Tóm tắt nhanh về cấu trúc hạt nhân
Chúng ta cần xét nhanh cấu trúc hạt nhân để hiểu che chắn electron là gì và cách tính điện tích hạt nhân hiệu dụng. Đầu tiên là những điều cơ bản về mô hình orbital nguyên tử! Một nguyên tử bao gồm:
- Hạt nhân mang điện tích dương gồm proton và neutron. Số proton định nghĩa số hiệu nguyên tử, đặc trưng cho một nguyên tố hóa học.
- Đám mây electron mang điện tích âm. Mỗi electron có thể tìm thấy trong một tập hợp các vùng xác định xung quanh hạt nhân gọi là các orbital.
Nhà vật lý lượng tử đây: Orbital là nghiệm của phương trình Schrodinger, mô tả vị trí của electron trong không gian và thời gian. Nhưng hãy nhớ, electron không phải hạt cũng không phải sóng! Hàm sóng là đại lượng phức (theo ngôn ngữ toán học) và không mang ý nghĩa vật lý: chúng ta cần lấy bình phương mô-đun của nó mà theo các quy tắc của cơ học lượng tử, tỷ lệ với xác suất tìm thấy một electron tại một tập hợp tọa độ nhất định.
Một orbital được mô tả bởi một bộ các số nguyên rời rạc gọi là các số lượng tử. Đó là lý do chúng ta nói về tính lượng tử hóa – “quanta” là từ tiếng Latin có nghĩa là “số lượng rời rạc”. Hãy khám phá chúng:
- Số lượng tử chính, n, cho biết khoảng cách của electron tới hạt nhân. Số càng nhỏ, electron càng gần. Giá trị n có thể là bất kỳ số nguyên dương nào: n = 0, 1, 2, 3,…
- Số lượng tử phụ l mô tả hình dạng của vùng có thể tìm thấy electron. Giá trị của l liên quan tới giá trị của n, là các số nguyên từ 0 tới n-1: l = 0, 1, …, n-1
- Số lượng tử từ m, liên quan đến định hướng các orbital trong không gian. Nó thay đổi theo giá trị của l: m = -l, -l+1, …, l-1, l
Electron có n và l bằng nhau nhưng khác m có cùng mức năng lượng: chúng ta gọi các orbital tương ứng là suy biến.
Mỗi orbital được xác định bởi một tập duy nhất các số lượng tử và có thể chứa tối đa 2 electron, một cho mỗi giá trị spin. Spin là một tính chất lượng tử khác có thể nhận một trong hai giá trị, spin lên hoặc spin xuống.
Hình dạng của một số orbital nguyên tử:
| Orbital | Hình dạng |
|---|---|
| 1s | Hình cầu |
| 2p | Hình quả lê kép, có 3 hướng x, y, z |
| 3d | Nhiều hình dạng khác nhau, ví dụ hình bánh rán hai đầu |
Cấu hình electron
Có thể xác định mỗi nguyên tố bằng cấu hình electron của nó. Đây là cách chỉ rõ sự chiếm ngụ của các orbital, lấp đầy tuần tự bảng tuần hoàn.
Viết cấu hình electron cho một nguyên tố tương đối đơn giản, chỉ phức tạp với các nguyên tố nặng hơn.
- Hydrogen có một electron ở lớp vỏ đầu tiên: H = 1s1
- Helium có lớp vỏ đầu tiên đầy với hai electron: He = 1s2
Các orbital được lấp đầy theo thứ tự:
- s → 2 electron
- p → 6 electron
- d → 10 electron
- f → 14 electron
Bạn có thể thấy cấu hình electron của các nguyên tố nặng hơi rườm rà. Các nhà hóa học đã tìm ra cách để làm cho nó dễ viết và ghi nhớ hơn! Bạn có thể sử dụng làm tham chiếu cấu hình electron của khí hiếm và bắt đầu viết cấu hình từ khí hiếm cuối cùng trong bảng tuần hoàn, biểu thị nó bằng ký hiệu của nguyên tố trong dấu ngoặc vuông. Ví dụ, cấu hình electron của Tellurium sẽ là Te = [Kr], 4d10, 5s2, 5p4. Dễ hơn phải không?
Che chắn electron là gì?
Các electron cảm nhận lực hấp dẫn của hạt nhân do chúng mang điện tích trái dấu. Tuy nhiên, chỉ một electron duy nhất mới trải nghiệm toàn bộ lực hút. Với mỗi electron được thêm vào cùng orbital hoặc chiếm các orbital năng lượng thấp hơn, điện tích âm của các hạt đó tạo thêm thành phần đẩy, góp phần che chắn tương tác tĩnh điện của hạt nhân.
Các phương pháp được giải thích ở đây là các phép gần đúng không xét đến vị trí của các electron và các yếu tố khác. Tuy nhiên, chúng phù hợp với dữ liệu quan sát được.
Điện tích hạt nhân hiệu dụng là gì?
