آلة حساب الشحنة النووية الفعالة

مقدمة

تُعتبر آلة حساب الشحنة النووية الفعالة (Z_eff) أداة أساسية لفهم التركيب الذري والسلوك الكيميائي. تمثل الشحنة النووية الفعالة الشحنة النووية الفعلية التي يتعرض لها إلكترون في ذرة متعددة الإلكترونات، مع الأخذ في الاعتبار تأثير التغطية من الإلكترونات الأخرى. تساعد هذه المفهوم الأساسي في تفسير الاتجاهات الدورية في خصائص الذرات، والروابط الكيميائية، والخصائص الطيفية.

تقوم آلة حساب الشحنة النووية الفعالة سهلة الاستخدام لدينا بتطبيق قواعد سلاتر لتوفير قيم دقيقة لـ Z_eff لأي عنصر في الجدول الدوري. من خلال إدخال الرقم الذري واختيار قشرة الإلكترون المعنية، يمكنك تحديد الشحنة النووية الفعالة التي يتعرض لها الإلكترونات في تلك القشرة على الفور.

فهم الشحنة النووية الفعالة أمر حيوي للطلاب والمعلمين والباحثين في الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد. تبسط هذه الآلة الحسابات المعقدة بينما تقدم رؤى تعليمية حول التركيب الذري وسلوك الإلكترونات.

ما هي الشحنة النووية الفعالة؟

تمثل الشحنة النووية الفعالة (Z_eff) الشحنة الإيجابية الصافية التي يتعرض لها إلكترون في ذرة متعددة الإلكترونات. بينما يحتوي النواة على بروتونات بشحنات إيجابية تساوي الرقم الذري (Z)، لا تتعرض الإلكترونات لهذه الشحنة النووية الكاملة بسبب تأثير التغطية (المعروف أيضًا بالتغطية).

العلاقة بين الشحنة النووية الفعلية والشحنة النووية الفعالة تُعطى بالمعادلة:

$Z_{eff} = Z - S$

حيث:

• Z_eff هي الشحنة النووية الفعالة
• Z هو الرقم الذري (عدد البروتونات)
• S هو ثابت التغطية (مقدار الشحنة النووية التي تم تغطيتها بواسطة الإلكترونات الأخرى)

تفسر الشحنة النووية الفعالة العديد من الاتجاهات الدورية بما في ذلك:

• نصف القطر الذري: مع زيادة Z_eff، يتم سحب الإلكترونات بشكل أكثر إحكامًا نحو النواة، مما يقلل من نصف القطر الذري
• طاقة التأين: تعني Z_eff الأعلى أن الإلكترونات تُحتجز بشكل أكثر إحكامًا، مما يزيد من طاقة التأين
• الألفة الإلكترونية: تؤدي Z_eff الأعلى عمومًا إلى جذب أقوى للإلكترونات الإضافية
• الكهربية السلبية: تميل العناصر ذات Z_eff الأعلى إلى جذب الإلكترونات المشتركة بشكل أقوى

قواعد سلاتر لحساب الشحنة النووية الفعالة

في عام 1930، طور الفيزيائي جون سي. سلاتر مجموعة من القواعد لتقريب ثابت التغطية (S) في الذرات متعددة الإلكترونات. توفر هذه القواعد طريقة منهجية لتقدير الشحنة النووية الفعالة دون الحاجة إلى حسابات ميكانيكية كمومية معقدة.

