Cada nivel de electrones actúa como otra hoja de papel que bloquea parte de la carga para que no llegue al electrón que estamos mirando. En este artículo veremos cómo funciona el efecto de apantallamiento y cómo afecta a los electrones implicados.
- Este artículo trata sobre el efecto de apantallamiento
- Aprenderemos a calcular la carga nuclear efectiva y a comprender sus tendencias periódicas
- Después veremos cómo afecta el efecto de apantallamiento al radio atómico
- Por último, veremos la penetración de los electrones para comprender por qué algunos electrones son mejores apantalladores que otros
Definición del efecto de apantallamiento
Empecemos por ver la definición de efecto de apantallamiento.
El efecto de apantallamiento describe cómo los electrones más cercanos al núcleo "apantallan" a los electrones más alejados de la carga positiva del núcleo.
Entonces, ¿qué entendemos exactamente por "apantallamiento"? Aquí tienes un diagrama básico de un átomo:
Los electrones del núcleo (azul claro) protegen a los electrones de valencia (azul oscuro) de parte de la carga del núcleo. StudySmarter Original
Los distintos anillos representan diferentes niveles de energía. Los electrones en azul claro son los electrones del núcleo, es decir, todos los electrones que no están en la capa externa. Los electrones en azul oscuro son los electrones de valencia , que son los electrones de la capa exterior, y también son los electrones que participan en el enlace.
Los electrones van a repeler a otros electrones, así que cuando estos electrones orbiten alrededor del núcleo, sentirán un ligero "empujón". Sin embargo, el núcleo sigue "tirando" de ellos. El "empuje" de los electrones del núcleo anula el "tirón" del núcleo, como en un tira y afloja.
Fórmula del efecto de apantallamiento
La forma en que representamos el apantallamiento es utilizando la fórmula del efecto de apantallamiento para Zeff.
Zeff (Carga nuclear efectiva) es la carga que "siente" un electrón cuando está siendo apantallado. La ecuación para ello es
$$Z_{eff}=Z-S$$
Donde Z es el número de protones y S es el número de electrones del núcleo (o electrones entre el electrón y el núcleo).
Así pues,Zeff, es la "atracción" neta que siente nuestro electrón. Normalmente, sólo nos importa el,Zeff, de los electrones de valencia, pero los electrones de niveles energéticos inferiores siguen experimentando el efecto de apantallamiento. Veamos un ejemplo:
Calcula elZeff de un electrón de valencia en el flúor.
El número atómico del flúor es 9, por lo que tiene 9 protones. Cuando llenamos nuestras envolturas de electrones, la primera contiene 2 electrones, mientras que cada una de las siguientes contiene 8. Por tanto, en el caso del flúor, sólo hay 2 electrones centrales y 7 electrones de valencia.$$\begin {align}Z_{eff}&=Z-S \Z_{eff}&=9-2 \Z_{eff}&=7\end {align} $$
Ahora sabemos que elZeff de un electrón de valencia en el flúor es 7. ¿Qué significa eso exactamente? Para entenderlo mejor, veamos otro ejemplo:
Calcula elZeff de un electrón de valencia en el berilio.
El número atómico del berilio es 4, por lo que tiene 4 protones. También tiene 2 electrones centrales.$$\begin {align}Z_{eff}&=Z-S \Z_{eff}&=4-2 \Z_{eff}&=2\end {align}$$
Así pues, elZeff del berilio es 2, y es 7 para el flúor. Esto está relacionado con su carga y la forma en que se enlazan. La carga del ion más común del berilio, el catión berilio, es +2, lo que significa que puede perder 2 electrones. Sin embargo, la carga del ion más común del flúor, el anión flúor, tiene una carga de -1, por lo que quiere ganar 1 electrón para llenar su octeto (la capa más externa puede contener 8 electrones).
El núcleo del flúor ejerce una mayor atracción sobre sus electrones de valencia, por lo que esos electrones quieren quedarse donde están y ganar un electrón, mientras que el berilio ejerce una atracción más débil, por lo que es más probable que se vayan.
La magnitud deZeff está relacionada con la "fuerza" con la que el núcleo tira de esos electrones. Cuanto más fuerte sea la atracción, más probable es que esos electrones se queden.
Basándonos en nuestros ejemplos anteriores, vemos que a medida que avanzas por la tabla periódica,Zeff es mayor. Esto se debe a que estos elementos tienen el mismo número de electrones en el núcleo (es decir, el mismo efecto de apantallamiento), peroZeff es cada vez mayor. A medida que se atraviesa la tabla periódica, sólo se añaden electrones de valencia, que no son muy eficaces en el apantallamiento, ya que se encuentran en el mismo nivel de energía.
Efecto de apantallamiento en el radio atómico
El efecto de apantallamiento desempeña un papel importante en la determinación del radio atómico. Cuanto mayor sea el "agarre" del núcleo sobre sus electrones, menor será el radio atómico. A medida que te desplazas por la tabla, el radio se hace más pequeño. Como vimos con el berilio y el flúor,Zeff aumenta, por lo que aumenta el "agarre". Como la fuerza de atracción del núcleo es mayor, los electrones se mantienen más juntos, lo que significa que el radio atómico se hace más pequeño.
