¿Por qué exactamente el radio atómico aumenta en un grupo?

Question

Me doy cuenta de que esto debería ser bastante simple pregunta, pero yo todavía no estoy muy satisfecho con lo que me han dicho que a partir de numerosas fuentes. La explicación general parece indicar que en vamos por un grupo, hay más capas de electrones presentes para contribuir a un "blindaje" fenómeno, donde el interior de electrones cancelar parte de la fuerza interna del núcleo con una fuerza de repulsión. Por lo tanto, con más niveles de energía y más blindaje, los electrones de valencia de comenzar a residir más y más lejos del núcleo.

Pero, al mismo tiempo, los libros de texto hacer una gran cosa sobre el concepto de carga nuclear efectiva, la cual establece que la "eficacia" de la fuerza de un determinado electrón de valencia se siente es una función de la carga neta del núcleo y no los electrones de valencia combinado de la carga nuclear efectiva. Esto me parece contradictorio, ya que a medida que descienden de un grupo, la carga nuclear efectiva permanece constante (igual número de protones y no de electrones de valencia). Así que lo que me estoy perdiendo aquí? ¿Por qué el blindaje de la materia? Es la fuerza sobre un solo electrón de valencia una función de la red carga nuclear, o tenemos que mirarlo desde más por tramos de nivel, teniendo en cuenta cómo los otros electrones están en entre éste y el núcleo y cómo interactúa con los electrones individuales?

Answer 1

La descripción de $Z_\mathrm{eff}$ usted le dio es un poco demasiado simplista. Como usted bien dijo, que permitan pronosticar el mismo valor de $Z_\mathrm{eff}$ para todos los elementos en un grupo, lo cual no es cierto.

En general, tenemos $Z_\mathrm{eff} = Z - \sigma$ donde $Z$ es la carga nuclear (que depende exclusivamente de la cantidad de protones) y $\sigma$ es el blindaje constante, lo que refleja el electrón-electrón la repulsión pero no una simple función del número de núcleos de electrones.

Uno de los primeros modelos para determinar el $\sigma$ fue descrito por Slater en 1930.¹ Estos son fáciles de encontrar en línea como "Slater reglas". Estos son muy simples, y para que la gente trató de encontrar las mejores formas para calcular el $\sigma$. Hoy en día, uno muy popular fuente de los valores de $Z_\mathrm{eff}$ son los Clementi valores.² Que todavía es bastante hace mucho tiempo, así que usted puede imaginar que, desde entonces, nos han llegado incluso más complicadas formas de calcular.

Una peculiaridad es que los valores de $Z_\mathrm{eff}$ aumento del grupo. Al menos, que debe disipar el mito de que $Z_\mathrm{eff}$ sólo depende del número de núcleos de electrones.

(Fuente: Keeler Y Wothers, Estructura Química Y Reactividad: Un Enfoque Integrado, p 264)

---

"Sin duda, esto debe significar que los radios atómicos disminución del grupo!", te dices.

No me culpa por pensar que en todos los. Sin embargo, eso no es lo que vemos: el radio atómico claramente incremento de ir abajo en el grupo. El segundo factor es el número cuántico principal, $n$.

En el átomo de hidrógeno, un electrón en el orbital 1s tiene una mucho menor radio³ de un electrón en el orbital 2s. Eso es algo que sale a la derecha de la descripción cuántica del átomo de hidrógeno.⁴ El mismo puede decirse de otros átomos: un orbital 2s en la batería de litio es más pequeño que un orbital 3s en la batería de litio.

Tenga en cuenta que yo no comparar un orbital 2s en la batería de litio con un orbital 3s en sodio. Por qué? Eso es debido a que el sodio tiene una mayor carga nuclear efectiva, y esto sirve para el contrato de todos los orbitales de sodio en relación a aquellos en la batería de litio. Esencialmente, los orbitales que se tiró hacia el interior por el mayor $Z_\mathrm{eff}$.

---

Así, como se puede ver, a partir de litio sodio, hay dos factores concurrentes:

• Mayor $n$ sugiere que la capa más externa de electrones debe estar más lejos del núcleo.
• Mayor $Z_\mathrm{eff}$ sugiere que la capa más externa de electrones debe estar más cercana al núcleo.

