6.18: Екранування електронів

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Яка мета гри в дербі на роликах?

Роликові дербі - популярний вид спорту, хоча він незнайомий багатьом людям. Основна мета полягає в тому, щоб встановити одного члена команди («перешкод») повз команди суперника, щоб набрати очки. Інші члени команди служать блокаторами, щоб запобігти протиборчій команді від зупинки перешкод. Блокатори перешкоджають взаємодії між перешкодою і противниками, потрапляючи між перешкодою і фігуристів, намагаючись їх зупинити.

Притягання між електроном і ядром атома - питання не з простих. Тільки з воднем існує взаємозв'язок один до одного, про яку можна говорити з точки зору прямого залучення заряду. Зі збільшенням розмірів атома збільшується і кількість протонів і електронів. Ці зміни впливають на те, як ядро притягує електрони.

Екранування електронів

Загалом, енергія іонізації атома буде збільшуватися, коли ми рухаємося зліва направо по таблиці Менделєєва. Є кілька винятків із загального збільшення енергії іонізації протягом певного періоду. Елементи групи 13 ( $\ce{B}$ $\ce{Al}$ , і ін.) мають більш низькими енергіями іонізації $\ce{Be}$ $\ce{Mg}$ , ніж елементи групи 2 (і ін.). Це ілюстрація концепції під назвою «екранування електронів». Зовнішні електрони частково екрановані від сили притягання протонів в ядрі внутрішніми електронами.

Малюнок $\PageIndex{2}$ : Ефект екранування проявляється внутрішнім електронним хмарою (світло-блакитним), що екранує зовнішній електрон, що цікавить від повної сили привабливості ядра. Більший екрануючий ефект призводить до зниження енергії іонізації. (Кредит: Крістофер Auyeung; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Щоб пояснити, як працює екранування, розглянемо атом літію. Він має три протони та три електрони - два на першому рівні основної енергії та валентний електрон у другому. Валентний електрон частково екранований від сили притягання ядра двома внутрішніми електронами. Видалення цього валентного електрона стає легше через ефект екранування.

Існує також екрануючий ефект, який виникає між підрівнями в межах одного і того ж основного енергетичного рівня. Зокрема, електрон на $s$ підрівні здатний екранувати електрони на $p$ підрівні того ж основного енергетичного рівня. Це відбувається через сферичної форми $s$ орбіти. Зворотне не вірно - електрони на $p$ орбіталі не захищають електрони на $s$ орбіталах.

Малюнок $\PageIndex{3}$ : Сферична $3s$ орбіта проявляє екрануючу дію на $3p$ орбітальну форму гантелі, яка має трохи вищу енергію. Це зменшує енергію іонізації $3p$ електрона в порівнянні з $3s$ електроном. (Кредит: Крістофер Auyeung; Джерело: CK-12 Foundation; Ліцензія: CC BY-NC 3.0 (відкривається в новому вікні))

Електрон, що видаляється з $\ce{Al}$ атома, являє собою $3p$ електрон, який екранований двома $3s$ електронами, а також усіма електронами внутрішнього ядра. Електрон, що видаляється з $\ce{Mg}$ атома, - це $3s$ електрон, який екранований лише внутрішніми ядрами електронів. Оскільки в $\ce{Al}$ атомі спостерігається більший ступінь екранування електронів, видалити валентний електрон трохи легше; його енергія іонізації менше, ніж у $\ce{Mg}$ . Це при тому, що ядро $\ce{Al}$ атома містить на один протон більше, ніж ядро $\ce{Mg}$ атома.

Існує ще одна аномалія між групами 15 і 16. Атоми групи 16 (і $\ce{O}$ $\ce{S}$ ін.) мають менші енергії іонізації $\ce{N}$ , ніж атоми групи 15 (і $\ce{P}$ ін.). Правило Гунда стоїть за поясненням. В атомі азоту є три електрони на $2p$ підрівні, і кожен непарний. В атомі кисню на $2p$ підрівні є чотири електрони, тому одна орбіталь містить пару електронів. Це той другий електрон на орбіті, який видаляється при іонізації атома кисню. Так як електрони відштовхують один одного, видалити електрон з парного набору в атомі кисню трохи легше, ніж видалити непарний електрон з атома азоту.

Резюме

Електронним екрануванням називають блокування притягання електронів валентної оболонки ядром, обумовлене наявністю електронів у внутрішній оболонці.
Електрони в $s$ орбіталі можуть $p$ захищати електрони на одному енергетичному рівні через сферичну форму $s$ орбіти.
Електрони в парних спінових конфігураціях трохи легше видалити, ніж непарні електрони.

Рецензія

Визначте «екранування електронів».
Чому елементи групи 13 мають меншу енергію іонізації, ніж елементи групи 2?
Який вплив має більший екрануючий ефект на енергію іонізації?
Як електрони s орбіти впливають на енергію іонізації p електрона в одній оболонці?
Чому атоми групи 16 мають меншу енергію іонізації, ніж відповідна група 15 атомів?