Kihesabu cha Chaji ya Nyuklia

Utangulizi

Kihesabu cha chaji ya nyuklia inayofanya kazi (Z_eff) ni chombo muhimu kwa kuelewa muundo wa atomu na tabia za kemikali. Chaji ya nyuklia inayofanya kazi inawakilisha chaji halisi ya nyuklia inayopatikana na elektroni katika atomu yenye elektroni nyingi, ikizingatia athari ya ulinzi kutoka kwa elektroni nyingine. Dhana hii muhimu husaidia kueleza mwelekeo wa kawaida katika mali za atomu, uhusiano wa kemikali, na tabia za spektroskopi.

Kihesabu chetu cha chaji ya nyuklia inayofanya kazi kinatumia sheria za Slater ili kutoa thamani sahihi za Z_eff kwa kila elementi kwenye jedwali la periodiki. Kwa kuingiza tu nambari ya atomu na kuchagua ganda la elektroni linalovutiwa, unaweza kupata mara moja chaji ya nyuklia inayofanya kazi inayopatikana na elektroni katika ganda hilo.

Kuelewa chaji ya nyuklia inayofanya kazi ni muhimu kwa wanafunzi, walimu, na watafiti katika kemia, fizikia, na sayansi ya vifaa. Kihesabu hiki kinarahisisha hesabu ngumu huku kikitoa maarifa ya kielimu kuhusu muundo wa atomu na tabia za elektroni.

Nini Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi?

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi (Z_eff) inawakilisha chaji chanya halisi inayopatikana na elektroni katika atomu yenye elektroni nyingi. Ingawa nyuklia ina protons zenye chaji chanya sawa na nambari ya atomu (Z), elektroni hazipati chaji hii kamili ya nyuklia kutokana na athari ya ulinzi (pia inajulikana kama screening) kutoka kwa elektroni nyingine.

Uhusiano kati ya chaji halisi ya nyuklia na chaji ya nyuklia inayofanya kazi unapatikana kwa:

$Z_{eff} = Z - S$

Ambapo:

• Z_eff ni chaji ya nyuklia inayofanya kazi
• Z ni nambari ya atomu (idadi ya protons)
• S ni mkojo wa ulinzi (kiasi cha chaji ya nyuklia inayolindwa na elektroni nyingine)

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi inaelezea mwelekeo wengi wa kawaida ikiwa ni pamoja na:

• Kipimo cha atomu: Kadri Z_eff inavyoongezeka, elektroni zinavutwa kwa nguvu zaidi kuelekea nyuklia, kupunguza kipimo cha atomu
• Nishati ya ionization: Z_eff ya juu inamaanisha elektroni zinashikiliwa kwa nguvu zaidi, kuongezeka kwa nishati ya ionization
• Ukaribu wa elektroni: Z_eff ya juu kwa kawaida husababisha kuvutia kwa nguvu zaidi kwa elektroni za ziada
• Ufanisi wa umeme: Elements zenye Z_eff ya juu kwa kawaida huvutia elektroni zinazoshirikiwa kwa nguvu zaidi

Sheria za Slater za Kuhesabu Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi

Mnamo mwaka wa 1930, mwanafizikia John C. Slater alitunga seti ya sheria za kukadiria mkojo wa ulinzi (S) katika atomu zenye elektroni nyingi. Sheria hizi zinatoa njia ya kimfumo ya kukadiria chaji ya nyuklia inayofanya kazi bila kuhitaji hesabu ngumu za kinadharia.