Cuando descendemos (de arriba abajo) en la tabla periódica, el radio atómico aumenta. A medida que se añaden más niveles de energía, la distancia entre los electrones más externos y el núcleo se hace cada vez mayor. El efecto de apantallamiento aumenta debido a los electrones adicionales.
Factores que afectan al efecto de apantallamiento
Ahora bien, la ecuación que hemos estado utilizando paraZeff es útil para mostrar las diferencias entre elementos del mismo periodo, pero en realidad no cuenta toda la historia. ElZeff real también depende de la penetración de los electrones.
La penetración de loselectrones describe lo cerca que están los electrones de un orbital del núcleo. A medida que se acercan, los electrones pueden "bloquear" la carga de los electrones más alejados.
Según el orbital en el que se encuentre un electrón, la probabilidad de que el electrón se encuentre a una determinada distancia del núcleo se basa en las curvas anteriores (los datos son para el hidrógeno). StudySmarter Original.
"Probabilidad radial" no es más que una palabra elegante para decir "qué probabilidad hay de que un electrón esté aquí". Así, por ejemplo, si un electrón está en el orbital 1s, es muy probable que esté cerca del núcleo. Como es probable que un electrón 2s esté más lejos, estará protegido por los electrones 1s. Para electrones en el mismo nivel de energía, el poder de penetración es el siguiente \(s\gt p\gt d\approx f\)
Para distintos niveles de energía y tipo de orbital, sigue este patrón
$$ 1s\gt 2s\gt 2p\gt 3s\gt 3p\gt 4s\gt 3d\gt 4p \gt 5s\gt 4d\gt 5p\gt 6s\gt 4f .... $$
Comparemos ahora elZeff real del flúor con el que hemos calculado antes. Para los electrones 1s,Zeff = 8,65, para los 2sZeff = 5,13, y para los 2pZeff = 5,10. Por tanto, es bastante diferente delZeff que calculamos antes, que era 7 para el flúor. Nuestros cálculos anteriores trataban todos los electrones como "iguales", lo que no es realmente el caso. Calculamos estos otrosZeff basándonos en las Reglas de Slater .
Reglas de Slater
Las reglas de Slater se utilizan para calcularZeff teniendo en cuenta la penetración de los electrones. Estas reglas son las siguientes Para electrones de orbitales s- y p-:
electrones dentro del mismo grupo apantallan 0,35 (excepto 1s, que es 0,30)
electrones dentro del grupo n-1 apantallan 0,85
electrones dentro del escudo del grupo n-2 o inferior 1,00
Para los electrones de los orbitales d- y f-:
- electrones dentro del mismo grupo apantallan 0,35
- electrones en todos los demás niveles inferiores apantallan 1,00
Estas reglas se utilizan para calcular la constante de apantallamiento adecuada (S), y luego la introduciremos en nuestra ecuación anterior
.
Antes de trabajar en un problema práctico, te refrescaremos rápidamente la configuración electrónica.
Dependiendo de dónde se encuentre un elemento en la tabla periódica, sus electrones llenarán los orbitales etiquetados moviéndose de izquierda a derecha. StudySmarter Original.
Llenas los orbitales empezando de derecha a izquierda hasta llegar al elemento que estás viendo. El nivel de energía equivale al periodo para los orbitales s y p. Para los orbitales d es n-1, y para los orbitales f es n-2. Cada suborbital puede contener 2 electrones, los orbitales s tienen 1 suborbital, los orbitales p tienen 3, los orbitales d tienen 5 y los orbitales f tienen 7. Así, por ejemplo, F tiene una configuración electrónica de 1s22s22p5.
Calcula la constante de apantallamiento, S, yZeff para un electrón 3p en el cloro.
El cloro tiene una configuración electrónica de 1s22s22p63s23p5. Utilizando las reglas de Slater, podemos calcular S
$$0.35(7)+0.85(8)+1.00(2)=11.25$$
Ahora paraZeff. El número atómico del cloro es 17, por lo que tiene 17 protones.
$$Z_{eff}=Z-S$$
$$Z_{eff}=17-11.25$$ xml-ph-0000@deepl.internal $$Z_{eff}=5.75$$
Para comparar, si tratáramos a cada electrón del núcleo con el mismo "peso",Zeff sería 7. Así pues, el efecto de apantallamiento es en realidadmás fuerte si tenemos en cuenta estas reglas.
Efecto de apantallamiento - Puntos clave
- El efecto de apantallamiento describe cómo los electrones más cercanos al núcleo "apantallan" a los electrones más alejados de la carga positiva del núcleo.
- Zeff (Carga nuclear efectiva) es la carga que "siente" un electrón cuando está siendo apantallado.Zeff aumenta a medida que te desplazas por la tabla periódica
- El radio atómico disminuye al desplazarse por la tabla, ya que el núcleo "tira" con más fuerza de los electrones, manteniéndolos cerca.
- Lapenetración de los electrones describe lo cerca que están los electrones de un orbital del núcleo. A medida que se acercan, los electrones pueden "bloquear" la carga de los electrones más alejados. Por ello, los electrones más cercanos al núcleo tienen un mayor efecto de apantallamiento
- Al utilizar las reglas de Slater, tenemos en cuenta la penetración de los electrones al calcularZeff
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