تجميع الإلكترونات في قواعد سلاتر

تبدأ قواعد سلاتر بتجميع الإلكترونات بالترتيب التالي:

1. (1s)
2. (2s، 2p)
3. (3s، 3p)
4. (3d)
5. (4s، 4p)
6. (4d)
7. (4f)
8. (5s، 5p) ... وهكذا

ثوابت التغطية وفقًا لقواعد سلاتر

تتبع المساهمة في ثابت التغطية من مجموعات الإلكترونات المختلفة هذه القواعد:

1. تساهم الإلكترونات في المجموعات الأعلى من الإلكترون المعني بـ 0.00 في ثابت التغطية
2. تساهم الإلكترونات في نفس المجموعة كالإلكترون المعني:
   • بالنسبة لإلكترونات 1s: تساهم الإلكترونات الأخرى في المجموعة بـ 0.30 في S
   • بالنسبة لإلكترونات ns وnp: تساهم الإلكترونات الأخرى في المجموعة بـ 0.35 في S
   • بالنسبة لإلكترونات nd وnf: تساهم الإلكترونات الأخرى في المجموعة بـ 0.35 في S
3. تساهم الإلكترونات في المجموعات الأقل من الإلكترون المعني:
   • 0.85 في S لكل إلكترون في القشرة (n-1)
   • 1.00 في S لكل إلكترون في القشور الأقل من (n-1)

مثال على الحساب

بالنسبة لذرة الكربون (Z = 6) مع تكوين إلكتروني 1s²2s²2p²:

لإيجاد Z_eff لإلكترون 2p:

• المجموعة 1: (1s²) تساهم بـ 2 × 0.85 = 1.70 في S
• المجموعة 2: (2s²2p¹) تساهم الإلكترونات الأخرى في نفس المجموعة بـ 3 × 0.35 = 1.05 في S
• إجمالي ثابت التغطية: S = 1.70 + 1.05 = 2.75
• الشحنة النووية الفعالة: Z_eff = 6 - 2.75 = 3.25

هذا يعني أن إلكترون 2p في الكربون يتعرض لشحنة نووية فعالة تبلغ حوالي 3.25 بدلاً من الشحنة النووية الكاملة البالغة 6.

كيفية استخدام آلة حساب الشحنة النووية الفعالة

تبسط الآلة لدينا العملية المعقدة لتطبيق قواعد سلاتر. اتبع هذه الخطوات لحساب الشحنة النووية الفعالة لأي عنصر:

1. أدخل الرقم الذري (Z): أدخل الرقم الذري للعنصر الذي تهتم به (1-118)
2. اختر قشرة الإلكترون (n): اختر عدد الكم الرئيسي (القشرة) التي تريد حساب الشحنة النووية الفعالة لها
3. عرض النتيجة: ستعرض الآلة على الفور الشحنة النووية الفعالة (Z_eff) التي يتعرض لها الإلكترونات في تلك القشرة
4. استكشاف التصور: راقب تصور الذرة الذي يظهر النواة وقشور الإلكترون، مع تسليط الضوء على القشرة المحددة

تتحقق الآلة تلقائيًا من مدخلاتك لضمان أنها ذات معنى فيزيائي. على سبيل المثال، لا يمكنك اختيار قشرة إلكترون لا توجد في عنصر معين.

فهم النتائج

تخبرك الشحنة النووية الفعالة المحسوبة بمدى قوة جذب الإلكترونات في القشرة المحددة للنواة. تشير القيم الأعلى إلى جذب أقوى، والذي يرتبط عمومًا بـ:

• نصف قطر ذري أصغر
• طاقة تأين أعلى
• كهربية سلبية أكبر
• قدرات ربط أقوى

ميزات التصور

يوفر تصور الذرة في الآلة لدينا تمثيلًا بديهيًا لـ:

• النواة، معلمة بالرقم الذري
• قشور الإلكترون كدوائر متحدة المركز حول النواة
• تسليط الضوء على القشرة المحددة التي يتم حساب Z_eff لها

يساعد هذا التصور في بناء الفهم حول التركيب الذري والعلاقة بين قشور الإلكترون والشحنة النووية.