Kundi la Elektroni katika Sheria za Slater

Sheria za Slater huanza kwa kugawanya elektroni katika mpangilio ufuatao:

1. (1s)
2. (2s, 2p)
3. (3s, 3p)
4. (3d)
5. (4s, 4p)
6. (4d)
7. (4f)
8. (5s, 5p) ... na kadhalika

Mikojo ya Ulinzi Kulingana na Sheria za Slater

Mchango wa mkojo wa ulinzi kutoka kwa makundi tofauti ya elektroni unafuata sheria hizi:

1. Elektroni katika makundi ya juu ya elektroni inayovutiwa huchangia 0.00 kwa mkojo wa ulinzi
2. Elektroni katika kundi sawa na elektroni inayovutiwa:
   • Kwa elektroni za 1s: elektroni nyingine katika kundi huchangia 0.30 kwa S
   • Kwa elektroni za ns na np: elektroni nyingine katika kundi huchangia 0.35 kwa S
   • Kwa elektroni za nd na nf: elektroni nyingine katika kundi huchangia 0.35 kwa S
3. Elektroni katika makundi ya chini ya elektroni inayovutiwa huchangia:
   • 0.85 kwa S kwa kila elektroni katika ganda la (n-1)
   • 1.00 kwa S kwa kila elektroni katika ganda za chini ya (n-1)

Mfano wa Hesabu

Kwa atomu ya kaboni (Z = 6) yenye mpangilio wa elektroni 1s²2s²2p²:

Ili kupata Z_eff kwa elektroni ya 2p:

• Kundi la 1: (1s²) huchangia 2 × 0.85 = 1.70 kwa S
• Kundi la 2: (2s²2p¹) elektroni nyingine katika kundi huchangia 3 × 0.35 = 1.05 kwa S
• Jumla ya mkojo wa ulinzi: S = 1.70 + 1.05 = 2.75
• Chaji ya nyuklia inayofanya kazi: Z_eff = 6 - 2.75 = 3.25

Hii ina maana kwamba elektroni ya 2p katika kaboni inapata chaji ya nyuklia inayofanya kazi ya takriban 3.25 badala ya chaji kamili ya nyuklia ya 6.

Jinsi ya Kutumia Kihesabu cha Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi

Kihesabu chetu kinarahisisha mchakato mgumu wa kutumia sheria za Slater. Fuata hatua hizi ili kuhesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa kila elementi:

1. Ingiza Nambari ya Atom (Z): Ingiza nambari ya atomu ya elementi unayovutiwa nayo (1-118)
2. Chagua Ganda la Elektroni (n): Chagua nambari ya quantum ya msingi (ganda) ambalo unataka kuhesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi
3. Tazama Matokeo: Kihesabu kitaonyesha mara moja chaji ya nyuklia inayofanya kazi (Z_eff) inayopatikana na elektroni katika ganda hilo
4. Chunguza Mchoro: Angalia mchoro wa atomu unaoonyesha nyuklia na maganda ya elektroni, huku ganda lililochaguliwa likionyeshwa

Kihesabu kinathibitisha kiotomatiki ingizo lako ili kuhakikisha ni muhimu kimwili. Kwa mfano, huwezi kuchagua ganda la elektroni ambalo halipo kwa elementi fulani.

Kuelewa Matokeo

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi iliyokadiriwa inakueleza jinsi elektroni katika ganda lililochaguliwa zinavyovutwa kwa nguvu kuelekea nyuklia. Thamani za juu zinaashiria kuvutia kwa nguvu zaidi, ambayo kwa kawaida inahusiana na:

• Kipimo kidogo cha atomu
• Nishati ya juu ya ionization
• Ufanisi wa umeme mkubwa
• Uwezo wa kuunganisha kwa nguvu zaidi

Sifa za Mchoro

Mchoro wa atomu katika kihesabu chetu unatoa uwakilishi wa kueleweka wa:

• Nyuklia, iliyoandikwa na nambari ya atomu
• Maganda ya elektroni kama mizunguko ya concentric kuzunguka nyuklia
• Kuangaziwa kwa ganda lililochaguliwa ambalo Z_eff inakadirika

Mchoro huu unasaidia kujenga ufahamu kuhusu muundo wa atomu na uhusiano kati ya maganda ya elektroni na chaji ya nyuklia.

