Efektyvus branduolio krūvio skaičiuoklė

Įvadas

Efektyvus branduolio krūvio skaičiuoklė (Z_eff) yra esminis įrankis, padedantis suprasti atomų struktūrą ir cheminį elgesį. Efektyvus branduolio krūvis atspindi faktinį branduolio krūvį, kurį patiria elektronas daugielektroniniame atome, atsižvelgiant į kitų elektronų skydą. Ši pagrindinė sąvoka padeda paaiškinti periodines tendencijas atomų savybėse, cheminėje jungtyje ir spektroskopinėse charakteristikose.

Mūsų draugiška efektyvaus branduolio krūvio skaičiuoklė taiko Slater taisykles, kad pateiktų tikslius Z_eff vertes bet kuriam elementui periodinėje lentelėje. Tiesiog įveskite atomų skaičių ir pasirinkite dominančią elektronų sluoksnį, kad galėtumėte akimirksniu nustatyti efektyvų branduolio krūvį, kurį patiria elektronai tame sluoksnyje.

Suprasti efektyvų branduolio krūvį yra svarbu studentams, mokytojams ir tyrėjams chemijoje, fizikoje ir medžiagotyroje. Ši skaičiuoklė supaprastina sudėtingus skaičiavimus, teikdama šviečiančias įžvalgas apie atomų struktūrą ir elektronų elgesį.

Kas yra efektyvus branduolio krūvis?

Efektyvus branduolio krūvis (Z_eff) atspindi gryną teigiamą krūvį, kurį patiria elektronas daugielektroniniame atome. Nors branduolys turi protonus su teigiamais krūviais, lygiaverčiais atomų skaičiui (Z), elektronai nepatiria šio viso branduolio krūvio dėl skydimo efekto (dar vadinamo ekranavimu) iš kitų elektronų.

Santykis tarp faktinio branduolio krūvio ir efektyvaus branduolio krūvio yra pateiktas formule:

$Z_{eff} = Z - S$

Kur:

• Z_eff yra efektyvus branduolio krūvis
• Z yra atomų skaičius (protonų skaičius)
• S yra skydimo konstantas (branduolio krūvio kiekis, kurį slopina kiti elektronai)

Efektyvus branduolio krūvis paaiškina daugelį periodinių tendencijų, įskaitant:

• Atomų spindulys: Kai Z_eff didėja, elektronai yra labiau traukiami prie branduolio, mažinant atomų spindulį
• Ionizacijos energija: Aukštesnis Z_eff reiškia, kad elektronai yra laikomi stipriau, didinant ionizacijos energiją
• Elektronų afinitetas: Aukštesnis Z_eff paprastai lemia stipresnį papildomų elektronų trauką
• Elektronegatyvumas: Elementai su aukštesniu Z_eff paprastai stipriau traukia bendrus elektronus

Slater taisyklės efektyvaus branduolio krūvio skaičiavimui

1930 metais fizikas John C. Slater sukūrė taisyklių rinkinį, skirtą apytiksliai nustatyti skydimo konstantą (S) daugielektroniniuose atomuose. Šios taisyklės suteikia sistemingą metodą efektyvaus branduolio krūvio skaičiavimui, nereikalaujant sudėtingų kvantinės mechanikos skaičiavimų.

Elektronų grupavimas Slater taisyklėse

Slater taisyklės prasideda grupuojant elektronus šiuo tvarka:

1. (1s)
2. (2s, 2p)
3. (3s, 3p)
4. (3d)
5. (4s, 4p)
6. (4d)
7. (4f)
8. (5s, 5p) ... ir taip toliau

Skydimo konstantos pagal Slater taisykles

Skydimo konstantos indėlis iš skirtingų elektronų grupių laikosi šių taisyklių:

1. Elektronai iš grupių, esančių aukščiau nei dominuojantis elektronas, prisideda 0,00 prie skydimo konstantos
2. Elektronai iš tos pačios grupės kaip dominuojantis elektronas:
   • 1s elektronams: kiti grupės elektronai prisideda 0,30 prie S
   • ns ir np elektronams: kiti grupės elektronai prisideda 0,35 prie S
   • nd ir nf elektronams: kiti grupės elektronai prisideda 0,35 prie S
3. Elektronai iš grupių, esančių žemiau nei dominuojantis elektronas, prisideda:
   • 0,85 prie S už kiekvieną elektroną (n-1) sluoksnyje
   • 1,00 prie S už kiekvieną elektroną žemiau (n-1) sluoksnio

Pavyzdžio skaičiavimas

Anglies atomo (Z = 6) su elektronų konfigūracija 1s²2s²2p²:

Norint rasti Z_eff 2p elektronui:

• Grupė 1: (1s²) prisideda 2 × 0,85 = 1,70 prie S
• Grupė 2: (2s²2p¹) kiti grupės elektronai prisideda 3 × 0,35 = 1,05 prie S
• Iš viso skydimo konstanta: S = 1,70 + 1,05 = 2,75
• Efektyvus branduolio krūvis: Z_eff = 6 - 2,75 = 3,25

Tai reiškia, kad 2p elektronas anglies atome patiria efektyvų branduolio krūvį, maždaug lygų 3,25, o ne pilną branduolio krūvį, lygų 6.

Kaip naudoti efektyvaus branduolio krūvio skaičiuoklę

Mūsų skaičiuoklė supaprastina sudėtingą Slater taisyklių taikymo procesą. Sekite šiuos žingsnius, kad apskaičiuotumėte efektyvų branduolio krūvį bet kuriam elementui:

1. Įveskite atomų skaičių (Z): Įveskite elemento atomų skaičių, kuris jus domina (1-118)
2. Pasirinkite elektronų sluoksnį (n): Pasirinkite pagrindinį kvantinį skaičių (sluoksnį), kuriam norite apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį
3. Peržiūrėkite rezultatą: Skaičiuoklė akimirksniu parodys efektyvų branduolio krūvį (Z_eff), kurį patiria elektronai tame sluoksnyje
4. Tyrinėkite vizualizaciją: Stebėkite atomo vizualizaciją, kuri rodo branduolį ir elektronų sluoksnius, su paryškintu pasirinktu sluoksniu

Skaičiuoklė automatiškai patikrina jūsų įvestis, kad įsitikintų, jog jos yra fiziškai prasmingos. Pavyzdžiui, negalite pasirinkti elektronų sluoksnio, kuris neegzistuoja tam tikram elementui.

Suprasti rezultatus

Apskaičiuotas efektyvus branduolio krūvis parodo, kaip stipriai elektronai nurodytame sluoksnyje traukiami prie branduolio. Aukštesnės vertės rodo stipresnę trauką, kuri paprastai koreliuoja su:

• Mažesniu atomų spinduliu
• Aukštesne ionizacijos energija
• Didesniu elektronegatyvumu
• Stipresnėmis jungimosi galimybėmis

Vizualizacijos funkcijos

Atomo vizualizacija mūsų skaičiuoklėje suteikia intuityvią reprezentaciją:

• Branduolys, pažymėtas atomų skaičiumi
• Elektronų sluoksniai kaip koncentriškos apskritimai aplink branduolį
• Pasirinkto sluoksnio paryškinimas, kuriam skaičiuojamas Z_eff

Ši vizualizacija padeda sukurti intuiciją apie atomų struktūrą ir ryšį tarp elektronų sluoksnių ir branduolio krūvio.