حالات الاستخدام لحسابات الشحنة النووية الفعالة

فهم الشحنة النووية الفعالة له العديد من التطبيقات في الكيمياء والفيزياء والحقول ذات الصلة:

1. التطبيقات التعليمية

• تعليم الاتجاهات الدورية: توضيح لماذا ينخفض نصف القطر الذري عبر فترة ويزداد أسفل مجموعة
• شرح سلوك الروابط: توضيح لماذا تشكل العناصر ذات الشحنة النووية الفعالة الأعلى روابط أقوى
• فهم الطيف: مساعدة الطلاب على فهم لماذا تختلف أطياف الانبعاث والامتصاص بين العناصر

2. التطبيقات البحثية

• الكيمياء الحاسوبية: توفير معلمات أولية لحسابات ميكانيكية كمومية أكثر تعقيدًا
• علوم المواد: توقع خصائص المواد الجديدة استنادًا إلى الخصائص الذرية
• تصميم الأدوية: فهم توزيع الإلكترونات في الجزيئات لتطوير الأدوية

3. التطبيقات العملية

• الهندسة الكيميائية: تحسين المحفزات بناءً على الخصائص الإلكترونية للعناصر
• تصميم أشباه الموصلات: اختيار المواد المضافة المناسبة بناءً على خصائصها الإلكترونية
• تكنولوجيا البطاريات: تطوير مواد القطب المحسنة بخصائص إلكترونية مرغوبة

بدائل

بينما توفر قواعد سلاتر طريقة مباشرة لتقدير الشحنة النووية الفعالة، هناك طرق بديلة:

1. حسابات ميكانيكية كمومية: طرق أكثر دقة ولكنها تتطلب حسابات كثيفة مثل طريقة هارتري-فوك أو نظرية الوظيفة الكثافة (DFT)
2. القيم النووية الفعالة من كليمنتي-رايموندي: قيم مستمدة تجريبيًا استنادًا إلى البيانات التجريبية
3. Zeff من الأطياف الذرية: تحديد الشحنة النووية الفعالة من القياسات الطيفية
4. طرق المجال الذاتي المتسق: طرق تكرارية تحسب توزيع الإلكترونات والشحنة النووية الفعالة في نفس الوقت

كل طريقة لها مزاياها وقيودها، حيث توفر قواعد سلاتر توازنًا جيدًا بين الدقة والبساطة للأغراض التعليمية والعديد من الأغراض العملية.

تاريخ مفهوم الشحنة النووية الفعالة

تطور مفهوم الشحنة النووية الفعالة جنبًا إلى جنب مع فهمنا للتركيب الذري:

النماذج الذرية المبكرة

في أوائل القرن العشرين، أسس العلماء مثل ج.ج. طومسون وإرنست رذرفورد التركيب الأساسي للذرات مع نواة مشحونة إيجابيًا محاطة بالإلكترونات. ومع ذلك، لم تتمكن هذه النماذج من تفسير الاتجاهات الدورية في خصائص العناصر.

نموذج بور وما بعده

قدم نموذج نيلز بور في عام 1913 مدارات إلكترونية متكممة، لكنه لا يزال يعامل الإلكترونات كجسيمات مستقلة. أصبح من الواضح أن التفاعلات بين الإلكترونات كانت حاسمة لفهم الذرات متعددة الإلكترونات.

تطوير قواعد سلاتر

في عام 1930، نشر جون سي. سلاتر ورقته الشهيرة "ثوابت التغطية الذرية" في مجلة الفيزياء. قدم مجموعة من القواعد التجريبية لتقدير تأثير التغطية في الذرات متعددة الإلكترونات، مما يوفر طريقة عملية لحساب الشحنة النووية الفعالة دون حل معادلة شرودنجر بالكامل.

التحسينات الحديثة

منذ عمل سلاتر الأصلي، تم اقتراح تحسينات متنوعة:

• قيم كليمنتي-رايموندي (1963): نشر إنريكو كليمنتي ودانييل رايموندي قيم Z_eff الأكثر دقة استنادًا إلى حسابات هارتري-فوك
• طرق ميكانيكية كمومية: تطوير أساليب حسابية تحسب توزيع كثافة الإلكترونات بدقة متزايدة
• التأثيرات النسبية: الاعتراف بأن العناصر الثقيلة تؤثر بشكل كبير على الشحنة النووية الفعالة

اليوم، بينما توجد طرق أكثر تعقيدًا، تظل قواعد سلاتر قيمة لأغراض تعليمية وك نقطة انطلاق لحسابات أكثر تعقيدًا.

