Izračunajte efikasni nuklearni naboj (Zeff) bilo kog atoma koristeći Slaterova pravila. Unesite atomski broj i elektronski omotač da biste odredili stvarni naboj koji doživljavaju elektroni.
Unesite atomски број елемента
Unesite број elektronske ljuske
Efektivno nuklearno naelektrisanje се израчунава користећи Слатерове правила:
Zeff = Z - S
Где:
Ефективни нуклеарни набој калкулатор (Zeff) је основни алат за разумевање атомске структуре и хемијског понашања. Ефективни нуклеарни набој представља стварни нуклеарни набој који електрон доживљава у вишеелектронском атому, узимајући у обзир ефекат заштите других електрона. Ова основна концепција помаже у објашњавању периодичних трендова у атомским својствима, хемијском везивању и спектроскопским карактеристикама.
Наши кориснички пријатељски ефективни нуклеарни набој калкулатор примењује Слатерове правилнике да би пружио тачне Zeff вредности за било који елемент на периодној табли. Једноставно унесите атомски број и изаберите електронску оболу од интереса, и одмах можете одредити ефективни нуклеарни набој који доживљавају електрони у тој оболу.
Разумевање ефективног нуклеарног набоја је кључно за студенте, едукаторе и истраживаче у хемији, физици и науци о материјалима. Овај калкулатор поједностављује сложене калкулације, пружајући образовне увиде у атомску структуру и понашање електрона.
Ефективни нуклеарни набој (Zeff) представља нето позитиван набој који електрон доживљава у вишеелектронском атому. Док језгро садржи протоне са позитивним набојем једнаким атомском броју (Z), електрони не доживљавају овај пуни нуклеарни набој због ефекта заштите (такође названог скрининг).
Однос између стварног нуклеарног набоја и ефективног нуклеарног набоја је дат формулом:
Где:
Ефективни нуклеарни набој објашњава многе периодичне трендове, укључујући:
Године 1930, физичар Џон Ц. Слатер развио је сет правила за приближно одређивање константе заштите (S) у вишеелектронским атомима. Ова правила пружају систематску методу за процену ефективног нуклеарног набоја без потребе за сложеним квантно-механичким калкулацијама.
Слатерови правилници почињу груписањем електрона у следећем редоследу:
Допринос константи заштите из различитих група електрона следи ова правила:
За атом угљеника (Z = 6) са електронском конфигурацијом 1s²2s²2p²:
Да бисмо пронашли Zeff за 2p електрон:
Ово значи да 2p електрон у угљенику доживљава ефективни нуклеарни набој од приближно 3.25 уместо пуне нуклеарне набоја од 6.
Наш калкулатор поједностављује сложен процес примене Слатерових правила. Пратите ове кораке да бисте израчунали ефективни нуклеарни набој за било који елемент:
Калкулатор аутоматски валидацијује ваше уносе како би осигурао да су физички смислени. На пример, не можете изабрати електронску оболу која не постоји за дати елемент.
Израчунати ефективни нуклеарни набој вам говори колико чврсто су електрони у одређеној оболу привучени према језгру. Више вредности указују на јачу привлачност, што обично корелише са:
Визуелизација атома у нашем калкулатору пружа интуитивну представу о:
Ова визуализација помаже у изградњи интуиције о атомској структури и односу између електронских оболе и нуклеарног набоја.
Разумевање ефективног нуклеарног набоја има бројне примене у хемији, физици и сродним областима:
Док Слатерови правилници пружају једноставну методу за процену ефективног нуклеарног набоја, постоје и алтернативни приступи:
Свака метода има своје предности и ограничења, а Слатерови правилници нуде добар баланс између тачности и једноставности за образовне и многе практичне сврхе.
Концепт ефективног нуклеарног набоја развијао се паралелно са нашим разумевањем атомске структуре:
У раном 20. веку, научници као што су Џ. Џ. Томсон и Ернест Рутерфорд успоставили су основну структуру атома са позитивно набијеним језгром окруженим електронима. Међутим, ови модели нису могли објаснити периодичне трендове у својствима елемената.
Модел Нилса Бора из 1913. године увео је квантизоване електронске орбите, али је и даље третирао електроне као независне честице. Постало је јасно да су интеракције електрон-електрон кључне за разумевање вишеелектронских атома.
