Екранування

Заряд ядра збільшується швидше, ніж головне квантове число (наприклад, за
n = 1, Z = 1 та 2; n = 2, Z = 3…10), можна очікувати, що енергія, необхідна для відщеплення електрона від атома, повинна збільшуватися зі збільшенням Z. Це не так.

І (Н) = 1312 кДж/моль

І (Li) = 520 кДж/моль

Менше значення енергії іонізації Li пояснюється:

ü середня відстань 2 s – електрона від ядра більша, ніж 1 s – електрона;

ü 2 s – електрон атома Li відштовхується від внутрішніх 1 s ² – електронів, що полегшує його відщеплення.

"Внутрішнє" відштовхування пояснюється також "екрануванням" ядра внутрішніми електронами, що спричиняє притягання валентних електронів лише часткою загального заряда ядра. Ця частка називається ефективним зарядом ядра Z_еф.

Z_еф (Li) = +1,3 (замість 3).

Електронна густина 1 s – орбіталі знаходиться ближче до ядра, ніж густина 2 s - орбіталі. Закони електростатики стверджують, що коли пробний заряд (2 s – електрони) не накладається на інший заряд (1 s – електрони), потенціал буде таким самим, якби цей інший заряд знаходився у центрі (в ядрі). Тоді валентному електрону на 2 s – орбіталі відповідав би потенціал, еквівалентний одиничному ефективному заряду ядра (Z_еф = 1,0).

Якби заряд 2 s – електрона проникав у поле 1 s – електрона, він був би екранований і відповідав би потенціалу, еквівалентному повному заряду ядра
(Z_еф = 3,0).

За часткового проникнення енергія орбіталі 2 s – електрона не змінюється, але енергія іонізації 2 s – електрона визначається вже ефективним ядерним зарядом Z_еф, який дещо менший дійсного заряду ядра:

Z_еф = Z - S

S – константа екранування.

Завдяки наявності одного чи декількох максимумів електронної густини біля ядра s – орбіталі є сильно проникливими в орбіталі попередніх рівнів і менш екранованими електронами, які розташовані на цих попередніх рівнях, ніж орбіталі з більшим значенням l.

В свою чергу, s – орбіталі екранують в більшій мірі, ніж інші орбіталі. Найбільш проникливими та найменш екрануючими є орбіталі з високими значеннями l (d –та f – орбіталі).

Розрахунок константи екранування (за Слетером) на ns - або np – орбіталі:

а) записують електронну конфігурацію атома елемента як наступні групи орбіталей: (1 s) (2 s 2 p) (3 s 3 p) (3 d) (4 s 4 p) (4 d) (4 f) (5 s 5 p) (5 d) (5 f) …

б) електрони будь-якого угруповання справа від (n s n p) – групи не уносять внеску у константу екранування;

в) приймають, що усі електрони цієї (ns np) – групи, що залишилися, екранують валентний електрон з внеском 0,35 на кожний з них;

г) припускають, що усі електрони на (n – 1) – рівні екранують з внеском 0,85 на кожний з них, усі електрони (n – 2) – рівня або нижче екранують валентний електрон повністю (внесок 1,00).

Якщо екранований електрон знаходиться у nd –або nf – групах, правила б) та в) залишаються, а правило г) змінюється: усі електрони в групах, які розташовані зліва nd –або nf – груп, вносять 1,00 у константу екранування.

Розрахунок Z_еф для валентного 2 р – електрона в атомі нітрогену:

згрупована електронна конфігурація (1 s)² (2 s 2 p)⁵

S = 2 ∙ 0,85 + (5-1) ∙ 0,35 = 3,10 (5ē 2 s 2 p мінус один, для якого проводиться розрахунок).

Z_еф = Z – S = 7,0 – 3,1 = 3,9.

Розрахунок Z_еф для валентного 4 s – електрона в атомі цинку:

згрупована електронна конфігурація (1 s)² (2 s 2 p)⁸ (3 s 3 p)⁸ (3 d)¹⁰ (4 s)²

S = (2 + 8) ∙ 1,00 + (8 + 10) ∙ 0,85 + (2 – 1) ∙ 0,35 = 25,65 (2ē 4 s мінус один, для якого проводиться розрахунок).

Z_еф = Z – S = 30,0 – 25,65 = 4,35.

Розрахунок Z_еф для валентного 3 d – електрона в атомі цинку:

згрупована електронна конфігурація (1 s)² (2 s 2 p)⁸ (3 s 3 p)⁸ (3 d)¹⁰ (4 s)²

S = (2 + 8 + 8) ∙ 1,00 + (10 – 1) ∙ 0,35 = 21,15 (10ē 3 d мінус один, для якого проводиться розрахунок).

Z_еф = Z – S = 30,0 – 21,15 = 8,85.

Енергія іонізації залежить від ефективного заряду ядра, радіусу атома, екрануючої дії електронів:

а) збільшується (більша взаємодія електрона з ядром), збільшується;

б) збільшується (менша взаємодія ē з ядром), зменшується;

в) характер підрівнів (чим міцніше електрон на підрівні сполучений з ядром, тим важче його відщепити), – електрон відщепити важче, ніж – електрон, – електрон відщепити важче, ніж – електрон.

г) ефект екранування ( зменшується в міру збільшення числа екрануючих електронів);

д) характер забудови електронами підрівнів: відрізняються підвищеною стійкістю.

Наприклад, зміна енергії іонізації атомів елементів ІІ періоду:

екрануюча дія електронів – однакова.

Енергія іонізації змінюється періодично. В межах періоду зростає зліва направо, в головних підгрупах зменшується зверху вниз.