أمثلة على الشيفرات لحساب الشحنة النووية الفعالة

إليك تنفيذات لقواعد سلاتر في لغات برمجة مختلفة:

1def calculate_effective_nuclear_charge(atomic_number, electron_shell):
2    """
3    حساب الشحنة النووية الفعالة باستخدام قواعد سلاتر
4    
5    المعلمات:
6    atomic_number (int): الرقم الذري للعنصر
7    electron_shell (int): عدد الكم الرئيسي للقشرة
8    
9    العائدات:
10    float: الشحنة النووية الفعالة
11    """
12    if atomic_number < 1:
13        raise ValueError("يجب أن يكون الرقم الذري على الأقل 1")
14        
15    if electron_shell < 1 or electron_shell > max_shell_for_element(atomic_number):
16        raise ValueError("قشرة الإلكترون غير صالحة لهذا العنصر")
17    
18    # حساب ثابت التغطية باستخدام قواعد سلاتر
19    screening_constant = 0
20    
21    # تنفيذ مبسط للعناصر الشائعة
22    if electron_shell == 1:  # قشرة K
23        if atomic_number == 1:  # الهيدروجين
24            screening_constant = 0
25        elif atomic_number == 2:  # الهيليوم
26            screening_constant = 0.3
27        else:
28            screening_constant = 0.3 * (atomic_number - 1)
29    elif electron_shell == 2:  # قشرة L
30        if atomic_number <= 4:  # الليثيوم، البريليوم
31            screening_constant = 1.7
32        elif atomic_number <= 10:  # البورون حتى النيون
33            screening_constant = 1.7 + 0.35 * (atomic_number - 4)
34        else:
35            screening_constant = 3.25 + 0.5 * (atomic_number - 10)
36    
37    # حساب الشحنة النووية الفعالة
38    effective_charge = atomic_number - screening_constant
39    
40    return effective_charge
41
42def max_shell_for_element(atomic_number):
43    """تحديد الحد الأقصى لعدد القشرة لعنصر"""
44    if atomic_number < 3:
45        return 1
46    elif atomic_number < 11:
47        return 2
48    elif atomic_number < 19:
49        return 3
50    elif atomic_number < 37:
51        return 4
52    elif atomic_number < 55:
53        return 5
54    elif atomic_number < 87:
55        return 6
56    else:
57        return 7
58

1function calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell) {
2  // تحقق من المدخلات
3  if (atomicNumber < 1) {
4    throw new Error("يجب أن يكون الرقم الذري على الأقل 1");
5  }
6  
7  const maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
8  if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
9    throw new Error("قشرة الإلكترون غير صالحة لهذا العنصر");
10  }
11  
12  // حساب ثابت التغطية باستخدام قواعد سلاتر
13  let screeningConstant = 0;
14  
15  // تنفيذ مبسط للعناصر الشائعة
16  if (electronShell === 1) {  // قشرة K
17    if (atomicNumber === 1) {  // الهيدروجين
18      screeningConstant = 0;
19    } else if (atomicNumber === 2) {  // الهيليوم
20      screeningConstant = 0.3;
21    } else {
22      screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
23    }
24  } else if (electronShell === 2) {  // قشرة L
25    if (atomicNumber <= 4) {  // الليثيوم، البريليوم
26      screeningConstant = 1.7;
27    } else if (atomicNumber <= 10) {  // البورون حتى النيون
28      screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
29    } else {
30      screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
31    }
32  }
33  
34  // حساب الشحنة النووية الفعالة
35  const effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
36  
37  return effectiveCharge;
38}
39
40function getMaxShellForElement(atomicNumber) {
41  if (atomicNumber < 3) return 1;
42  if (atomicNumber < 11) return 2;
43  if (atomicNumber < 19) return 3;
44  if (atomicNumber < 37) return 4;
45  if (atomicNumber < 55) return 5;
46  if (atomicNumber < 87) return 6;
47  return 7;
48}
49