Efektyvaus branduolio krūvio skaičiavimo naudojimo atvejai

Suprasti efektyvų branduolio krūvį turi daugybę taikymo sričių chemijoje, fizikoje ir susijusiose srityse:

1. Švietimo taikymas

• Mokyti periodines tendencijas: Demonstruoti, kodėl atomų spindulys mažėja per periodą ir didėja grupėje
• Paaiškinti jungimosi elgesį: Iliustruoti, kodėl elementai su aukštesniu efektyviu branduolio krūviu sudaro stipresnes jungtis
• Suprasti spektroskopiją: Padėti studentams suprasti, kodėl emisijos ir absorbcijos spektrai skiriasi tarp elementų

2. Tyrimų taikymas

• Kompensacinė chemija: Teikti pradinius parametrus sudėtingesniems kvantinės mechanikos skaičiavimams
• Medžiagotyra: Prognozuoti naujų medžiagų savybes remiantis atomų charakteristikomis
• Vaistų kūrimas: Suprasti elektronų pasiskirstymą molekulėse farmacijos plėtrai

3. Praktiniai taikymai

• Chemijos inžinerija: Optimizuoti katalizatorius remiantis elementų elektroninėmis savybėmis
• Puslaidininkių projektavimas: Pasirinkti tinkamas dopantus remiantis jų elektroninėmis charakteristikomis
• Baterijų technologija: Kurti patobulintas elektrodų medžiagas su norimomis elektroninėmis savybėmis

Alternatyvos

Nors Slater taisyklės teikia tiesioginį efektyvaus branduolio krūvio įvertinimą, yra alternatyvių požiūrių:

1. Kvantinės mechanikos skaičiavimai: Tikslesni, bet skaičiavimo atžvilgiu intensyvūs metodai, tokie kaip Hartree-Fock arba tankio funkcionalų teorija (DFT)
2. Clementi-Raimondi efektyvūs branduolio krūviai: Empiriškai gautos vertės remiantis eksperimentiniais duomenimis
3. Zeff iš atominių spektrų: Efektyvaus branduolio krūvio nustatymas iš spektroskopinių matavimų
4. Savarankiškos lauko metodai: Iteratyvūs požiūriai, kurie apskaičiuoja elektronų pasiskirstymą ir efektyvų branduolio krūvį vienu metu

Kiekvienas metodas turi savo privalumų ir trūkumų, o Slater taisyklės siūlo gerą pusiausvyrą tarp tikslumo ir paprastumo švietimo ir daugeliui praktinių tikslų.

Efektyvaus branduolio krūvio sąvokos istorija

Efektyvaus branduolio krūvio sąvoka vystėsi kartu su mūsų supratimu apie atomų struktūrą:

Ankstyvieji atomų modeliai

XX amžiaus pradžioje mokslininkai, tokie kaip J.J. Thomson ir Ernest Rutherford, nustatė pagrindinę atomų struktūrą su teigiamu krūviu turinčiu branduoliu, apsuptu elektronų. Tačiau šie modeliai negalėjo paaiškinti periodinių tendencijų elementų savybėse.

Bohr modelis ir toliau

Niels Bohr 1913 m. modelis pristatė kvantizuotas elektronų orbitas, tačiau vis tiek traktavo elektronus kaip nepriklausomas daleles. Tapo aišku, kad elektronų-elektronų sąveikos buvo svarbios suprantant daugielektroninius atomus.

Slater taisyklių kūrimas

1930 m. John C. Slater paskelbė savo svarbų straipsnį "Atomic Shielding Constants" Physical Review. Jis pristatė empirinį taisyklių rinkinį, skirtą apytiksliai nustatyti skydimo efektą daugielektroniniuose atomuose, suteikdamas praktišką metodą efektyvaus branduolio krūvio skaičiavimui, nereikalaujant spręsti viso Schrödingerio lygties.

Šiuolaikiniai patobulinimai

Nuo Slater originalaus darbo buvo pasiūlyta įvairių patobulinimų:

• Clementi-Raimondi vertės (1963): Enrico Clementi ir Daniele Raimondi paskelbė tikslesnes Z_eff vertes, remdamiesi Hartree-Fock skaičiavimais
• Kvantinės mechanikos metodai: Kompiuterinių požiūrių plėtra, kuri apskaičiuoja elektronų tankio pasiskirstymus su vis didesniu tikslumu
• Relativistiniai efektai: Pripažinimas, kad sunkiems elementams relativistiniai efektai reikšmingai veikia efektyvų branduolio krūvį

Šiandien, nors egzistuoja sudėtingesni metodai, Slater taisyklės išlieka vertingos švietimo tikslais ir kaip pradiniai taškai sudėtingesniems skaičiavimams.

