Carga nuclear efetiva: conceito, como calculá-la e exemplos - Ciência - 2023

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o carga nuclear efetiva (Zef) é a força atrativa que o núcleo exerce sobre qualquer um dos elétrons após ser reduzido pelos efeitos de blindagem e penetração. Se não houvesse tais efeitos, os elétrons sentiriam a força atrativa da carga nuclear Z.

Na imagem abaixo temos o modelo atômico de Bohr para um átomo fictício. Seu núcleo tem uma carga nuclear Z = + n, que atrai os elétrons que orbitam ao seu redor (os círculos azuis). Pode-se observar que dois elétrons estão em uma órbita mais próxima do núcleo, enquanto o terceiro elétron está a uma distância maior dele.

O terceiro elétron orbita sentindo as repulsões eletrostáticas dos outros dois elétrons, de modo que o núcleo o atrai com menos força; isto é, a interação elétron-núcleo diminui como resultado da blindagem dos primeiros dois elétrons.

Assim, os primeiros dois elétrons sentem a força atrativa de a + n carga, mas o terceiro experimenta uma carga nuclear efetiva de + (n-2).

Porém, esta Zef só seria válida se as distâncias (o raio) ao núcleo de todos os elétrons fossem sempre constantes e definidas, localizando suas cargas negativas (-1).

Conceito

Os prótons definem os núcleos dos elementos químicos e os elétrons definem sua identidade dentro de um conjunto de características (os grupos da tabela periódica).

Os prótons aumentam a carga nuclear Z à taxa de n + 1, que é compensada pela adição de um novo elétron para estabilizar o átomo.

Conforme o número de prótons aumenta, o núcleo é "coberto" por uma nuvem dinâmica de elétrons, na qual as regiões através das quais eles circulam são definidas pelas distribuições de probabilidade das partes radiais e angulares das funções de onda ( orbitais).

A partir dessa abordagem, os elétrons não orbitam em uma região definida do espaço ao redor do núcleo, mas, em vez disso, como as lâminas de um leque em rotação rápida, eles se borram nas formas dos orbitais s, p, d e f conhecidos.

Por este motivo, a carga negativa -1 de um elétron é distribuída pelas regiões que os orbitais penetram; quanto maior o efeito de penetração, maior será a carga nuclear efetiva que o referido elétron terá no orbital.

Efeitos de penetração e proteção

De acordo com a explicação acima, os elétrons nas camadas internas não contribuem com uma carga de -1 para a repulsão estabilizadora dos elétrons nas camadas externas.

No entanto, esse kernel (as camadas previamente preenchidas por elétrons) serve como uma "parede" que impede que a força atrativa do núcleo alcance os elétrons externos.

Isso é conhecido como efeito de tela ou efeito de proteção. Além disso, nem todos os elétrons nas camadas externas experimentam a mesma magnitude desse efeito; por exemplo, se você ocupa um orbital que tem um caráter altamente penetrante (isto é, que transita muito perto do núcleo e de outros orbitais), você sentirá um Zef superior.

Como resultado, uma ordem de estabilidade energética surge em função desses Zef para os orbitais: s<><>

Isso significa que o orbital 2p tem maior energia (menos estabilizada pela carga do núcleo) do que o orbital 2s.

Quanto mais pobre for o efeito de penetração exercido pelo orbital, menor será seu efeito de tela no resto dos elétrons externos. Os orbitais d e f mostram muitos buracos (nós) onde o núcleo atrai outros elétrons.

Como calcular?

Supondo que as cargas negativas sejam localizadas, a fórmula para calcular Zef para qualquer elétron é:

Zef = Z - σ

Nesta fórmula, σ é a constante de blindagem determinada pelos elétrons do kernel. Isso porque, teoricamente, os elétrons mais externos não contribuem para a blindagem dos elétrons internos. Em outras palavras, 1s² escudo elétron 2s¹, mas 2s¹ não protege os elétrons Z 1s².

Se Z = 40, desprezando os efeitos mencionados, então o último elétron experimentará uma Zef igual a 1 (40-39).

Regra de Slater

A regra de Slater é uma boa aproximação dos valores de Zef para os elétrons no átomo. Para aplicá-lo, siga as etapas abaixo:

1- A configuração eletrônica do átomo (ou íon) deve ser escrita da seguinte forma:

(1s) (2s 2p) (3s 3p) (3d) (4s 4p) (4d) (4f) ...

2- Os elétrons que estão à direita daquele em questão não contribuem para o efeito de blindagem.

3- Os elétrons que estão dentro do mesmo grupo (marcados entre parênteses) fornecem 0,35 a carga do elétron, a menos que seja o grupo 1s, sendo 0,30.

4- Se o elétron ocupa um orbital s ou p, então todos os orbitais n-1 contribuem com 0,85, e todos os orbitais n-2 uma unidade.

5- Caso o elétron ocupe um orbital d ou f, todos os que estão à sua esquerda contribuem com uma unidade.

Exemplos

Determine Zef para os elétrons no orbital 2s² em berílio

Seguindo o modo de representação de Slater, a configuração eletrônica do Be (Z = 4) é:

(1s²) (2s²2 P⁰)

Como há dois elétrons no orbital, um deles contribui para a blindagem do outro, e o orbital 1s é n-1 do orbital 2s. Então, desenvolvendo a soma algébrica, temos o seguinte:

(0,35)(1) + (0,85)(2)= 2,05

O 0,35 veio do elétron 2s e o 0,85 dos dois elétrons 1s. Agora, aplicando a fórmula de Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

O que significa isto? Isso significa que os elétrons no orbital 2s² eles experimentam uma carga de +1,95 que os atrai em direção ao núcleo, ao invés da carga real de +4.

Determine Zef para os elétrons no orbital 3p³ de fósforo

Novamente, continua como no exemplo anterior:

(1s²) (2s²2 P⁶) (3s²3p³)

Agora, a soma algébrica é desenvolvida para determinar σ:

(,35)(4) + (0.85)(8) + (1)(2)= 10,2

Então, Zef é a diferença entre σ e Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

Em conclusão, os últimos 3 elétrons³ eles experimentam uma carga três vezes menos forte do que a real. Também deve ser notado que, de acordo com esta regra, os elétrons 3s² eles experimentam o mesmo Zef, um resultado que pode levantar dúvidas sobre isso.

No entanto, existem modificações na regra de Slater que ajudam a aproximar os valores calculados dos reais.

Referências

Bibliografia de química. (2016, 22 de outubro). Carga nuclear efetiva. Retirado de: chem.libretexts.org
Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. Nos elementos do grupo 1. (Quarta edição., Páginas 19, 25, 26 e 30). Mc Graw Hill.
Regra de Slater. Retirado de: intro.chem.okstate.edu
Lúmen. O efeito de blindagem e a carga nuclear efetiva. Retirado de :ourses.lumenlearning.com
Hoke, Chris. (23 de abril de 2018). Como calcular a carga nuclear efetiva. Ciência. Retirado de: sciencing.com
Dra. Arlene Courtney. (2008). Tendências periódicas. Western Oregon University. Retirado de: wou.edu