En física atómica , la carga nuclear efectiva es la cantidad real de carga positiva (nuclear) que experimenta un electrón en un átomo de varios electrones. El término "efectiva" se utiliza porque el efecto de protección de los electrones cargados negativamente evita que los electrones de mayor energía experimenten la carga nuclear completa del núcleo debido al efecto repelente de la capa interna. La carga nuclear efectiva que experimenta un electrón también se denomina carga del núcleo. Es posible determinar la fuerza de la carga nuclear por el número de oxidación del átomo. La mayoría de las propiedades físicas y químicas de los elementos se pueden explicar sobre la base de la configuración electrónica. Considere el comportamiento de las energías de ionización en la tabla periódica. Se sabe que la magnitud del potencial de ionización depende de los siguientes factores:
En la tabla periódica, la carga nuclear efectiva disminuye a lo largo de un grupo y aumenta de izquierda a derecha a lo largo de un período.
El número atómico efectivo Z eff (a veces denominado carga nuclear efectiva) de un átomo es la cantidad de protones que un electrón del elemento "ve" efectivamente debido al apantallamiento de los electrones de la capa interna . Es una medida de la interacción electrostática entre los electrones cargados negativamente y los protones cargados positivamente en el átomo. Se puede considerar que los electrones de un átomo están "apilados" por energía fuera del núcleo; los electrones de menor energía (como los electrones 1s y 2s) ocupan el espacio más cercano al núcleo, y los electrones de mayor energía se ubican más lejos del núcleo.
La energía de enlace de un electrón, o la energía necesaria para sacar el electrón del átomo, es una función de la interacción electrostática entre los electrones cargados negativamente y el núcleo cargado positivamente. Por ejemplo, en el hierro (número atómico 26), el núcleo contiene 26 protones. Los electrones que están más cerca del núcleo los "verán" casi todos. Sin embargo, los electrones más alejados son protegidos del núcleo por otros electrones que se encuentran en el medio y, como resultado, sienten menos interacción electrostática. El electrón 1s del hierro (el más cercano al núcleo) ve un número atómico efectivo (número de protones) de 25. La razón por la que no es 26 es que algunos de los electrones del átomo terminan repeliendo a los demás, lo que da como resultado una interacción electrostática neta menor con el núcleo. Una forma de visualizar este efecto es imaginar al electrón 1s ubicado en un lado de los 26 protones del núcleo, con otro electrón ubicado en el otro lado; Cada electrón sentirá una fuerza de atracción menor que la de 26 protones, porque el otro electrón aporta una fuerza de repulsión. Los electrones 4s del hierro, que están más alejados del núcleo, sienten un número atómico efectivo de solo 5,43 debido a que los 25 electrones que se encuentran entre él y el núcleo protegen la carga.
Los números atómicos efectivos son útiles no solo para entender por qué los electrones más alejados del núcleo están mucho más débilmente ligados que los más cercanos al núcleo, sino también porque pueden indicarnos cuándo utilizar métodos simplificados para calcular otras propiedades e interacciones. Por ejemplo, el litio , número atómico 3, tiene dos electrones en la capa 1s y uno en la capa 2s. Debido a que los dos electrones 1s filtran a los protones para dar un número atómico efectivo para el electrón 2s cercano a 1, podemos tratar este electrón de valencia 2s con un modelo hidrogénico.
Matemáticamente, el número atómico efectivo Z eff se puede calcular utilizando métodos conocidos como cálculos de " campo autoconsistente ", pero en situaciones simplificadas se toma simplemente como el número atómico menos el número de electrones entre el núcleo y el electrón en consideración.
En un átomo con un electrón, éste experimenta la carga completa del núcleo positivo . En este caso, la carga nuclear efectiva se puede calcular mediante la ley de Coulomb . [1]
Sin embargo, en un átomo con muchos electrones, los electrones externos son atraídos simultáneamente por el núcleo positivo y repelidos por los electrones cargados negativamente. La carga nuclear efectiva de un electrón de este tipo viene dada por la siguiente ecuación: donde
S se puede encontrar mediante la aplicación sistemática de varios conjuntos de reglas.
El método más simple para determinar la constante de protección para un electrón dado es el uso de las " reglas de Slater ", ideadas por John C. Slater y publicadas en 1930. [2] Estas reglas algebraicas son significativamente más simples que encontrar constantes de protección mediante el cálculo ab initio .
Un método más justificado teóricamente es calcular la constante de apantallamiento utilizando el método Hartree-Fock . Douglas Hartree definió la Z efectiva de un orbital Hartree-Fock como: donde
Clementi et al. proporcionaron valores actualizados de carga nuclear efectiva en 1963 y 1967. [3] [4] En su trabajo, se optimizaron las constantes de cribado para producir valores de carga nuclear efectiva que coincidieran con los cálculos de SCF. Aunque son útiles como modelo predictivo, las constantes de cribado resultantes contienen poca información química como modelo cualitativo de la estructura atómica.
La carga nuclear es la carga eléctrica del núcleo de un átomo, igual al número de protones en el núcleo multiplicado por la carga elemental . Por el contrario, la carga nuclear efectiva es la carga positiva atractiva de los protones nucleares que actúan sobre los electrones de valencia, que siempre es menor que el número total de protones presentes en un núcleo debido al efecto de apantallamiento . [5]
5.Para más información→
https://chem.libretexts.org/Courses/Mount_Royal_University/Chem_1201/Unit_2._Periodic_Properties_of_the_Elements/2.05%3A_Effective_Nuclear_Charge