1public class EffectiveNuclearChargeCalculator {
2    public static double calculateEffectiveNuclearCharge(int atomicNumber, int electronShell) {
3        // تحقق من المدخلات
4        if (atomicNumber < 1) {
5            throw new IllegalArgumentException("يجب أن يكون الرقم الذري على الأقل 1");
6        }
7        
8        int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
9        if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
10            throw new IllegalArgumentException("قشرة الإلكترون غير صالحة لهذا العنصر");
11        }
12        
13        // حساب ثابت التغطية باستخدام قواعد سلاتر
14        double screeningConstant = 0;
15        
16        // تنفيذ مبسط للعناصر الشائعة
17        if (electronShell == 1) {  // قشرة K
18            if (atomicNumber == 1) {  // الهيدروجين
19                screeningConstant = 0;
20            } else if (atomicNumber == 2) {  // الهيليوم
21                screeningConstant = 0.3;
22            } else {
23                screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
24            }
25        } else if (electronShell == 2) {  // قشرة L
26            if (atomicNumber <= 4) {  // الليثيوم، البريليوم
27                screeningConstant = 1.7;
28            } else if (atomicNumber <= 10) {  // البورون حتى النيون
29                screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
30            } else {
31                screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
32            }
33        }
34        
35        // حساب الشحنة النووية الفعالة
36        double effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
37        
38        return effectiveCharge;
39    }
40    
41    private static int getMaxShellForElement(int atomicNumber) {
42        if (atomicNumber < 3) return 1;
43        if (atomicNumber < 11) return 2;
44        if (atomicNumber < 19) return 3;
45        if (atomicNumber < 37) return 4;
46        if (atomicNumber < 55) return 5;
47        if (atomicNumber < 87) return 6;
48        return 7;
49    }
50    
51    public static void main(String[] args) {
52        // مثال: حساب Zeff لإلكترون 2p في الكربون (Z=6)
53        int atomicNumber = 6;
54        int electronShell = 2;
55        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
56        System.out.printf("الشحنة النووية الفعالة للقشرة %d في العنصر %d: %.2f%n", 
57                          electronShell, atomicNumber, zeff);
58    }
59}
60

1' دالة VBA في Excel لحساب الشحنة النووية الفعالة
2Function EffectiveNuclearCharge(atomicNumber As Integer, electronShell As Integer) As Double
3    ' تحقق من المدخلات
4    If atomicNumber < 1 Then
5        EffectiveNuclearCharge = CVErr(xlErrValue)
6        Exit Function
7    End If
8    
9    Dim maxShell As Integer
10    maxShell = MaxShellForElement(atomicNumber)
11    
12    If electronShell < 1 Or electronShell > maxShell Then
13        EffectiveNuclearCharge = CVErr(xlErrValue)
14        Exit Function
15    End If
16    
17    ' حساب ثابت التغطية باستخدام قواعد سلاتر
18    Dim screeningConstant As Double
19    screeningConstant = 0
20    
21    ' تنفيذ مبسط للعناصر الشائعة
22    If electronShell = 1 Then  ' قشرة K
23        If atomicNumber = 1 Then  ' الهيدروجين
24            screeningConstant = 0
25        ElseIf atomicNumber = 2 Then  ' الهيليوم
26            screeningConstant = 0.3
27        Else
28            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1)
29        End If
30    ElseIf electronShell = 2 Then  ' قشرة L
31        If atomicNumber <= 4 Then  ' الليثيوم، البريليوم
32            screeningConstant = 1.7
33        ElseIf atomicNumber <= 10 Then  ' البورون حتى النيون
34            screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4)
35        Else
36            screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10)
37        End If
38    End If
39    
40    ' حساب الشحنة النووية الفعالة
41    EffectiveNuclearCharge = atomicNumber - screeningConstant
42End Function
43
44Function MaxShellForElement(atomicNumber As Integer) As Integer
45    If atomicNumber < 3 Then
46        MaxShellForElement = 1
47    ElseIf atomicNumber < 11 Then
48        MaxShellForElement = 2
49    ElseIf atomicNumber < 19 Then
50        MaxShellForElement = 3
51    ElseIf atomicNumber < 37 Then
52        MaxShellForElement = 4
53    ElseIf atomicNumber < 55 Then
54        MaxShellForElement = 5
55    ElseIf atomicNumber < 87 Then
56        MaxShellForElement = 6
57    Else
58        MaxShellForElement = 7
59    End If
60End Function
61