Matumizi ya Kihesabu cha Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi

Kuelewa chaji ya nyuklia inayofanya kazi kuna matumizi mengi katika kemia, fizikia, na nyanja zinazohusiana:

1. Matumizi ya Elimu

• Kufundisha Mwelekeo wa Periodic: Kuonyesha kwa nini kipimo cha atomu kinapungua katika kipindi na kuongezeka chini ya kundi
• Kuelezea Tabia za Uhusiano: Kuonyesha kwa nini elementi zenye chaji ya nyuklia inayofanya kazi ya juu huunda viunganisho vya nguvu zaidi
• Kuelewa Spectroscopy: Kusaidia wanafunzi kuelewa kwa nini spektra za utoaji na kunyonya zinatofautiana kati ya elementi

2. Matumizi ya Utafiti

• Kemia ya Kompyuta: Kutoa vigezo vya awali kwa hesabu ngumu zaidi za kinadharia
• Sayansi ya Vifaa: Kutabiri mali za vifaa vipya kulingana na sifa za atomu
• Kubuni Dawa: Kuelewa usambazaji wa elektroni katika molekuli kwa ajili ya maendeleo ya dawa

3. Matumizi ya Vitendo

• Uhandisi wa Kemikali: Kuboresha vichocheo kulingana na mali za kielektroniki za elementi
• Kubuni Semiconductors: Kuchagua dopants zinazofaa kulingana na sifa zao za kielektroniki
• Teknolojia ya Betri: Kuendeleza vifaa vya electrodes vilivyo bora na mali zinazohitajika za kielektroniki

Mbadala

Ingawa sheria za Slater zinatoa njia rahisi ya kukadiria chaji ya nyuklia inayofanya kazi, kuna mbadala nyingine:

1. Hesabu za Kihisia za Kihisia: Njia sahihi zaidi lakini zenye nguvu za hesabu kama vile Hartree-Fock au nadharia ya kazi ya wingi (DFT)
2. Thamani za Chaji za Nyuklia za Clementi-Raimondi: Thamani zilizopatikana kwa msingi wa data za majaribio
3. Zeff kutoka kwa Spectra za Atomiki: Kueleza chaji ya nyuklia inayofanya kazi kutoka kwa kipimo cha spektroskopi
4. Njia za Uwanja wa Kujitegemea: Mbinu za kurudi ambazo zinahesabu usambazaji wa elektroni na chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa pamoja

Kila mbinu ina faida na mipaka yake, huku sheria za Slater zikitoa usawa mzuri kati ya usahihi na urahisi kwa madhumuni ya elimu na matumizi mengi ya vitendo.

Historia ya Dhana ya Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi

Dhana ya chaji ya nyuklia inayofanya kazi ilikua sambamba na uelewa wetu wa muundo wa atomu:

Mifano ya Mapema ya Atomiki

Katika karne ya 20, wanasayansi kama J.J. Thomson na Ernest Rutherford walijenga muundo wa kimsingi wa atomu ukiwa na nyuklia yenye chaji chanya inayozungukwa na elektroni. Hata hivyo, mifano hii haikuweza kueleza mwelekeo wa kawaida katika mali za elementi.

Mfano wa Bohr na Zaidi

Mfano wa Niels Bohr wa mwaka 1913 ulianzisha mizunguko ya elektroni iliyohifadhiwa lakini bado ilichukulia elektroni kama chembe huru. Ilionekana wazi kwamba mwingiliano wa elektroni-kati ulikuwa muhimu kwa kuelewa atomu zenye elektroni nyingi.

Maendeleo ya Sheria za Slater

Mnamo mwaka wa 1930, John C. Slater alichapisha karatasi yake muhimu "Mikojo ya Ulinzi wa Atomiki" katika Physical Review. Alianzisha seti ya sheria za kimakundi za kukadiria athari ya ulinzi katika atomu zenye elektroni nyingi, na kutoa njia ya vitendo ya kuhesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi bila kutatua usawa wa Schrödinger.

