensada pela adição de um novo elétron para estabilizar o átomo.

À medida que o número de prótons aumenta, o núcleo “cobre” uma nuvem dinâmica de elétrons, na qual as regiões pelas quais circulam são definidas pela distribuição de probabilidade das partes radial e angular das funções das ondas ( os orbitais).

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A partir dessa abordagem, os elétrons não orbitam em uma região definida do espaço ao redor do núcleo, mas, como se fossem as pás de um ventilador em rotação rápida, se confundem com as formas dos orbitais conhecidos s, p, d e f.

Por esse motivo, a carga negativa -1 de um elétron é distribuída pelas regiões que penetram nos orbitais; Quanto maior o efeito penetrante, maior a carga nuclear efetiva que o elétron experimentará no orbital.

Efeitos de penetração e triagem

De acordo com a explicação anterior, os elétrons das camadas internas não contribuem com uma carga de -1 para a repulsão estabilizadora dos elétrons das camadas externas.

No entanto, esse núcleo (as camadas previamente preenchidas por elétrons) serve como uma “parede” que impede que a força atrativa do núcleo atinja os elétrons externos.

Isso é conhecido como efeito de tela ou efeito de proteção. Da mesma forma, nem todos os elétrons nas camadas externas experimentam a mesma magnitude desse efeito; Por exemplo, se eles ocupam um orbital que possui um caráter de alta penetração (ou seja, que transita muito perto do núcleo e de outros orbitais), você sentirá um Zef maior.

Como resultado, uma ordem de estabilidade energética surge dependendo desses Zef para os orbitais: s <p <d <f <… Assim, para o orbital 2s, mais penetrante que o 2p, seus elétrons experimentam um Zef maior que o sofrido pelo orbital. Elétrons orbitais 2p.

Isso significa que o orbital 2p tem mais energia (menos estabilizada pela carga do núcleo) do que o orbital 2s.

Quanto menor o efeito de penetração exercido pelo orbital, menor o efeito de tela no restante dos elétrons externos. Os orbitais dyf mostram muitos orifícios (nós) onde o núcleo atrai outros elétrons.

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Como calcular?

Supondo que as cargas negativas estejam localizadas, a fórmula para calcular o Zef para qualquer elétron é:

Zef = Z – σ

Nesta fórmula, σ é a constante de triagem determinada pelos elétrons do núcleo. Isso ocorre porque, teoricamente, os elétrons mais externos não contribuem para a blindagem dos elétrons internos. Em outras palavras, 1s 2 protege o elétron 2s 1 , mas 2s 1 não protege Zs aos elétrons 1s 2 .

Se Z = 40, negligenciando os efeitos mencionados, o último elétron experimentará um Zef igual a 1 (40-39).

Regra do Slater

A regra de Slater é uma boa aproximação dos valores de Zef para elétrons no átomo. Para aplicar é necessário continuar com as etapas abaixo:

1- A configuração eletrônica do átomo (ou íon) deve ser escrita da seguinte forma:

(1s) (2s 2p) (3s 3p) (3d) (4s 4p) (4d) (4f) …

2- Os elétrons que estão à direita do que está sendo considerado não contribuem para o efeito de triagem.

3- Os elétrons que estão dentro do mesmo grupo (marcados entre parênteses) contribuem com 0,35 a carga do elétron, a menos que seja o grupo 1s, sendo 0,30.

4- Se o elétron ocupa um orbital de sopro, todos os orbitais n-1 fornecem 0,85, e todos os orbitais n-2 uma unidade.

5- Caso o elétron ocupe um orbital dof, todos os que estão à esquerda contribuem com uma unidade.

Exemplos

Determinar Zef para 2s 2 elétrons orbitais em berílio

Seguindo o modo de representação de Slater, a configuração eletrônica de Be (Z = 4) é:

(1s 2 ) (2s 2 2p )

Como existem dois elétrons no orbital, um deles contribui para a blindagem do outro, e o orbital 1s é n-1 do orbital 2s. Então, desenvolvendo a soma algébrica, temos o seguinte:

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(0,35) (1) + (0,85) (2) = 2,05

0,35 vieram do elétron 2s e 0,85 dos dois elétrons do 1s. Agora, aplicando a fórmula Zef:

Zef = 4-2,05 = 1,95

O que significa isto? Significa que os elétrons no orbital 2s 2 experimentando uma carga de 1,95 que atrai para o núcleo, em vez da carga real de +4.

Determinar Zef para elétrons no orbital 3p 3 do fósforo

Novamente, continue como no exemplo anterior:

(1s 2 ) (2s 2 2p 6 ) (3s 2 3p 3 )

Agora a soma algébrica é desenvolvida para determinar σ:

(, 35) (4) + (0,85) (8) + (1) (2) = 10,2

Então, Zef é a diferença entre σ e Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Em conclusão, os últimos 3p 3 elétrons experimentam uma carga três vezes menos forte que a real. Deve-se notar também que, de acordo com essa regra, os elétrons 3s 2 experimentam o mesmo Zef, um resultado que pode gerar dúvidas sobre ele.

No entanto, há modificações na regra Slater que ajudam a aproximar os valores calculados dos reais.

Referências

  1. Libretexts de Química. (22 de outubro de 2016). Carga Nuclear Efetiva. Retirado de: chem.libretexts.org
  2. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica Nos elementos do grupo 1. (quarta edição., P. 19, 25, 26 e 30). Mc Graw Hill
  3. Regra de Slater. Retirado de: intro.chem.okstate.edu
  4. Lumen O efeito de blindagem e a carga nuclear efetiva. Retirado de: courses.lumenlearning.com
  5. Hoke Chris. (23 de abril de 2018). Como calcular a carga nuclear efetiva. Sciencing Retirado de: sciencing.com
  6. Dra. Arlene Courtney. (2008). Tendências Periódicas. Universidade de Oregon ocidental. Retirado de: wou.edu

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