Године 1930, Џон Ц. Слатер објавио је своју значајну рад "Атомски константи заштите" у Physical Review. Увео је сет емпиријских правила за процену ефекта заштите у вишеелектронским атомима, пружајући практичну методу за израчунавање ефективног нуклеарног набоја без решавања пуне Шредингерове једначине.
Од Слатеровог оригиналног рада, предложена су различита усавршавања:
Данас, иако постоје сложеније методе, Слатерови правилници остају вредни за образовне сврхе и као полазна тачка за сложеније калкулације.
Ево имплементација Слатерових правила на различитим програмским језицима:
1def calculate_effective_nuclear_charge(atomic_number, electron_shell):
2 """
3 Израчунајте ефективни нуклеарни набој користећи Слатерове правилнике
4
5 Параметри:
6 atomic_number (int): Атомски број елемента
7 electron_shell (int): Главни квантни број оболе
8
9 Враћа:
10 float: Ефективни нуклеарни набој
11 """
12 if atomic_number < 1:
13 raise ValueError("Атомски број мора бити најмање 1")
14
15 if electron_shell < 1 or electron_shell > max_shell_for_element(atomic_number):
16 raise ValueError("Неважећа електронска оболу за овај елемент")
17
18 # Израчунајте константу заштите користећи Слатерове правилнике
19 screening_constant = 0
20
21 # Поједностављена имплементација за уобичајене елементе
22 if electron_shell == 1: # K оболу
23 if atomic_number == 1: # Водоник
24 screening_constant = 0
25 elif atomic_number == 2: # Хелијум
26 screening_constant = 0.3
27 else:
28 screening_constant = 0.3 * (atomic_number - 1)
29 elif electron_shell == 2: # L оболу
30 if atomic_number <= 4: # Ли, Бе
31 screening_constant = 1.7
32 elif atomic_number <= 10: # Б до Не
33 screening_constant = 1.7 + 0.35 * (atomic_number - 4)
34 else:
35 screening_constant = 3.25 + 0.5 * (atomic_number - 10)
36
37 # Израчунајте ефективни нуклеарни набој
38 effective_charge = atomic_number - screening_constant
39
40 return effective_charge
41
42def max_shell_for_element(atomic_number):
43 """Одредите максимални број оболе за елемент"""
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 // Валидација уноса
3 if (atomicNumber < 1) {
4 throw new Error("Атомски број мора бити најмање 1");
5 }
6
7 const maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
8 if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
9 throw new Error("Неважећа електронска оболу за овај елемент");
10 }
11
12 // Израчунајте константу заштите користећи Слатерове правилнике
13 let screeningConstant = 0;
14
15 // Поједностављена имплементација за уобичајене елементе
16 if (electronShell === 1) { // K оболу
17 if (atomicNumber === 1) { // Водоник
18 screeningConstant = 0;
19 } else if (atomicNumber === 2) { // Хелијум
20 screeningConstant = 0.3;
21 } else {
22 screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
23 }
24 } else if (electronShell === 2) { // L оболу
25 if (atomicNumber <= 4) { // Ли, Бе
26 screeningConstant = 1.7;
27 } else if (atomicNumber <= 10) { // Б до Не
28 screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
29 } else {
30 screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
31 }
32 }
33
34 // Израчунајте ефективни нуклеарни набој
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 // Валидација уноса
4 if (atomicNumber < 1) {
5 throw new IllegalArgumentException("Атомски број мора бити најмање 1");
6 }
7
8 int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
9 if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
10 throw new IllegalArgumentException("Неважећа електронска оболу за овај елемент");
11 }
12
13 // Израчунајте константу заштите користећи Слатерове правилнике
14 double screeningConstant = 0;
15
16 // Поједностављена имплементација за уобичајене елементе
17 if (electronShell == 1) { // K оболу
18 if (atomicNumber == 1) { // Водоник
19 screeningConstant = 0;
20 } else if (atomicNumber == 2) { // Хелијум
21 screeningConstant = 0.3;
22 } else {
23 screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
24 }
25 } else if (electronShell == 2) { // L оболу
26 if (atomicNumber <= 4) { // Ли, Бе
27 screeningConstant = 1.7;
28 } else if (atomicNumber <= 10) { // Б до Не
29 screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
30 } else {
31 screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
32 }
33 }
34
35 // Израчунајте ефективни нуклеарни набој
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 // Пример: Израчунајте Zeff за 2p електрон у угљенику (Z=6)