Kodo pavyzdžiai efektyvaus branduolio krūvio skaičiavimui

Štai Slater taisyklių įgyvendinimai įvairiose programavimo kalbose:

1def calculate_effective_nuclear_charge(atomic_number, electron_shell):
2    """
3    Apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį naudojant Slater taisykles
4    
5    Parametrai:
6    atomic_number (int): Elemento atomų skaičius
7    electron_shell (int): Sluoksnio pagrindinis kvantinis skaičius
8    
9    Grąžina:
10    float: Efektyvus branduolio krūvis
11    """
12    if atomic_number < 1:
13        raise ValueError("Atomų skaičius turi būti bent 1")
14        
15    if electron_shell < 1 or electron_shell > max_shell_for_element(atomic_number):
16        raise ValueError("Neteisingas elektronų sluoksnis šiam elementui")
17    
18    # Apskaičiuoti skydimo konstantą naudojant Slater taisykles
19    screening_constant = 0
20    
21    # Supaprastinta įgyvendinimas dažniems elementams
22    if electron_shell == 1:  # K sluoksnis
23        if atomic_number == 1:  # Vandenilis
24            screening_constant = 0
25        elif atomic_number == 2:  # Helis
26            screening_constant = 0.3
27        else:
28            screening_constant = 0.3 * (atomic_number - 1)
29    elif electron_shell == 2:  # L sluoksnis
30        if atomic_number <= 4:  # Li, Be
31            screening_constant = 1.7
32        elif atomic_number <= 10:  # B iki Ne
33            screening_constant = 1.7 + 0.35 * (atomic_number - 4)
34        else:
35            screening_constant = 3.25 + 0.5 * (atomic_number - 10)
36    
37    # Apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį
38    effective_charge = atomic_number - screening_constant
39    
40    return effective_charge
41
42def max_shell_for_element(atomic_number):
43    """Nustatyti maksimalų sluoksnio numerį elementui"""
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  // Patikrinkite įvestis
3  if (atomicNumber < 1) {
4    throw new Error("Atomų skaičius turi būti bent 1");
5  }
6  
7  const maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
8  if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
9    throw new Error("Neteisingas elektronų sluoksnis šiam elementui");
10  }
11  
12  // Apskaičiuoti skydimo konstantą naudojant Slater taisykles
13  let screeningConstant = 0;
14  
15  // Supaprastinta įgyvendinimas dažniems elementams
16  if (electronShell === 1) {  // K sluoksnis
17    if (atomicNumber === 1) {  // Vandenilis
18      screeningConstant = 0;
19    } else if (atomicNumber === 2) {  // Helis
20      screeningConstant = 0.3;
21    } else {
22      screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
23    }
24  } else if (electronShell === 2) {  // L sluoksnis
25    if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
26      screeningConstant = 1.7;
27    } else if (atomicNumber <= 10) {  // B iki Ne
28      screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
29    } else {
30      screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
31    }
32  }
33  
34  // Apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį
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        // Patikrinkite įvestis
4        if (atomicNumber < 1) {
5            throw new IllegalArgumentException("Atomų skaičius turi būti bent 1");
6        }
7        
8        int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
9        if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
10            throw new IllegalArgumentException("Neteisingas elektronų sluoksnis šiam elementui");
11        }
12        
13        // Apskaičiuoti skydimo konstantą naudojant Slater taisykles
14        double screeningConstant = 0;
15        
16        // Supaprastinta įgyvendinimas dažniems elementams
17        if (electronShell == 1) {  // K sluoksnis
18            if (atomicNumber == 1) {  // Vandenilis
19                screeningConstant = 0;
20            } else if (atomicNumber == 2) {  // Helis
21                screeningConstant = 0.3;
22            } else {
23                screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
24            }
25        } else if (electronShell == 2) {  // L sluoksnis
26            if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
27                screeningConstant = 1.7;
28            } else if (atomicNumber <= 10) {  // B iki Ne
29                screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
30            } else {
31                screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
32            }
33        }
34        
35        // Apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį
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        // Pavyzdys: Apskaičiuoti Zeff 2p elektronui anglies atome (Z=6)
53        int atomicNumber = 6;
54        int electronShell = 2;
55        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
56        System.out.printf("Efektyvus branduolio krūvis sluoksnyje %d elemente %d: %.2f%n", 
57                          electronShell, atomicNumber, zeff);
58    }
59}
60