Marekebisho ya Kisasa

Tangu kazi ya awali ya Slater, marekebisho mbalimbali yamependekezwa:

• Thamani za Clementi-Raimondi (1963): Enrico Clementi na Daniele Raimondi walichapisha thamani sahihi zaidi za Z_eff kulingana na hesabu za Hartree-Fock
• Mbinu za Kihisia: Maendeleo ya mbinu za kompyuta zinazohesabu usambazaji wa elektroni kwa usahihi unaoongezeka
• Athari za Relativistic: Kutambua kwamba kwa elementi nzito, athari za relativistic zinaathiri kwa kiasi kikubwa chaji ya nyuklia inayofanya kazi

Leo, ingawa mbinu za kisasa zaidi zipo, sheria za Slater bado zinabaki kuwa muhimu kwa madhumuni ya elimu na kama hatua ya mwanzo kwa hesabu ngumu zaidi.

Mifano ya Nambari za Kuhesabu Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi

Hapa kuna utekelezaji wa sheria za Slater katika lugha mbalimbali za programu:

1def calculate_effective_nuclear_charge(atomic_number, electron_shell):
2    """
3    Hesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa kutumia sheria za Slater
4    
5    Parameta:
6    atomic_number (int): Nambari ya atomu ya elementi
7    electron_shell (int): Nambari ya quantum ya msingi ya ganda
8    
9    Inarudisha:
10    float: Chaji ya nyuklia inayofanya kazi
11    """
12    if atomic_number < 1:
13        raise ValueError("Nambari ya atomu lazima iwe angalau 1")
14        
15    if electron_shell < 1 or electron_shell > max_shell_for_element(atomic_number):
16        raise ValueError("Ganda la elektroni halifai kwa elementi hii")
17    
18    # Hesabu mkojo wa ulinzi kwa kutumia sheria za Slater
19    screening_constant = 0
20    
21    # Utekelezaji rahisi kwa elementi za kawaida
22    if electron_shell == 1:  # Ganda la K
23        if atomic_number == 1:  # Hidrojeni
24            screening_constant = 0
25        elif atomic_number == 2:  # Helium
26            screening_constant = 0.3
27        else:
28            screening_constant = 0.3 * (atomic_number - 1)
29    elif electron_shell == 2:  # Ganda la L
30        if atomic_number <= 4:  # Li, Be
31            screening_constant = 1.7
32        elif atomic_number <= 10:  # B kupitia 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    # Hesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi
38    effective_charge = atomic_number - screening_constant
39    
40    return effective_charge
41
42def max_shell_for_element(atomic_number):
43    """Tambua nambari ya ganda kubwa kwa elementi"""
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  // Thibitisha ingizo
3  if (atomicNumber < 1) {
4    throw new Error("Nambari ya atomu lazima iwe angalau 1");
5  }
6  
7  const maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
8  if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
9    throw new Error("Ganda la elektroni halifai kwa elementi hii");
10  }
11  
12  // Hesabu mkojo wa ulinzi kwa kutumia sheria za Slater
13  let screeningConstant = 0;
14  
15  // Utekelezaji rahisi kwa elementi za kawaida
16  if (electronShell === 1) {  // Ganda la K
17    if (atomicNumber === 1) {  // Hidrojeni
18      screeningConstant = 0;
19    } else if (atomicNumber === 2) {  // Helium
20      screeningConstant = 0.3;
21    } else {
22      screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
23    }
24  } else if (electronShell === 2) {  // Ganda la L
25    if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
26      screeningConstant = 1.7;
27    } else if (atomicNumber <= 10) {  // B kupitia Ne
28      screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
29    } else {
30      screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
31    }
32  }
33  
34  // Hesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi
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        // Thibitisha ingizo
4        if (atomicNumber < 1) {
5            throw new IllegalArgumentException("Nambari ya atomu lazima iwe angalau 1");
6        }
7        
8        int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
9        if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
10            throw new IllegalArgumentException("Ganda la elektroni halifai kwa elementi hii");
11        }
12        
13        // Hesabu mkojo wa ulinzi kwa kutumia sheria za Slater
14        double screeningConstant = 0;
15        
16        // Utekelezaji rahisi kwa elementi za kawaida
17        if (electronShell == 1) {  // Ganda la K
18            if (atomicNumber == 1) {  // Hidrojeni
19                screeningConstant = 0;
20            } else if (atomicNumber == 2) {  // Helium
21                screeningConstant = 0.3;
22            } else {
23                screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
24            }
25        } else if (electronShell == 2) {  // Ganda la L
26            if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
27                screeningConstant = 1.7;
28            } else if (atomicNumber <= 10) {  // B kupitia Ne
29                screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
30            } else {
31                screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
32            }
33        }
34        
35        // Hesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi
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        // Mfano: Hesabu Zeff kwa elektroni ya 2p katika Kaboni (Z=6)
53        int atomicNumber = 6;
54        int electronShell = 2;
55        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
56        System.out.printf("Chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa ganda %d katika elementi %d: %.2f%n", 
57                          electronShell, atomicNumber, zeff);
58    }
59}
60