1#include <iostream>
2#include <stdexcept>
3#include <cmath>
4
5// الحصول على الحد الأقصى لعدد القشرة لعنصر
6int getMaxShellForElement(int atomicNumber) {
7    if (atomicNumber < 3) return 1;
8    if (atomicNumber < 11) return 2;
9    if (atomicNumber < 19) return 3;
10    if (atomicNumber < 37) return 4;
11    if (atomicNumber < 55) return 5;
12    if (atomicNumber < 87) return 6;
13    return 7;
14}
15
16// حساب الشحنة النووية الفعالة باستخدام قواعد سلاتر
17double calculateEffectiveNuclearCharge(int atomicNumber, int electronShell) {
18    // تحقق من المدخلات
19    if (atomicNumber < 1) {
20        throw std::invalid_argument("يجب أن يكون الرقم الذري على الأقل 1");
21    }
22    
23    int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
24    if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
25        throw std::invalid_argument("قشرة الإلكترون غير صالحة لهذا العنصر");
26    }
27    
28    // حساب ثابت التغطية باستخدام قواعد سلاتر
29    double screeningConstant = 0.0;
30    
31    // تنفيذ مبسط للعناصر الشائعة
32    if (electronShell == 1) {  // قشرة K
33        if (atomicNumber == 1) {  // الهيدروجين
34            screeningConstant = 0.0;
35        } else if (atomicNumber == 2) {  // الهيليوم
36            screeningConstant = 0.3;
37        } else {
38            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
39        }
40    } else if (electronShell == 2) {  // قشرة L
41        if (atomicNumber <= 4) {  // الليثيوم، البريليوم
42            screeningConstant = 1.7;
43        } else if (atomicNumber <= 10) {  // البورون حتى النيون
44            screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
45        } else {
46            screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
47        }
48    }
49    
50    // حساب الشحنة النووية الفعالة
51    double effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
52    
53    return effectiveCharge;
54}
55
56int main() {
57    try {
58        // مثال: حساب Zeff لإلكترون 2p في الكربون (Z=6)
59        int atomicNumber = 6;
60        int electronShell = 2;
61        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
62        std::cout << "الشحنة النووية الفعالة للقشرة " << electronShell 
63                  << " في العنصر " << atomicNumber << ": " << zeff << std::endl;
64    } catch (const std::exception& e) {
65        std::cerr << "خطأ: " << e.what() << std::endl;
66        return 1;
67    }
68    
69    return 0;
70}
71

حالات خاصة واعتبارات

المعادن الانتقالية وd-orbitals

بالنسبة للمعادن الانتقالية ذات d-orbitals المملوءة جزئيًا، تتطلب قواعد سلاتر اهتمامًا خاصًا. تكون الإلكترونات d أقل فعالية في التغطية مقارنة بإلكترونات s وp، مما يؤدي إلى شحنات نووية فعالة أعلى مما قد يتوقع بناءً على العد البسيط للإلكترونات.

العناصر الثقيلة والتأثيرات النسبية

بالنسبة للعناصر ذات الأرقام الذرية أكبر من حوالي 70، تصبح التأثيرات النسبية مهمة. تتسبب هذه التأثيرات في تحرك الإلكترونات الداخلية بشكل أسرع ودورانها أقرب إلى النواة، مما يغير فعاليتها في التغطية. تقوم الآلة لدينا بتطبيق التصحيحات المناسبة لهذه العناصر.