53 int atomicNumber = 6;
54 int electronShell = 2;
55 double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
56 System.out.printf("Ефективни нуклеарни набој за оболу %d у елементу %d: %.2f%n",
57 electronShell, atomicNumber, zeff);
58 }
59}
60
1' Excel VBA Функција за ефективни нуклеарни набој
2Function EffectiveNuclearCharge(atomicNumber As Integer, electronShell As Integer) As Double
3 ' Валидација уноса
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 ' Израчунајте константу заштите користећи Слатерове правилнике
18 Dim screeningConstant As Double
19 screeningConstant = 0
20
21 ' Поједностављена имплементација за уобичајене елементе
22 If electronShell = 1 Then ' K оболу
23 If atomicNumber = 1 Then ' Водоник
24 screeningConstant = 0
25 ElseIf atomicNumber = 2 Then ' Хелијум
26 screeningConstant = 0.3
27 Else
28 screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1)
29 End If
30 ElseIf electronShell = 2 Then ' L оболу
31 If atomicNumber <= 4 Then ' Ли, Бе
32 screeningConstant = 1.7
33 ElseIf atomicNumber <= 10 Then ' Б до Не
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 ' Израчунајте ефективни нуклеарни набој
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// Добијање максималног броја оболе за елемент
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// Израчунавање ефективног нуклеарног набоја користећи Слатерове правилнике
17double calculateEffectiveNuclearCharge(int atomicNumber, int electronShell) {
18 // Валидација уноса
19 if (atomicNumber < 1) {
20 throw std::invalid_argument("Атомски број мора бити најмање 1");
21 }
22
23 int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
24 if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
25 throw std::invalid_argument("Неважећа електронска оболу за овај елемент");
26 }
27
28 // Израчунајте константу заштите користећи Слатерове правилнике
29 double screeningConstant = 0.0;
30
31 // Поједностављена имплементација за уобичајене елементе
32 if (electronShell == 1) { // K оболу
33 if (atomicNumber == 1) { // Водоник
34 screeningConstant = 0.0;
35 } else if (atomicNumber == 2) { // Хелијум
36 screeningConstant = 0.3;
37 } else {
38 screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
39 }
40 } else if (electronShell == 2) { // L оболу
41 if (atomicNumber <= 4) { // Ли, Бе
42 screeningConstant = 1.7;
43 } else if (atomicNumber <= 10) { // Б до Не
44 screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
45 } else {
46 screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
47 }
48 }
49
50 // Израчунајте ефективни нуклеарни набој
51 double effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
52
53 return effectiveCharge;
54}
55
56int main() {
57 try {
58 // Пример: Израчунајте Zeff за 2p електрон у угљенику (Z=6)
59 int atomicNumber = 6;
60 int electronShell = 2;
61 double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
62 std::cout << "Ефективни нуклеарни набој за оболу " << electronShell
63 << " у елементу " << atomicNumber << ": " << zeff << std::endl;
64 } catch (const std::exception& e) {
65 std::cerr << "Грешка: " << e.what() << std::endl;
66 return 1;
67 }
68
69 return 0;
70}
71
За прелазне метале са делимично попуњеним d-orbitalima, Слатерови правилници захтевају посебну пажњу. d-електрони су мање ефикасни у заштити од s и p електрона, што доводи до виших ефективних нуклеарних набоја него што би се могло очекивати на основу једноставног броја електрона.
За елементе са атомским бројем већим од око 70, релативистички ефекти постају значајни. Ови ефекти узрокују да унутрашњи електрони брже и ближе кружу око језгра, мењајући њихову ефикасност у заштити. Наш калкулатор имплементира одговарајуће исправке за ове елементе.
За ионе (атоме који су добили или изгубили електроне), израчунавање ефективног нуклеарног набоја мора узети у обзир промену електронске конфигурације:
Калкулатор претпоставља електронске конфигурације у основном стању. За атоме у узбуђеним стањима (где су електрони промовисани на више енергетске нивое), ефективни нуклеарни набој би се разликовао од израчунатих вредности.
Ефективни нуклеарни набој (Zeff) је нето позитиван набој који електрон доживљава у вишеелектронском атому након узимања у обзир ефекта заштите других електрона. Израчунава се као стварни нуклеарни набој (атомски број) минус константа заштите.
