ĐIỆN TÍCH HẠT NHÂN HIỆU DỤNG: KHÁI NIỆM, CÁCH TÍNH VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Điện tích hạt nhân hiệu dụng (Zef) là lực hấp dẫn mà hạt nhân tác dụng lên bất kỳ electron nào sau khi bị khử bởi tác dụng của che chắn và đâm xuyên. Nếu không có những tác động đó, các electron sẽ cảm nhận được lực hấp dẫn của điện tích hạt nhân thực tế Z.

Trong hình dưới, chúng ta có mô hình nguyên tử Bohr cho một nguyên tử hư cấu. Hạt nhân của nó có điện tích hạt nhân Z = + n, hút các electron quay xung quanh nó (các vòng tròn màu xanh lam). Có thể thấy rằng hai điện tử ở quỹ đạo gần hạt nhân hơn, trong khi điện tử thứ ba nằm xa nó hơn.

Electron thứ ba quay quanh quỹ đạo cảm nhận lực đẩy tĩnh điện của hai electron còn lại nên hạt nhân hút nó với lực nhỏ hơn; nghĩa là, tương tác hạt nhân-electron giảm do kết quả của sự che chắn của hai electron đầu tiên.

Vì vậy, hai điện tử đầu tiên cảm thấy lực hấp dẫn của điện tích + n, nhưng điện tử thứ ba chịu điện tích hạt nhân hiệu dụng là + (n-2) thay vào đó.

Tuy nhiên, Zef này sẽ chỉ có giá trị nếu khoảng cách (bán kính) tới hạt nhân của tất cả các electron luôn không đổi và xác định, xác định vị trí các điện tích âm của chúng (-1).

Ý tưởng

Các proton xác định hạt nhân của các nguyên tố hóa học, và các electron xác định danh tính của chúng trong một tập hợp các đặc điểm (các nhóm của bảng tuần hoàn).

Các proton làm tăng điện tích hạt nhân Z với tốc độ n + 1, điều này được bù lại bằng cách thêm một điện tử mới để ổn định nguyên tử.

Khi số lượng proton tăng lên, hạt nhân bị "bao phủ" bởi một đám mây động của các điện tử, trong đó các vùng mà chúng luân chuyển qua đó được xác định bởi sự phân bố xác suất của các phần hướng tâm và góc của các hàm sóng ( quỹ đạo).

Từ cách tiếp cận này, các electron không quay quanh một vùng không gian xác định xung quanh hạt nhân, mà giống như các cánh quạt quay nhanh, chúng mờ thành hình dạng của các obitan s, p, d và f đã biết.

Vì lý do này, điện tích âm -1 của một electron được phân bố bởi những vùng mà các obitan xuyên qua; Hiệu ứng đâm xuyên càng lớn thì điện tích hạt nhân hiệu dụng mà electron đó sẽ trải qua trong quỹ đạo càng lớn.

Hiệu ứng thâm nhập và che chắn

Theo giải thích trên, các electron ở lớp vỏ bên trong không đóng góp điện tích -1 vào lực đẩy ổn định của các electron ở lớp vỏ bên ngoài.

Tuy nhiên, hạt nhân này (các lớp vỏ trước đây được lấp đầy bởi các electron) đóng vai trò như một "bức tường" ngăn lực hấp dẫn của hạt nhân tiếp cận các electron bên ngoài.

Đây được gọi là hiệu ứng màn hình hoặc hiệu ứng che chắn. Ngoài ra, không phải tất cả các electron ở các lớp vỏ ngoài cùng chịu cùng độ lớn của hiệu ứng này; ví dụ, nếu bạn chiếm giữ một quỹ đạo có đặc tính xuyên thấu cao (tức là chuyển dịch rất gần hạt nhân và các quỹ đạo khác), thì bạn sẽ cảm thấy Zef cao hơn.

Kết quả là, một thứ tự ổn định năng lượng phát sinh như một hàm của Zef này đối với các obitan: s

Điều này có nghĩa là quỹ đạo 2p có năng lượng cao hơn (kém bền hơn bởi điện tích của hạt nhân) so với quỹ đạo 2s.