1' Excel VBA funkcija efektyvaus branduolio krūvio skaičiavimui
2Function EffectiveNuclearCharge(atomicNumber As Integer, electronShell As Integer) As Double
3    ' Patikrinkite įvestis
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    ' Apskaičiuoti skydimo konstantą naudojant Slater taisykles
18    Dim screeningConstant As Double
19    screeningConstant = 0
20    
21    ' Supaprastinta įgyvendinimas dažniems elementams
22    If electronShell = 1 Then  ' K sluoksnis
23        If atomicNumber = 1 Then  ' Vandenilis
24            screeningConstant = 0
25        ElseIf atomicNumber = 2 Then  ' Helis
26            screeningConstant = 0.3
27        Else
28            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1)
29        End If
30    ElseIf electronShell = 2 Then  ' L sluoksnis
31        If atomicNumber <= 4 Then  ' Li, Be
32            screeningConstant = 1.7
33        ElseIf atomicNumber <= 10 Then  ' B iki Ne
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    ' Apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį
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// Gauti maksimalų sluoksnio numerį elementui
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// Apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį naudojant Slater taisykles
17double calculateEffectiveNuclearCharge(int atomicNumber, int electronShell) {
18    // Patikrinkite įvestis
19    if (atomicNumber < 1) {
20        throw std::invalid_argument("Atomų skaičius turi būti bent 1");
21    }
22    
23    int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
24    if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
25        throw std::invalid_argument("Neteisingas elektronų sluoksnis šiam elementui");
26    }
27    
28    // Apskaičiuoti skydimo konstantą naudojant Slater taisykles
29    double screeningConstant = 0.0;
30    
31    // Supaprastinta įgyvendinimas dažniems elementams
32    if (electronShell == 1) {  // K sluoksnis
33        if (atomicNumber == 1) {  // Vandenilis
34            screeningConstant = 0.0;
35        } else if (atomicNumber == 2) {  // Helis
36            screeningConstant = 0.3;
37        } else {
38            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
39        }
40    } else if (electronShell == 2) {  // L sluoksnis
41        if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
42            screeningConstant = 1.7;
43        } else if (atomicNumber <= 10) {  // B iki Ne
44            screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
45        } else {
46            screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
47        }
48    }
49    
50    // Apskaičiuoti efektyvų branduolio krūvį
51    double effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
52    
53    return effectiveCharge;
54}
55
56int main() {
57    try {
58        // Pavyzdys: Apskaičiuoti Zeff 2p elektronui anglies atome (Z=6)
59        int atomicNumber = 6;
60        int electronShell = 2;
61        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
62        std::cout << "Efektyvus branduolio krūvis sluoksnyje " << electronShell 
63                  << " elemente " << atomicNumber << ": " << zeff << std::endl;
64    } catch (const std::exception& e) {
65        std::cerr << "Klaida: " << e.what() << std::endl;
66        return 1;
67    }
68    
69    return 0;
70}
71

Specialūs atvejai ir svarstymai

Pereinamieji metalai ir d-orbitalai

Pereinamiesiems metalams su dalinai užpildytais d-orbitalais Slater taisyklėms reikia skirti ypatingą dėmesį. D-elektronai yra mažiau efektyvūs skydimo atžvilgiu nei s ir p elektronai, todėl tai lemia didesnius efektyvius branduolio krūvius, nei būtų galima tikėtis remiantis paprastu elektronų skaičiavimu.