Ефективни нуклеарни набој објашњава многе периодичне трендове у својствима елемената, укључујући атомски радијус, енергију ионизације, електронску афинитет и електронегативност. То је основна концепција за разумевање атомске структуре и хемијског везивања.
Слатерови правилници пружају добра приближна решења за ефективни нуклеарни набој, посебно за елементе главне групе. За прелазне метале, лантаноиде и актиноиде, приближна решења су мање тачна, али су и даље корисна за квалитативно разумевање. Прецизније вредности захтевају квантно-механичке калкулације.
Ефективни нуклеарни набој генерално расте с лева на десно дуж периода због повећања нуклеарног набоја уз минималну додатну заштиту. Обично опада над групом јер се додају нове оболице, повећавајући удаљеност између спољашњих електрона и језгра.
Не, ефективни нуклеарни набој не може бити негативан. Константа заштите (S) је увек мања од атомског броја (Z), осигуравајући да Zeff остане позитиван.
Виши ефективни нуклеарни набој привлачи електроне чврsto према језгру, што резултира мањим атомским радијусом. Ово објашњава зашто атомски радијус обично опада дуж периода и расте над групом у периодној табели.
Електрони у основном стању (они у унутрашњим оболама) штите валентне електроне од пуне нуклеарне набоја. Валентни електрони обично доживљавају нижу ефективну нуклеарну набој од електрона у основном стању јер су даље од језгра и доживљавају више заштите.
Виши ефективни нуклеарни набој значи да су електрони чврsto привучени према језгру, што захтева више енергије за њихово уклањање. Ово резултира вишим енергијама ионизације за елементе са већим ефективним нуклеарним набојем.
Ефективни нуклеарни набој не може се директно мерити, али се може закључити из експерименталних података као што су атомски спектри, енергије ионизације и мерења апсорпције X-зрака.
Елементи са вишим ефективним нуклеарним набојем обично привлаче делјене електроне јаче у хемијским везама, што доводи до веће електронегативности и веће тенденције за формирање јоничних или поларних ковалентних веза.
Слатер, Ј.Ц. (1930). "Атомски константи заштите". Physical Review. 36 (1): 57–64. doi:10.1103/PhysRev.36.57
Клементии, Е.; Рајмонди, Д.Л. (1963). "Атомске константе заштите из SCF функција". The Journal of Chemical Physics. 38 (11): 2686–2689. doi:10.1063/1.1733573
Левин, И.Н. (2013). Квантна хемија (7. издање). Pearson. ISBN 978-0321803450
АткINS, П.; де Паула, Ј. (2014). АткINS' Физичка Хемија (10. издање). Oxford University Press. ISBN 978-0199697403
Хаускрофт, Ц.Е.; Шарп, А.Г. (2018). Неорганска хемија (5. издање). Pearson. ISBN 978-1292134147
Котон, Ф.А.; Вилкинсон, Г.; Мурило, Ц.А.; Бочман, М. (1999). Напредна неорганска хемија (6. издање). Wiley. ISBN 978-0471199571
Мислер, Г.Л.; Фишер, П.J.; Тар, Д.А. (2014). Неорганска хемија (5. издање). Pearson. ISBN 978-0321811059
"Ефективни нуклеарни набој." Хемија ЛибреТексти, 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
"Слатерова правила." Википедија, Фондација Викимедија, https://en.wikipedia.org/wiki/Slater%27s_rules
"Периодични трендови." Кан Академија, https://www.khanacademy.org/science/ap-chemistry-beta/x2eef969c74e0d802:atomic-structure-and-properties/x2eef969c74e0d802:periodic-trends/a/periodic-trends-and-coulombs-law
Наш калкулатор пријатељски пружа лакоћу у одређивању ефективног нуклеарног набоја за било који елемент и електронску оболу. Једноставно унесите атомски број, изаберите оболу од интереса и одмах видите резултат. Интерактивна визуализација помаже у изградњи интуиције о атомској структури и понашању електрона.
Без обзира да ли сте студент који учи о периодичним трендовима, едукатор који предаје атомску структуру или истраживач који треба брзе процене ефективног нуклеарног набоја, наш калкулатор пружа информације које су вам потребне у јасном, доступном формату.
Започните истраживање ефективног нуклеарног набоја и његових импликација за атомска својства и хемијско понашање данас!
Otkrijte više alata koji mogu biti korisni za vaš radni proces