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carga nuclear efectiva

En física atómica , la carga nuclear efectiva de un electrón en un átomo o ion multielectrónico es el número de cargas elementales ( mi {\displaystyle e} ) un electrón experimen...

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En física atómica , la carga nuclear efectiva de un electrón en un átomo o ion multielectrónico es el número de cargas elementales (mi{\displaystyle e}) un electrón experimenta por el núcleo. Se denota por Z eff o Z*. [ 1 ] El término "efectivo" se usa porque el efecto de apantallamiento de los electrones con carga negativa impide que los electrones de mayor energía experimenten la carga nuclear completa del núcleo debido al efecto repulsivo de la capa interna. La carga nuclear efectiva experimentada por un electrón también se llama carga del núcleo. Es posible determinar la fuerza de la carga nuclear por el número de oxidación del átomo. La mayoría de las propiedades físicas y químicas de los elementos se pueden explicar en función de la configuración electrónica. Consideremos 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. El tamaño de un átomo
  2. La carga nuclear; número de oxidación
  3. El efecto de protección de las capas internas
  4. El grado en que el electrón más externo penetra en la nube de carga establecida por el electrón que se encuentra en el interior.

En la tabla periódica, la carga nuclear efectiva disminuye al descender 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 electrón en un átomo multielectrónico es el número de protones que este electrón "ve" efectivamente debido al apantallamiento de los electrones de las capas internas . Es una medida de la interacción electrostática entre los electrones con carga negativa y los protones con carga positiva en el átomo. Se puede considerar que los electrones en un átomo están "apilados" 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 alejados del núcleo.

La energía de enlace de un electrón, o la energía necesaria para extraer el electrón del átomo, es una función de la interacción electrostática entre los electrones con carga negativa y el núcleo con carga positiva. Por ejemplo, en el hierro (número atómico 26), el núcleo contiene 26 protones. Los electrones más cercanos al núcleo "verán" casi todos ellos. Sin embargo, los electrones más alejados son apantallados del núcleo por otros electrones intermedios y, como resultado, experimentan una menor interacción electrostática. El electrón 1s del hierro (el más cercano al núcleo) ve 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, lo que da una interacción electrostática neta menor con el núcleo. Una forma de visualizar este efecto es imaginar al electrón 1s situado a un lado de los 26 protones del núcleo, con otro electrón situado al otro lado; Cada electrón experimentará una fuerza de atracción menor que la de 26 protones, debido a que el otro electrón ejerce una fuerza de repulsión. Los electrones 4s del hierro, que son los más alejados del núcleo, experimentan una carga efectiva de tan solo 5,43 debido a que los 25 electrones que se encuentran entre el hierro y el núcleo apantallan dicha carga.

Los números atómicos efectivos son útiles no solo para comprender por qué los electrones más alejados del núcleo están mucho más débilmente ligados que los más cercanos, sino también porque nos indican cuándo usar métodos simplificados para calcular otras propiedades e interacciones. Por ejemplo, el litio , con número atómico 3, tiene dos electrones en la capa 1s y uno en la capa 2s. Dado que los dos electrones 1s apantallan a los protones, lo que da como resultado un número atómico efectivo para el electrón 2s cercano a 1, podemos tratar este electrón de valencia 2s con un modelo hidrogenoide.

Matemáticamente, el número atómico efectivo Z eff se puede calcular utilizando métodos conocidos como cálculos de " campo autoconsistente ", pero en situaciones simplificadas simplemente se toma 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 . [ 2 ]

Sin embargo, en un átomo con muchos electrones, los electrones externos son atraídos simultáneamente por el núcleo positivo y repelidos por los electrones con carga negativa. La carga nuclear efectiva de dicho electrón viene dada por la siguiente ecuación: ZmiFF=Z−S{\displaystyle Z_{\mathrm {eff} }=ZS} dónde

  • Z{\displaystyle Z}es el número de protones en el núcleo ( número atómico ) y
  • S{\displaystyle S}es la constante de blindaje.

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

Las reglas de Slater

El método más sencillo para determinar la constante de apantallamiento para un electrón dado es el uso de las " reglas de Slater ", ideadas por John C. Slater y publicadas en 1930. [ 3 ] Estas reglas algebraicas son significativamente más sencillas que encontrar constantes de apantallamiento mediante cálculo ab initio .

Método Hartree-Fock

Un método con mayor justificación teórica consiste en calcular la constante de apantallamiento utilizando el método de Hartree-Fock . Douglas Hartree definió la Z efectiva de un orbital de Hartree-Fock como: ZmiFF=⟨r⟩H⟨r⟩Z{\displaystyle Z_{\mathrm {eff} }={\frac {\langle r\rangle _{\rm {H}}}{\langle r\rangle _{Z}}}} dónde

  • ⟨r⟩H{\displaystyle \langle r\rangle _ {\rm {H}}}es el radio medio del orbital para el hidrógeno y
  • ⟨r⟩Z{\displaystyle \langle r\rangle _ {Z}}es el radio medio del orbital para una configuración de protón con carga nuclear Z.

Valores

Clementi et al. proporcionaron valores actualizados de carga nuclear efectiva en 1963 y 1967. [ 4 ] [ 5 ] En su trabajo, las constantes de apantallamiento se optimizaron para producir valores de carga nuclear efectiva que coincidieran con los cálculos SCF. Si bien son útiles como modelo predictivo, las constantes de apantallamiento resultantes ofrecen poca información química como modelo cualitativo de la estructura atómica.

Comparación con la 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 . En cambio, la carga nuclear efectiva es la carga positiva atractiva de los protones nucleares que actúa sobre los electrones de valencia, la cual siempre es menor que el número total de protones presentes en un núcleo debido al efecto de apantallamiento . [ 6 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Carga nuclear efectiva" . www.hellenicaworld.com . Archivado del original el 15/11/2024 . Consultado el 22/02/2026 .
  2. ↑ Huray, Paul G. Ecuaciones de Maxwell . Hoboken, Nueva Jersey: Wiley. ISBN 978-0-470-54991-9OCLC 739118459​​ 
  3. ↑ Slater, JC (1930). "Constantes de apantallamiento atómico" (PDF) . Phys. Rev. 36 ( 1): 57– 64. Bibcode : 1930PhRv...36...57S . doi : 10.1103/PhysRev.36.57 . Archivado del original (PDF) el 23 de marzo de 2012.
  4. ↑ Clementi, E.; Raimondi, DL (1963). "Constantes de apantallamiento atómico a partir de funciones SCF". J. Chem. Phys . 38 (11): 2686– 2689. Bibcode : 1963JChPh..38.2686C . doi : 10.1063/1.1733573 .
  5. ↑ Clementi, E.; Raimondi, DL; Reinhardt, WP (1967). "Constantes de apantallamiento atómico a partir de funciones SCF. II. Átomos con 37 a 86 electrones". Journal of Chemical Physics . 47 (4): 1300– 1307. Bibcode : 1967JChPh..47.1300C . doi : 10.1063/1.1712084 .
  6. ↑ "Carga nuclear efectiva: definición y tendencias - Wiki de la UBC" .

Lecturas adicionales

  • 2.5: Carga nuclear efectiva . Química LibreTexts .
  • Brown, Theodore; Intekhab Khan, HE; ​​y Bursten, Bruce (2002). Química: La ciencia central (8.ª edición revisada). Upper Saddle River, Nueva Jersey 07458: Prentice-Hall. ISBN 0-13-061142-5.
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