Sunkiųjų elementų ir relativistiniai efektai

Elementams, kurių atomų skaičius didesnis nei maždaug 70, relativistiniai efektai tampa reikšmingi. Šie efektai lemia, kad vidiniai elektronai juda greičiau ir orbitoje yra arčiau branduolio, keisdami jų skydimo efektyvumą. Mūsų skaičiuoklė taiko tinkamus pataisymus šiems elementams.

Jonai

Jonams (atomams, kurie gavo arba prarado elektronus) efektyvaus branduolio krūvio skaičiavimas turi atsižvelgti į pasikeitusį elektronų konfigūraciją:

• Kationai (teigiamai įkrauti jonai): Turint mažiau elektronų, skydimas yra mažesnis, todėl likusiems elektronams kyla didesnis efektyvus branduolio krūvis
• Anjonai (neigiamai įkrauti jonai): Turint daugiau elektronų, skydimas didėja, todėl efektyvus branduolio krūvis mažėja

Sužadintos būsenos

Skaičiuoklė daro prielaidą, kad elektronų konfigūracija yra pagrindinė. Atomams su sužadintomis būsenomis (kai elektronai buvo perkelti į aukštesnes energijos lygmenis) efektyvus branduolio krūvis skirsis nuo apskaičiuotų verčių.

Dažnai užduodami klausimai

Kas yra efektyvus branduolio krūvis?

Efektyvus branduolio krūvis (Z_eff) yra grynas teigiamas krūvis, kurį patiria elektronas daugielektroniniame atome, atsižvelgiant į kitų elektronų skydimo efektą. Jis apskaičiuojamas kaip faktinis branduolio krūvis (atomų skaičius) minus skydimo konstantas.

Kodėl efektyvus branduolio krūvis yra svarbus?

Efektyvus branduolio krūvis paaiškina daugelį periodinių tendencijų elementų savybėse, įskaitant atomų spindulį, ionizacijos energiją, elektronų afinitetą ir elektronegatyvumą. Tai yra pagrindinė sąvoka suprasti atomų struktūrą ir cheminę jungtį.

Kiek tikslios yra Slater taisyklės?

Slater taisyklės teikia gerus apytikslinius efektyvaus branduolio krūvio įvertinimus, ypač pagrindinių grupių elementams. Pereinamiesiems metalams, lantanoidams ir aktinoidams apytikslinimai yra mažiau tikslūs, tačiau vis tiek naudingi kokybinei supratimui. Tikslesnės vertės reikalauja kvantinės mechanikos skaičiavimų.

Kaip efektyvus branduolio krūvis keičiasi per periodinę lentelę?

Efektyvus branduolio krūvis paprastai didėja iš kairės į dešinę per periodą dėl didėjančio branduolio krūvio su minimaliais papildomais skydimais. Jis paprastai mažėja žemyn grupėje, kai pridedami nauji sluoksniai, didinant atstumą tarp išorinių elektronų ir branduolio.

Ar efektyvus branduolio krūvis gali būti neigiamas?

Ne, efektyvus branduolio krūvis negali būti neigiamas. Skydimo konstantas (S) visada yra mažesnis už atomų skaičių (Z), užtikrinant, kad Z_eff išliktų teigiamas.

Kaip efektyvus branduolio krūvis veikia atomų spindulį?

Aukštesnis efektyvus branduolio krūvis traukia elektronus stipriau prie branduolio, todėl atomų spindulys mažėja. Tai paaiškina, kodėl atomų spindulys paprastai mažėja per periodą ir didėja grupėje periodinėje lentelėje.

Kodėl valentiniai elektronai patiria skirtingus efektyvius branduolio krūvius nei branduoliniai elektronai?

