Carga nuclear efectiva

En física atómica, la carga nuclear efectiva es la cantidad real de carga positiva (nuclear) experimentada por un electrón en un átomo multielectrónico. El término "efectivo" se utiliza porque el efecto de protección de los electrones cargados negativamente impide que los electrones de mayor energía experimenten la carga nuclear completa del núcleo debido al efecto repelente de la capa interna. La carga nuclear efectiva que experimenta un electrón también se llama carga central. Es posible determinar la fuerza de la carga nuclear mediante el número de oxidación del átomo. La mayoría de las propiedades físicas y químicas de los elementos pueden explicarse basándose en la configuración electrónica. Considere el comportamiento de las energías de ionización en la tabla periódica. Se sabe que la magnitud del potencial de ionización depende de los siguientes factores:

1. Tamaño del átomo;
2. La carga nuclear;
3. El efecto de detección de las cáscaras interiores, y
4. La medida en que el electron exterior penetra en la nube de carga establecida por el electron de mentira interior.

En la tabla periódica, la carga nuclear efectiva disminuye en un grupo y aumenta de izquierda a derecha a lo largo de un período.

Descripción

El número atómico efectivo Z_eff (a veces denominado carga nuclear efectiva) de un átomo es el número de protones que un electrón en el elemento "ve" efectivamente. debido al apantallamiento por los electrones de la capa interna. Es una medida de la interacción electrostática entre los electrones cargados negativamente y los protones cargados positivamente en el átomo. Se puede considerar que los electrones de un átomo están "apilados" en direcciones opuestas. por energía fuera del núcleo; los electrones de menor energía (como los electrones 1s y 2s) ocupan el espacio más cercano al núcleo, y los electrones de mayor energía se encuentran más lejos del núcleo.

La energía de enlace de un electrón, o la energía necesaria para eliminar el electrón del átomo, es una función de la interacción electrostática entre los electrones cargados negativamente y el núcleo cargado positivamente. Por ejemplo, en el hierro (número atómico 26), el núcleo contiene 26 protones. Los electrones que están más cerca del núcleo "verán" el núcleo. casi todos ellos. Sin embargo, los electrones más alejados son protegidos del núcleo por otros electrones intermedios y, como resultado, sienten menos interacción electrostática. El electrón 1s del hierro (el más cercano al núcleo) tiene un número atómico efectivo (número de protones) de 25. La razón por la que no es 26 es que algunos de los electrones del átomo terminan repeliendo a los demás, dando una interacción electrostática neta más baja con el núcleo. Una forma de visualizar este efecto es imaginar el electrón 1s sentado a un lado de los 26 protones en el núcleo, con otro electrón sentado al otro lado; cada electrón sentirá menos que la fuerza de atracción de 26 protones porque el otro electrón contribuye con una fuerza repulsiva. Los electrones 4s del hierro, que están más alejados del núcleo, sienten un número atómico efectivo de sólo 5,43 debido a los 25 electrones entre él y el núcleo que protegen la carga.

Los números atómicos efectivos son útiles no sólo para comprender por qué los electrones más alejados del núcleo están mucho más débilmente unidos que los más cercanos al núcleo, sino también porque pueden decirnos cuándo usar métodos simplificados para calcular otras propiedades e interacciones. Por ejemplo, el litio, de número atómico 3, tiene dos electrones en la capa 1s y uno en la capa 2s. Debido a que los dos electrones 1s protegen a los protones para dar un número atómico efectivo para el electrón 2s cercano a 1, podemos tratar este electrón de valencia 2s con un modelo hidrogénico.

Matemáticamente, el número atómico efectivo Z_eff se puede calcular utilizando métodos conocidos como "campo autoconsistente" cálculos, pero en situaciones simplificadas se toma simplemente como el número atómico menos el número de electrones entre el núcleo y el electrón que se está considerando.

Cálculos

En un átomo con un electrón, ese electrón experimenta la carga completa del núcleo positivo. En este caso, la carga nuclear efectiva se puede calcular mediante la ley de Coulomb.

Sin embargo, en un átomo con muchos electrones, los electrones externos son simultáneamente atraídos por el núcleo positivo y repelidos por los electrones cargados negativamente. La carga nuclear efectiva de dicho electrón viene dada por la siguiente ecuación:

$${displaystyle Z_{mathrm {}=Z-S}$$

• Z es el número de protones en el núcleo (número atómico), y
• S es la constante de blindaje.

S se puede encontrar mediante la aplicación sistemática de varios conjuntos de reglas.

Reglas de Slater

El método más sencillo para determinar la constante de blindaje de un electrón determinado es el uso de las "reglas de Slater" (llamado así por John C. Slater). Estas reglas algebraicas son significativamente más simples que encontrar constantes de blindaje mediante el cálculo ab initio.

Método Hartree-Fock

Un método más justificado teóricamente es calcular la constante de blindaje utilizando el método Hartree-Fock. Douglas Hartree definió la Z efectiva de un orbital Hartree-Fock como:

$${displaystyle Z_{mathrm}={frac {langle rrangle _{rm} {H}{langle rrangle - Sí.$$

• ${displaystyle langle rrangle _{rm {H}}$ es el radio medio del orbital para hidrógeno, y
• ${displaystyle langle rrangle ¿Qué?$ es el radio medio del orbital para una configuración proton con carga nuclear Z.

Valores

Clementi et al. proporcionaron valores de carga nuclear efectiva actualizados en 1963 y 1967. En su trabajo, se optimizaron las constantes de detección para producir valores de carga nuclear efectiva que coincidieran con los cálculos de SCF. Aunque son útiles como modelo predictivo, las constantes de detección resultantes contienen poca información química como modelo cualitativo de la estructura atómica.

Comparación con carga nuclear

La carga nuclear es la carga eléctrica del núcleo de un átomo, igual al número de protones en el núcleo multiplicado por la carga elemental. Por el contrario, la carga nuclear efectiva es la carga positiva de atracción de los protones nucleares que actúan sobre los electrones de valencia, que siempre es menor que el número total de protones presentes en un núcleo debido al efecto de blindaje.

Recursos

• Brown, Theodore; intekhab khan, H.E.; & Bursten, Bruce (2002). Química: La Ciencia Central (8a edición revisada). Upper Saddle River, New Jersey 07458: Prentice-Hall. ISBN 0-13-061142-5.