Como era de esperar, resulta que la variación del radio atómico depende de una combinación de los dos. Sabemos que el radio atómico aumenta el grupo, por lo que debe significar que el incremento en el $n$ (pasando de 2 a 3) mayor que el aumento en el $Z_\mathrm{eff}$ (pasando de 1.28 a 2.51), aunque tristemente difícil encontrar una matemática exacta formulación en cualquier libro de texto. Es probable que la exacta dependencia es muy complicado y hoy en día, tales atómica propiedades son en su mayoría calculado de cómputo de todos modos, lo que elimina la necesidad de contar con una fórmula matemática.

Notas y referencias

¹Phys. Modif. de 1930, 36 (1), 57

²J. Chem. Phys. 1963, 38, 2686

³ estoy hablando de $\langle r \rangle$, no el radio de una órbita de Bohr, a pesar de que hace aumentar también la que va desde 1s a 2s.

⁴ estoy evitando la lógica circular que "la energía de mayor significa más lejos". Está mucho más lejos, porque eso es sólo la forma de la función de onda radial obtenida al resolver la ecuación de Schrödinger - período.

Answer 2

Voy a tratar de ser simple. Hay 3 cosas que afectan el radio atómico de un átomo.

1. Carga Nuclear: carga nuclear tiende a disminuir el radio atómico del átomo. A mayor carga nuclear, menor será el radio atómico.

2. Efecto de blindaje interior de la cáscara de electrones: el efecto de blindaje interior de la cáscara de electrones disminuye el efecto de la carga nuclear en la cáscara externa de electrones y por lo tanto un aumento en el efecto de blindaje se asocia con un aumento en el radio atómico.

3. El número de conchas: es común que a mayor número de conchas en un átomo, lejos el exterior de electrones será desde el núcleo y la mayor es el radio atómico será.

Ahora bien, si combinamos todos estos tres efectos, llegaremos a la siguiente conclusión:

En venir por el grupo,

• El número de protones aumenta → carga nuclear aumenta → tamaño atómico disminuye.

• El número de conchas aumenta → radio atómico aumenta.

• El efecto de blindaje aumenta (ya que ahora los electrones de los anteriores conchas también contribuyen al efecto de blindaje) → el radio atómico aumenta.

Como usted puede ver que hay dos efectos que favorecen el incremento en el radio atómico y uno que favorecen en su disminución. Muchas veces (en otras palabras) decimos que el efecto combinado de un efecto de blindaje y el aumento en el número de conchas con creces el efecto del aumento de la carga nuclear y, por tanto, el radio atómico aumenta.

Answer 3

El radio atómico aumenta el grupo y disminuye de izquierda a derecha en un periodo.

Debemos tener en cuenta 3 puntos principales, mientras que teniendo en cuenta esta tendencia:

1. Elementos de un mismo periodo tienen la misma cantidad de conchas y sólo se diferencian en el número de electrones en la capa exterior.
2. El efecto de blindaje de los electrones más externos de los electrones en la misma cáscara es casi insignificante.
3. La carga nuclear aumenta de izquierda a derecha en un periodo y, por tanto, la carga nuclear efectiva aumenta en ir a la izquierda en un período.

Por lo tanto, los electrones son atraídos por el núcleo, por lo tanto el radio atómico de los contratos cuando vamos de izquierda a derecha en un periodo.

Answer 4

Abajo, un grupo significa que los electrones de valencia se encuentran en un nivel de energía superior (que están más lejos del núcleo). También se esperaría que va por un grupo, la carga nuclear aumenta (más de protones), sin embargo, la fuerza del campo electrostático abajo de un grupo es relativamente la misma. Por qué? porque hay más de blindaje debido al mayor número de niveles de energía de manera general nucleares atracción es similar.

Z eff = Z(no. de p) - S(blindaje e) <-- encuentra eficaz/total carga nuclear. Vamos a tomar el oxígeno y el azufre, por ejemplo. Z fep para el oxígeno = 8-2=6 y Z fep para el azufre = 16 - 10 =6. Esto significa que el conjunto de la atracción electrostática entre el núcleo y los electrones de valencia son similares, por lo que el principal factor que debe ser que los electrones están en un nivel de energía más alto, por lo que están más lejos del núcleo, que se traduce en un amplio radio. Así que va por un grupo de siempre significa mayor radio.