1' Excel VBA Function kwa Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi
2Function EffectiveNuclearCharge(atomicNumber As Integer, electronShell As Integer) As Double
3    ' Thibitisha ingizo
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    ' Hesabu mkojo wa ulinzi kwa kutumia sheria za Slater
18    Dim screeningConstant As Double
19    screeningConstant = 0
20    
21    ' Utekelezaji rahisi kwa elementi za kawaida
22    If electronShell = 1 Then  ' Ganda la K
23        If atomicNumber = 1 Then  ' Hidrojeni
24            screeningConstant = 0
25        ElseIf atomicNumber = 2 Then  ' Helium
26            screeningConstant = 0.3
27        Else
28            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1)
29        End If
30    ElseIf electronShell = 2 Then  ' Ganda la L
31        If atomicNumber <= 4 Then  ' Li, Be
32            screeningConstant = 1.7
33        ElseIf atomicNumber <= 10 Then  ' B kupitia 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    ' Hesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi
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// Pata nambari ya ganda kubwa kwa elementi
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// Hesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa kutumia sheria za Slater
17double calculateEffectiveNuclearCharge(int atomicNumber, int electronShell) {
18    // Thibitisha ingizo
19    if (atomicNumber < 1) {
20        throw std::invalid_argument("Nambari ya atomu lazima iwe angalau 1");
21    }
22    
23    int maxShell = getMaxShellForElement(atomicNumber);
24    if (electronShell < 1 || electronShell > maxShell) {
25        throw std::invalid_argument("Ganda la elektroni halifai kwa elementi hii");
26    }
27    
28    // Hesabu mkojo wa ulinzi kwa kutumia sheria za Slater
29    double screeningConstant = 0.0;
30    
31    // Utekelezaji rahisi kwa elementi za kawaida
32    if (electronShell == 1) {  // Ganda la K
33        if (atomicNumber == 1) {  // Hidrojeni
34            screeningConstant = 0.0;
35        } else if (atomicNumber == 2) {  // Helium
36            screeningConstant = 0.3;
37        } else {
38            screeningConstant = 0.3 * (atomicNumber - 1);
39        }
40    } else if (electronShell == 2) {  // Ganda la L
41        if (atomicNumber <= 4) {  // Li, Be
42            screeningConstant = 1.7;
43        } else if (atomicNumber <= 10) {  // B kupitia Ne
44            screeningConstant = 1.7 + 0.35 * (atomicNumber - 4);
45        } else {
46            screeningConstant = 3.25 + 0.5 * (atomicNumber - 10);
47        }
48    }
49    
50    // Hesabu chaji ya nyuklia inayofanya kazi
51    double effectiveCharge = atomicNumber - screeningConstant;
52    
53    return effectiveCharge;
54}
55
56int main() {
57    try {
58        // Mfano: Hesabu Zeff kwa elektroni ya 2p katika Kaboni (Z=6)
59        int atomicNumber = 6;
60        int electronShell = 2;
61        double zeff = calculateEffectiveNuclearCharge(atomicNumber, electronShell);
62        std::cout << "Chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa ganda " << electronShell 
63                  << " katika elementi " << atomicNumber << ": " << zeff << std::endl;
64    } catch (const std::exception& e) {
65        std::cerr << "Kosa: " << e.what() << std::endl;
66        return 1;
67    }
68    
69    return 0;
70}
71