Hiệu ứng xuyên qua quỹ đạo tạo ra càng kém thì hiệu ứng màn chắn của nó đối với phần còn lại của các electron bên ngoài càng ít. Các obitan d và f thể hiện nhiều lỗ trống (nút) nơi hạt nhân hút các electron khác.

Làm thế nào để tính toán nó?

Giả sử các điện tích âm được bản địa hóa, công thức tính Zef cho bất kỳ điện tử nào là:

Zef = Z - σ

Trong công thức này, σ là hằng số che chắn được xác định bởi các electron của hạt nhân. Điều này là do, về mặt lý thuyết, các electron lớp ngoài cùng không góp phần vào việc che chắn các electron bên trong. Nói cách khác, 1s ² che chắn cho 2s ¹ electron , nhưng 2s ¹ không Z chắn cho 1s ² electron .

Nếu Z = 40, bỏ qua các hiệu ứng đã đề cập, thì electron cuối cùng sẽ trải qua một Zef bằng 1 (40-39).

Quy tắc của Slater

Quy tắc Slater là một giá trị gần đúng của Zef đối với các electron trong nguyên tử. Để áp dụng nó, hãy làm theo các bước dưới đây:

1- Cấu hình điện tử của nguyên tử (hoặc ion) phải được viết như sau:

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

2- Các electron ở bên phải của một được coi là không đóng góp vào hiệu ứng che chắn.

3- Các electron nằm trong cùng một nhóm (được đánh dấu bằng dấu ngoặc đơn) cung cấp điện tích của electron là 0,35 trừ khi nó là nhóm 1s, thay vào đó là 0,30.

4- Nếu electron chiếm một obitan s, thì tất cả các obitan n-1 đóng góp 0,85 và tất cả các obitan n-2 đóng góp một đơn vị.

5- Trong trường hợp electron chiếm một quỹ đạo dof, tất cả các quỹ đạo bên trái của nó đóng góp một đơn vị.

Ví dụ

Xác định Zef cho các electron trong quỹ đạo 2s

Theo phương thức biểu diễn của Slater, cấu hình điện tử của Be (Z = 4) là:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁰ )

Vì có hai electron trong quỹ đạo, nên một trong số này góp phần che chắn cho quỹ đạo kia, và quỹ đạo 1s là n-1 của quỹ đạo 2s. Sau đó, khai triển tổng đại số chúng ta có như sau:

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

0,35 đến từ electron 2s và 0,85 từ hai electron 1s. Bây giờ, áp dụng công thức của Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Điều đó có nghĩa là gì? Điều đó có nghĩa là các electron trong quỹ đạo 2s ² trải qua một điện tích +1,95 kéo chúng về phía hạt nhân, thay vì điện tích thực là +4.

Xác định Zef cho các electron trong quỹ đạo 3p

Một lần nữa, nó tiếp tục như trong ví dụ trước:

(1s ² ) (2s ² 2p ⁶ ) (3s ² 3p ³ )

Bây giờ tổng đại số được phát triển để xác định σ:

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

Vì vậy, Zef là sự khác biệt giữa σ và Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Suy ra, 3p ³ electron cuối cùng chịu một điện tích mạnh hơn điện tích thực ba lần. Cũng cần lưu ý rằng, theo quy tắc này, các điện tử 3s ² trải qua cùng một Zef, một kết quả có thể làm dấy lên nghi ngờ về vấn đề này.

Tuy nhiên, có những sửa đổi đối với quy tắc của Slater giúp ước tính các giá trị được tính toán gần đúng với giá trị thực tế.

Người giới thiệu

1. Hóa học Libretexts. (2016, ngày 22 tháng 10). Điện tích hạt nhân hiệu quả. Lấy từ: chem.libretexts.org
2. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. Trong Các yếu tố của nhóm 1. (Tái bản lần thứ tư., Trang 19, 25, 26 và 30). Đồi Mc Graw.
3. Quy tắc của Slater. Lấy từ: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. Hiệu ứng che chắn và điện tích hạt nhân hiệu quả. Lấy từ: Course.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (Ngày 23 tháng 4 năm 2018). Cách Tính Điện Tích Hạt Nhân Hiệu Quả. Đấu kiếm. Lấy từ: sciining.com
6. Tiến sĩ Arlene Courtney. (2008). Xu hướng định kỳ. Đại học Western Oregon. Lấy từ: wou.edu