الأيونات

بالنسبة للأيونات (الذرات التي اكتسبت أو فقدت إلكترونات)، يجب أن يأخذ حساب الشحنة النووية الفعالة في الاعتبار التكوين الإلكتروني المتغير:

• الأنيونات (الأيونات ذات الشحنة الإيجابية): مع وجود عدد أقل من الإلكترونات، يكون هناك تغطية أقل، مما يؤدي إلى شحنة نووية فعالة أعلى للإلكترونات المتبقية
• الكاتيونات (الأيونات ذات الشحنة السلبية): مع وجود المزيد من الإلكترونات، يكون هناك تغطية متزايدة، مما يؤدي إلى شحنة نووية فعالة أقل

الحالات المثارة

تفترض الآلة تكوينات إلكترونية في الحالة الأرضية. بالنسبة للذرات في حالات مثارة (حيث تم ترقية الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى)، ستختلف الشحنة النووية الفعالة عن القيم المحسوبة.

الأسئلة الشائعة

ما هي الشحنة النووية الفعالة؟

تُعتبر الشحنة النووية الفعالة (Z_eff) هي الشحنة الإيجابية الصافية التي يتعرض لها إلكترون في ذرة متعددة الإلكترونات بعد أخذ تأثير التغطية من الإلكترونات الأخرى في الاعتبار. تُحسب كالشحنة النووية الفعلية (الرقم الذري) مطروحًا منها ثابت التغطية.

لماذا تعتبر الشحنة النووية الفعالة مهمة؟

تفسر الشحنة النووية الفعالة العديد من الاتجاهات الدورية في خصائص العناصر، بما في ذلك نصف القطر الذري، وطاقة التأين، والألفة الإلكترونية، والكهربية السلبية. إنها مفهوم أساسي لفهم التركيب الذري والروابط الكيميائية.

ما مدى دقة قواعد سلاتر؟

توفر قواعد سلاتر تقديرات جيدة للشحنة النووية الفعالة، خاصة للعناصر الرئيسية. بالنسبة للمعادن الانتقالية، واللانثانيدات، والأكتينيدات، تكون التقديرات أقل دقة ولكنها لا تزال مفيدة لفهم نوعي. تتطلب القيم الأكثر دقة حسابات ميكانيكية كمومية.

كيف تتغير الشحنة النووية الفعالة عبر الجدول الدوري؟

تزداد الشحنة النووية الفعالة عمومًا من اليسار إلى اليمين عبر فترة بسبب زيادة الشحنة النووية مع الحد الأدنى من التغطية الإضافية. وعادة ما تنخفض أسفل مجموعة حيث تتم إضافة قشور جديدة، مما يزيد من المسافة بين الإلكترونات الخارجية والنواة.

هل يمكن أن تكون الشحنة النووية الفعالة سلبية؟

لا، لا يمكن أن تكون الشحنة النووية الفعالة سلبية. ثابت التغطية (S) دائمًا أقل من الرقم الذري (Z)، مما يضمن بقاء Z_eff إيجابية.

كيف تؤثر الشحنة النووية الفعالة على نصف القطر الذري؟

تشير الشحنة النووية الفعالة الأعلى إلى سحب الإلكترونات بشكل أقوى نحو النواة، مما يؤدي إلى نصف قطر ذري أصغر. وهذا يفسر لماذا ينخفض نصف القطر الذري عمومًا عبر فترة ويزداد أسفل مجموعة في الجدول الدوري.

لماذا تتعرض الإلكترونات الخارجية لشحنات نووية فعالة مختلفة عن الإلكترونات الأساسية؟

تغطي الإلكترونات الأساسية (تلك الموجودة في القشور الداخلية) الإلكترونات الخارجية من الشحنة النووية الكاملة. عادةً ما تتعرض الإلكترونات الخارجية لشحنات نووية فعالة أقل من الإلكترونات الأساسية لأنها أبعد عن النواة وتتعرض لمزيد من التغطية.