Mambo Maalum na Kuangalia

Metali za Mpito na d-Orbitals

Kwa metali za mpito zenye orbitals za d zilizojaa sehemu, sheria za Slater zinahitaji umakini maalum. Elektroni za d hazifanyi kazi vizuri katika kulinda kuliko elektroni za s na p, na kusababisha chaji ya nyuklia inayofanya kazi kuwa juu zaidi kuliko inavyoweza kutarajiwa kwa kuhesabu tu elektroni.

Elemente Nzito na Athari za Relativistic

Kwa elementi zenye nambari za atomu zaidi ya 70, athari za relativistic zinakuwa muhimu. Athari hizi zinapelekea elektroni za ndani kuhamasika kwa kasi zaidi na kuzunguka karibu na nyuklia, kubadilisha ufanisi wao wa ulinzi. Kihesabu chetu kinatumia marekebisho yanayofaa kwa elementi hizi.

Ioni

Kwa ioni (atomu ambazo zimepata au kupoteza elektroni), hesabu ya chaji ya nyuklia inayofanya kazi inapaswa kuzingatia mabadiliko ya mpangilio wa elektroni:

• Cations (ioni zenye chaji chanya): Kwa kuwa na elektroni chache, kuna ulinzi mdogo, na kusababisha chaji ya nyuklia inayofanya kazi kuwa juu kwa elektroni zilizosalia
• Anions (ioni zenye chaji hasi): Kwa kuwa na elektroni nyingi, kuna ulinzi mkubwa, na kusababisha chaji ya nyuklia inayofanya kazi kuwa chini

Hali za Kusisimua

Kihesabu kinadhania mpangilio wa elektroni wa hali ya chini. Kwa atomu katika hali za kusisimua (ambapo elektroni zimehamishwa kwenye viwango vya nishati vya juu), chaji ya nyuklia inayofanya kazi itatofautiana na thamani zilizokadiriwa.

Maswali Yanayoulizwa Mara kwa Mara

Nini chaji ya nyuklia inayofanya kazi?

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi (Z_eff) ni chaji chanya halisi inayopatikana na elektroni katika atomu yenye elektroni nyingi baada ya kuzingatia athari ya ulinzi kutoka kwa elektroni nyingine. Inakadiria kama chaji halisi ya nyuklia (nambari ya atomu) iliyopunguzwa na mkojo wa ulinzi.

Kwa nini chaji ya nyuklia inayofanya kazi ni muhimu?

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi inaelezea mwelekeo mwingi wa kawaida katika mali za elementi, ikiwa ni pamoja na kipimo cha atomu, nishati ya ionization, ufanisi wa umeme, na umakini wa umeme. Ni dhana muhimu kwa kuelewa muundo wa atomu na uhusiano wa kemikali.

Je, sheria za Slater zina usahihi gani?

Sheria za Slater zinatoa makadirio mazuri ya chaji ya nyuklia inayofanya kazi, hasa kwa elementi za kundi kuu. Kwa metali za mpito, lanthanides, na actinides, makadirio ni sahihi kidogo lakini bado yanaweza kuwa na manufaa kwa kuelewa kwa ubora. Thamani sahihi zaidi zinahitaji hesabu za kinadharia.

Je, chaji ya nyuklia inayofanya kazi inabadilika vipi kwenye jedwali la periodiki?

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa kawaida inaongezeka kutoka kushoto kwenda kulia kwenye kipindi kutokana na kuongezeka kwa chaji ya nyuklia bila ulinzi wa ziada. Kwa kawaida hupungua chini ya kundi kadri maganda mapya yanavyoongezwa, na kuongeza umbali kati ya elektroni za nje na nyuklia.

Je, chaji ya nyuklia inayofanya kazi inaweza kuwa hasi?

