Carga nuclear efectiva

Carga nuclear efectiva
La carga nuclear efectiva es la carga positiva neta experimentada por un electrón en un
átomo polielectrónico. El término "efectiva" se usa porque el efecto pantalla de los
electrones más cercanos al núcleo evita que los electrones en orbitales superiores
experimenten la carga nuclear completa. Es posible determinar la fuerza de la carga
nuclear observando el número de oxidación del átomo.
En un átomo con un electrón, el electrón experimenta toda la carga del núcleo positivo.
En este caso, la carga nuclear efectiva puede ser calculada usando la ley de Coulomb.
Sin embargo, en un átomo con muchos electrones, los electrones externos son,
simultáneamente, atraídos al núcleo debido a su carga positiva, y repelidos por los
electrones cargados negativamente. La carga nuclear efectiva en un electrón de este tipo
de átomo está dada por la siguiente ecuación:
donde
Z es el número atómico, y define tanto el número de protones en el núcleo como
el total de electrones de un átomo.
S es la constante de pantalla, depende del número de electrones entre el núcleo y
el electrón considerado, y también en qué tipo de orbital se encuentran los
electrones que restan carga nuclear.No contribuyen los electrones exteriores al
nivel energético considerado, pero sí el resto de los vecinos del mismo nivel.
S puede determinarse mediante la aplicación sistemática de varios conjuntos de reglas,
el método más simple es conocido como las reglas de Slater (en honor a John C. Slater).
Nota: Zeff también suele ser representado como "Z* ". La idea de la carga nuclear
efectiva es muy útil para entender cómo se modifican a lo largo de la T.P. los alcances
de los orbitales atómicos, las variaciones de las energías de ionización , afinidades
electrónicas y la electronegatividad, en general, para entender las propiedades
periódicas.
"Una forma de mostrar el apantallamiento de los electrones es analizar el valor de la
energía requerida para quitar un electrón de un átomo polielectrónico. Las mediciones
muestran que se requiere 2373 KJ de energía para remover el primer electrón de 1 mol
de átomo de He y 5248 KJ de energía para remover el electrón restante de un mol de
iones de He+. La razón por la cual se requiere menos energía en el primer paso es que la
repulsión electrón-electrón, o el apantallamiento, provoca una reducción en la atracción
del núcleo sobre cada electrón. En el He+ hay presente un solo electrón así que no hay
apantallamiento y el electrón siente el efecto total de la carga nuclear +2. Por
consiguiente se requiere de mucho más energía para quitar el segundo electrón."
Reglas de Slater
En química cuántica, las Reglas de Slater proporcionan valores numéricos para el
concepto de carga nuclear efectiva. En cualquier átomo, cada electrón experimenta una
carga nuclear menor, debido al efecto pantalla de los otros electrones. Y para cada
electrón, las reglas de Slater proporcionan un valor para la constante de apantallamiento,
conocida como s, S, o σ, que relaciona las cargas nucleares efectiva y real, según
Estas reglas semiempíricas fueron inventadas por John C. Slater y publicadas en 19301
Reglas
Primero,1 2 los electrones son ordenados en una secuencia de grupos que mantiene
juntos los orbitales s- y p- con el mismo número cuántico principal, y sigue con el orden
orbital de la tabla periódica (ignorando las irregularidades):
[1s] [2s,2p] [3s,3p] [3d] [4s,4p] [4d] [4f] [5s, 5p] [5d] etc.
Cada grupo tiene una constante de apantallamiento diferente, que depende del número y
del tipo de electrones de los grupos que le preceden.
La constante de apantallamiento para cada grupo es la suma de las siguientes
contribuciones:
1. Una cantidad de 0.35 por cada otro electrón del mismo grupo, excepto para el
grupo [1s], donde el otro electrón contribuye sólo con 0.30.
2. Si el grupo es del tipo [s p], una cantidad de 0.85 por cada electrón con número
cuántico principal una unidad menor, y una cantidad 1.00 por cada electrón con
un número cuántico principal aún menor.
3. Si el grupo es del tipo [d] o [f], suma una cantidad 1.00 por cada electrón con un
número cuántico principal igual o menor.
En forma de tabla, las reglas se resumen en:
Otros electrones del mismo
grupo
[1s]
0.30
[ns,np]
0.35
[nd] or [nf] 0.35
Grupo
Electrones del nivel
n-1
N/A
0.85
1.00
Electrones de niveles
< n-1
N/A
1.00
1.00
Ejemplo
Un ejemplo, proporcionado por el artículo original de Slater, es para el átomo de hierro,
que tiene una carga nuclear 26 (Z=26) y una configuración electrónica:
1s22s22p63s23p63d64s2
La constante de apantallamiento, y en consecuencia la carga nuclear efectiva, para cada
electrón se deduce de:1