Branduoliniai elektronai (tie, kurie yra vidiniuose sluoksniuose) slopina valentininius elektronus nuo pilno branduolio krūvio. Valentiniai elektronai paprastai patiria mažesnius efektyvius branduolio krūvius nei branduoliniai elektronai, nes jie yra toliau nuo branduolio ir patiria daugiau skydimo.

Kaip efektyvus branduolio krūvis susijęs su ionizacijos energija?

Aukštesnis efektyvus branduolio krūvis reiškia, kad elektronai yra laikomi stipriau prie branduolio, todėl jų pašalinimui reikia daugiau energijos. Tai lemia didesnes ionizacijos energijas elementams su didesniais efektyviais branduolio krūviais.

Ar efektyvus branduolio krūvis gali būti matuojamas eksperimentiniu būdu?

Efektyvus branduolio krūvis negali būti tiesiogiai matuojamas, tačiau jį galima daryti išvadą iš eksperimentinių duomenų, tokių kaip atomų spektroskopija, ionizacijos energijos ir rentgeno absorbcijos matavimai.

Kaip efektyvus branduolio krūvis veikia cheminę jungtį?

Elementai su didesniais efektyviais branduolio krūviais paprastai stipriau traukia bendrus elektronus cheminėse jungtyse, lemiančios didesnį elektronegatyvumą ir didesnį polinkį sudaryti jonines arba poliarines kovalentines jungtis.

Nuorodos

1. Slater, J.C. (1930). "Atomic Shielding Constants". Physical Review. 36 (1): 57–64. doi:10.1103/PhysRev.36.57

2. Clementi, E.; Raimondi, D.L. (1963). "Atomic Screening Constants from SCF Functions". The Journal of Chemical Physics. 38 (11): 2686–2689. doi:10.1063/1.1733573

3. Levine, I.N. (2013). Quantum Chemistry (7th ed.). Pearson. ISBN 978-0321803450

4. Atkins, P.; de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (10th ed.). Oxford University Press. ISBN 978-0199697403

5. Housecroft, C.E.; Sharpe, A.G. (2018). Inorganic Chemistry (5th ed.). Pearson. ISBN 978-1292134147

6. Cotton, F.A.; Wilkinson, G.; Murillo, C.A.; Bochmann, M. (1999). Advanced Inorganic Chemistry (6th ed.). Wiley. ISBN 978-0471199571

7. Miessler, G.L.; Fischer, P.J.; Tarr, D.A. (2014). Inorganic Chemistry (5th ed.). Pearson. ISBN 978-0321811059

8. "Efektyvus branduolio krūvis." Chemistry LibreTexts, 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. "Slater taisyklės." Wikipedia, Wikimedia Foundation, https://en.wikipedia.org/wiki/Slater%27s_rules

10. "Periodinės tendencijos." Khan Academy, https://www.khanacademy.org/science/ap-chemistry-beta/x2eef969c74e0d802:atomic-structure-and-properties/x2eef969c74e0d802:periodic-trends/a/periodic-trends-and-coulombs-law

Išbandykite mūsų efektyvaus branduolio krūvio skaičiuoklę šiandien

Mūsų draugiška skaičiuoklė palengvina efektyvaus branduolio krūvio nustatymą bet kuriam elementui ir elektronų sluoksniui. Tiesiog įveskite atomų skaičių, pasirinkite dominančią sluoksnį, ir akimirksniu pamatysite rezultatą. Interaktyvi vizualizacija padeda sukurti intuiciją apie atomų struktūrą ir elektronų elgesį.

Ar esate studentas, besimokantis apie periodines tendencijas, mokytojas, mokantis atomų struktūros, ar tyrėjas, kuriam reikia greitų efektyvaus branduolio krūvio įvertinimų, mūsų skaičiuoklė teikia reikalingą informaciją aiškiu ir prieinamu formatu.

Pradėkite tyrinėti efektyvų branduolio krūvį ir jo poveikį atomų savybėms bei cheminiam elgesiui šiandien!