كيف ترتبط الشحنة النووية الفعالة بطاقة التأين؟

تشير الشحنة النووية الفعالة الأعلى إلى أن الإلكترونات تُحتجز بشكل أكثر إحكامًا في النواة، مما يتطلب مزيدًا من الطاقة لإزالتها. وهذا يؤدي إلى طاقات تأين أعلى للعناصر ذات الشحنات النووية الفعالة الأكبر.

هل يمكن قياس الشحنة النووية الفعالة تجريبيًا؟

لا يمكن قياس الشحنة النووية الفعالة مباشرة ولكن يمكن استنتاجها من البيانات التجريبية مثل الأطياف الذرية، وطاقة التأين، وقياسات امتصاص الأشعة السينية.

كيف تؤثر الشحنة النووية الفعالة على الروابط الكيميائية؟

تميل العناصر ذات الشحنات النووية الفعالة الأعلى إلى جذب الإلكترونات المشتركة بشكل أقوى في الروابط الكيميائية، مما يؤدي إلى كهربية سلبية أعلى وميول أكبر لتشكيل روابط أيونية أو تساهمية قطبية.

المراجع

1. سلاتر، ج.سي. (1930). "ثوابت التغطية الذرية". مراجعة الفيزياء. 36 (1): 57–64. doi:10.1103/PhysRev.36.57

2. كليمنتي، إ.; رايموندي، د.ل. (1963). "ثوابت التغطية الذرية من وظائف SCF". مجلة الكيمياء الفيزيائية. 38 (11): 2686–2689. doi:10.1063/1.1733573

3. ليفين، إ.ن. (2013). الكيمياء الكمومية (الطبعة السابعة). بيرسون. ISBN 978-0321803450

4. أتكينز، ب.; دي باولا، ج. (2014). الكيمياء الفيزيائية لأتكينز (الطبعة العاشرة). مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0199697403

5. هاوسكروفت، س.إ.; شارب، أ.ج. (2018). الكيمياء غير العضوية (الطبعة الخامسة). بيرسون. ISBN 978-1292134147

6. كوتون، ف.أ.; ويلكينسون، ج.; مورييلو، س.أ.; بوخمان، م. (1999). الكيمياء غير العضوية المتقدمة (الطبعة السادسة). وايلي. ISBN 978-0471199571

7. ميسلر، ج.ل.; فيشر، ب.ج.; تار، د.أ. (2014). الكيمياء غير العضوية (الطبعة الخامسة). بيرسون. ISBN 978-0321811059

8. "الشحنة النووية الفعالة." كيمياء ليبريتيكس، https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Electronic_Structure_of_Atoms_and_Molecules/Electronic_Configurations/Effective_Nuclear_Charge

9. "قواعد سلاتر." ويكيبيديا، مؤسسة ويكيميديا، https://en.wikipedia.org/wiki/Slater%27s_rules

10. "الاتجاهات الدورية." أكاديمية خان، https://www.khanacademy.org/science/ap-chemistry-beta/x2eef969c74e0d802:atomic-structure-and-properties/x2eef969c74e0d802:periodic-trends/a/periodic-trends-and-coulombs-law

جرب آلة حساب الشحنة النووية الفعالة لدينا اليوم

تجعل الآلة سهلة الاستخدام لدينا من السهل تحديد الشحنة النووية الفعالة لأي عنصر وقشرة إلكترونية. ما عليك سوى إدخال الرقم الذري، واختيار القشرة المعنية، ورؤية النتيجة على الفور. تساعد التصورات التفاعلية في بناء الفهم حول التركيب الذري وسلوك الإلكترونات.

سواء كنت طالبًا تتعلم عن الاتجاهات الدورية، أو معلمًا يقوم بتعليم التركيب الذري، أو باحثًا يحتاج إلى تقديرات سريعة للشحنة النووية الفعالة، توفر لك الآلة المعلومات التي تحتاجها بتنسيق واضح وسهل الوصول.

ابدأ في استكشاف الشحنة النووية الفعالة وآثارها على خصائص الذرات والسلوك الكيميائي اليوم!