CHARGE NUCLÉAIRE EFFECTIVE: CONCEPT, COMMENT LA CALCULER ET EXEMPLES - CHIMIE - 2025

La charge nucléaire effective (Zef) est la force d'attraction que le noyau exerce sur l'un des électrons après avoir été réduite par les effets de blindage et de pénétration. S'il n'y avait pas de tels effets, les électrons ressentiraient la force d'attraction de la charge nucléaire réelle Z.

Dans l'image inférieure, nous avons le modèle atomique de Bohr pour un atome fictif. Son noyau a une charge nucléaire Z = + n, qui attire les électrons qui gravitent autour de lui (les cercles bleus). On peut voir que deux électrons sont sur une orbite plus proche du noyau, tandis que le troisième électron se trouve plus loin de celui-ci.

Le troisième électron orbite ressentant les répulsions électrostatiques des deux autres électrons, de sorte que le noyau l'attire avec moins de force; c'est-à-dire que l'interaction noyau-électron diminue en raison du blindage des deux premiers électrons.

Ainsi, les deux premiers électrons ressentent la force d'attraction d'une charge + n, mais le troisième subit une charge nucléaire effective de + (n-2) à la place.

Cependant, ce Zef ne serait valable que si les distances (le rayon) au noyau de tous les électrons étaient toujours constantes et définies, localisant leurs charges négatives (-1).

Concept

Les protons définissent les noyaux des éléments chimiques et les électrons définissent leur identité au sein d'un ensemble de caractéristiques (les groupes du tableau périodique).

Les protons augmentent la charge nucléaire Z au taux de n + 1, ce qui est compensé par l'ajout d'un nouvel électron pour stabiliser l'atome.

Au fur et à mesure que le nombre de protons augmente, le noyau est «couvert» par un nuage dynamique d'électrons, dans lequel les régions à travers lesquelles ils circulent sont définies par les distributions de probabilité des parties radiale et angulaire des fonctions d'onde (orbitales).

À partir de cette approche, les électrons ne tournent pas dans une région définie de l'espace autour du noyau, mais plutôt, comme les pales d'un ventilateur à rotation rapide, ils se brouillent dans les formes des orbitales s, p, d et f connues.

Pour cette raison, la charge négative -1 d'un électron est distribuée par les régions que les orbitales pénètrent; plus l'effet de pénétration est important, plus la charge nucléaire effective que cet électron subira dans l'orbitale sera importante.

Effets de pénétration et de protection

Selon l'explication ci-dessus, les électrons dans les coques internes ne contribuent pas pour une charge de -1 à la répulsion stabilisatrice des électrons dans les coques externes.

Cependant, ce noyau (les coquilles précédemment remplies d'électrons) sert de «paroi» qui empêche la force d'attraction du noyau d'atteindre les électrons extérieurs.

Ceci est connu sous le nom d'effet d'écran ou d'effet de blindage. De plus, tous les électrons des couches externes ne subissent pas la même ampleur de cet effet; par exemple, si vous occupez une orbitale qui a un caractère hautement pénétrant (c'est-à-dire qui transite très près du noyau et d'autres orbitales), alors vous ressentirez un Zef supérieur.

En conséquence, un ordre de stabilité énergétique se pose en fonction de ces Zef pour les orbitales: s

Cela signifie que l'orbitale 2p a une énergie plus élevée (moins stabilisée par la charge du noyau) que l'orbitale 2s.

Plus l'effet de pénétration exercé par l'orbitale est faible, moins son effet d'écran sur le reste des électrons externes. Les orbitales d et f montrent de nombreux trous (nœuds) où le noyau attire d'autres électrons.

Comment le calculer?

En supposant que les charges négatives sont localisées, la formule de calcul de Zef pour tout électron est:

Zef = Z - σ

Dans cette formule, σ est la constante de blindage déterminée par les électrons du noyau. En effet, théoriquement, les électrons les plus externes ne contribuent pas au blindage des électrons internes. En d'autres termes, 1s ² protège l'électron 2s ¹, mais 2s ¹ ne protège pas les électrons 1s ².

Si Z = 40, en négligeant les effets mentionnés, alors le dernier électron subira un Zef égal à 1 (40-39).

Règle de Slater

La règle de Slater est une bonne approximation des valeurs Zef pour les électrons de l'atome. Pour l'appliquer, suivez les étapes ci-dessous:

1- La configuration électronique de l'atome (ou de l'ion) doit s'écrire comme suit:

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

2- Les électrons situés à droite de celui considéré ne contribuent pas à l'effet de blindage.

3- Les électrons qui sont dans le même groupe (marqués par les parenthèses) contribuent à 0,35 la charge de l'électron sauf s'il s'agit du groupe 1s, soit 0,30 à la place.

4- Si l'électron occupe une orbitale sop, alors toutes les orbitales n-1 contribuent à 0,85 et toutes les orbitales n-2 une unité.

5- Dans le cas où l'électron occupe une orbitale DOF, tous ceux à sa gauche contribuent une unité.

Exemples

Déterminer Zef pour les électrons dans l'orbitale 2s

Suivant le mode de représentation de Slater, la configuration électronique de Be (Z = 4) est:

(1s ²) (2s ² 2p ⁰)

Puisqu'il y a deux électrons dans l'orbitale, l'un d'eux contribue au blindage de l'autre, et l'orbitale 1s est le n-1 de l'orbitale 2s. Ensuite, en développant la somme algébrique, nous avons ce qui suit:

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

Le 0,35 provenait de l'électron 2s et le 0,85 des deux électrons 1s. Maintenant, appliquant la formule de Zef:

Zef = 4 - 2,05 = 1,95

Qu'est ce que ça signifie? Cela signifie que les électrons de l'orbitale 2s ² subissent une charge de +1,95 qui les attire vers le noyau, au lieu de la charge réelle de +4.

Déterminer Zef pour les électrons dans l'orbitale 3p

Encore une fois, cela continue comme dans l'exemple précédent:

(1s ²) (2s ² 2p ⁶) (3s ² 3p ³)

Maintenant, la somme algébrique est développée pour déterminer σ:

(, 35) (4) + (0,85) (8) + (1) (2) = 10,2

Donc, Zef est la différence entre σ et Z:

Zef = 15-10,2 = 4,8

En conclusion, les 3p ³ derniers électrons subissent une charge trois fois moins forte que la vraie. Il faut également noter que, selon cette règle, les électrons 3s ² éprouvent le même Zef, un résultat qui pourrait soulever des doutes à cet égard.

Cependant, il y a des modifications à la règle de Slater qui aident à rapprocher les valeurs calculées des valeurs réelles.

Références

1. Libretexts de chimie. (2016, 22 octobre). Charge nucléaire efficace. Tiré de: chem.libretexts.org
2. Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. Dans Les éléments du groupe 1. (Quatrième édition., Pages 19, 25, 26 et 30). Mc Graw Hill.
3. La règle de Slater. Extrait de: intro.chem.okstate.edu
4. Lumen. L'effet de blindage et la charge nucléaire efficace. Tiré de: courses.lumenlearning.com
5. Hoke, Chris. (23 avril 2018). Comment calculer la charge nucléaire effective. Découvrir. Tiré de: scaimer.com
6. Dr Arlene Courtney. (2008). Tendances périodiques. Université Western Oregon. Tiré de: wou.edu