Hapana, chaji ya nyuklia inayofanya kazi haiwezi kuwa hasi. Mkojo wa ulinzi (S) kila wakati ni mdogo kuliko nambari ya atomu (Z), kuhakikisha kwamba Z_eff inabaki kuwa chanya.

Je, chaji ya nyuklia inayofanya kazi inavyoathiri kipimo cha atomu?

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi ya juu inavutia elektroni kwa nguvu zaidi kuelekea nyuklia, na kusababisha kupungua kwa kipimo cha atomu. Hii inaeleza kwa nini kipimo cha atomu kwa kawaida hupungua katika kipindi na kuongezeka chini ya kundi kwenye jedwali la periodiki.

Kwa nini elektroni za valence zinapata chaji ya nyuklia inayofanya kazi tofauti na elektroni za msingi?

Elektroni za msingi (zilizo katika maganda ya ndani) zinapunguza elektroni za valence kutokana na chaji ya nyuklia kamili. Elektroni za valence kwa kawaida hupata chaji ya nyuklia inayofanya kazi ya chini kuliko elektroni za msingi kwa sababu ziko mbali zaidi na nyuklia na zinapata ulinzi zaidi.

Je, chaji ya nyuklia inayofanya kazi inahusiana vipi na nishati ya ionization?

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi ya juu inamaanisha elektroni zinashikiliwa kwa nguvu zaidi kwenye nyuklia, na kuhitaji nguvu zaidi kuondoa. Hii inasababisha nishati ya ionization kuwa ya juu kwa elementi zenye chaji ya nyuklia inayofanya kazi kubwa.

Je, chaji ya nyuklia inayofanya kazi inaweza kupimwa kwa majaribio?

Chaji ya nyuklia inayofanya kazi haiwezi kupimwa moja kwa moja lakini inaweza kudhaniwa kutokana na data za majaribio kama vile spektra za atomiki, nishati za ionization, na vipimo vya kunyonya X-ray.

Je, chaji ya nyuklia inayofanya kazi inavyoathiri uhusiano wa kemikali?

Elements zenye chaji ya nyuklia inayofanya kazi kubwa kwa kawaida huvutia elektroni zinazoshirikiwa kwa nguvu zaidi katika uhusiano wa kemikali, na kusababisha umakini wa umeme wa juu na uwezekano mkubwa wa kuunda viunganisho vya ionic au covalent.

Marejeo

1. Slater, J.C. (1930). "Mikojo ya Ulinzi wa Atomiki". Physical Review. 36 (1): 57–64. doi:10.1103/PhysRev.36.57

2. Clementi, E.; Raimondi, D.L. (1963). "Mikojo ya Atomiki kutoka kwa Kazi za SCF". The Journal of Chemical Physics. 38 (11): 2686–2689. doi:10.1063/1.1733573

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

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

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

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

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

8. "Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi." 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. "Sheria za Slater." Wikipedia, Wikimedia Foundation, https://en.wikipedia.org/wiki/Slater%27s_rules

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

Jaribu Kihesabu chetu cha Chaji ya Nyuklia inayofanya Kazi Leo

Kihesabu chetu cha kirafiki kinarahisisha kupata chaji ya nyuklia inayofanya kazi kwa kila elementi na ganda la elektroni. Ingiza tu nambari ya atomu, chagua ganda linalovutiwa, na upate mara moja matokeo. Mchoro wa mwingiliano unasaidia kujenga ufahamu kuhusu muundo wa atomu na tabia za elektroni.

Iwe wewe ni mwanafunzi unayejifunza kuhusu mwelekeo wa kawaida, mwalimu anayefundisha muundo wa atomu, au mtafiti unayehitaji makadirio ya haraka ya chaji ya nyuklia inayofanya kazi, kihesabu chetu kinatoa taarifa unazohitaji kwa njia wazi na inayoeleweka.

Anza kuchunguza chaji ya nyuklia inayofanya kazi na athari zake kwa mali za atomu na tabia za kemikali leo!