Điện tích hạt nhân là điện tích của hạt nhân được đo bằng đơn vị điện tích cơ bản, tức điện tích của electron và proton (với dấu ngược nhau). Điện tích hạt nhân do đó trùng với số hiệu nguyên tử. Nếu không có electron, đó sẽ là năng lượng thế tập trung tại hạt nhân.
Tuy nhiên, khi xét tương tác đẩy của các electron khác, ta thấy càng xa hạt nhân thì điện tích tác dụng lên một electron càng thấp. Do đó cần nói về điện tích hạt nhân hiệu dụng, ký hiệu là Zeff.
Với electron đầu tiên xung quanh hạt nhân, điện tích hạt nhân hiệu dụng bằng điện tích hạt nhân: Zeff = Z
Giá trị Zeff sau đó giảm dần tiệm cận 1 khi khoảng cách tới hạt nhân tiến tới vô cùng. Đó là giá trị năng lượng thế mà electron cuối cùng thêm vào lớp vỏ cảm nhận được.
Điện tích hạt nhân hiệu dụng có một số xu hướng đặc trưng trong bảng tuần hoàn:
- Tăng theo các nhóm từ trái sang phải
- Giảm dần xuống các chu kỳ
- Tỷ số Zeff/Z nhỏ hơn cho các nguyên tố nhóm đầu, giảm với nguyên tố nặng hơn (nơi số lượng electron lớn hơn có tác dụng che chắn đáng kể hơn).
Làm thế nào để tính điện tích hạt nhân hiệu dụng: Các quy tắc của Slater
Để tính điện tích hạt nhân hiệu dụng, chúng ta tính toán đóng góp tổng thể của các electron che chắn dựa trên các quy tắc của Slater.
Các quy tắc của Slater yêu cầu cấu hình electron đầy đủ của một nguyên tố. Chúng ta chọn một electron thuộc một orbital cụ thể. Sau đó có một số con đường cho biết đóng góp che chắn của mỗi electron trong cấu hình:
- Electron ở orbital bên phải orbital đã chọn không đóng góp vào che chắn.
- Nếu chọn electron từ orbital p hoặc s với số lượng tử chính n=N:
- Electron từ orbital cùng n có hệ số che chắn 0.35 trừ electron 1s che chắn 0.30.
- Electron từ orbital với n=N-1 che chắn 0.85.
- Electron từ orbital với n ≤ N-2 che chắn 1.00 do gần hạt nhân.
- Nếu chọn electron từ orbital d hoặc f với n=N:
- Electron từ orbital với n=N và l bằng hoặc lớn hơn theo thứ tự s<p<d<f che chắn 0.35.
- Electron từ orbital với n=N nhưng l nhỏ hơn orbital đã chọn che chắn 1.00.
- Các electron khác từ orbital với n<N che chắn 1.00.
Khi chọn electron, không cần thiết phải chỉ rõ vị trí nào trong orbital chúng ta đang xét: hiệu ứng che chắn không bị ảnh hưởng bởi sự suy biến.
Để tính điện tích hạt nhân hiệu dụng, mỗi hệ số che chắn được nhân với số electron trong orbital tương ứng, nhớ trừ đi 1 khi xét orbital chứa electron đã chọn. Các đóng góp kết quả được tính tổng.
Che chắn tổng cộng được gọi là σ và dùng để tính Zeff qua công thức:
Zeff = Z – σ
Có một ngoại lệ! Hydrogen, chỉ có một electron, có điện tích hạt nhân hiệu dụng bằng điện tích hạt nhân – electron đáng thương đó không thể tự che chắn cho mình!
Ví dụ cách tính điện tích hạt nhân hiệu dụng
Chọn Selenium và orbital 3p. Đây là cấu hình electron của Selenium với orbital được chọn tô sáng:
1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d10, 4s2, 4p4
- Bỏ qua các orbital bên phải 3p.
- Có 7 electron khác trong cùng nhóm 3p, mỗi electron đóng góp 0.35.
- Trong orbital 2s và 2p có 8 electron, mỗi electron đóng góp 0.85.
- Với n=1, có hai electron 1s, mỗi electron đóng góp 1.00.
Tính tổng các đóng góp:
σ = 7×0.35 + 8×0.85 + 2×1.00 = 11.25
Selenium có điện tích hạt nhân Z=34. Điện tích hạt nhân hiệu dụng thu được bằng cách trừ giá trị che chắn σ khỏi Z:
Zeff = 34 – 11.25 = 23.75
Cách sử dụng máy tính điện tích hạt nhân hiệu dụng:
https://www.omnicalculator.com/chemistry/effective-charge
- Chọn một nguyên tố từ danh sách theo thứ tự tăng dần số hiệu nguyên tử. Cấu hình electron sẽ hiển thị bên dưới.
- Chọn electron mong muốn từ cấu hình và nhập các số lượng tử phù hợp. Nếu số lượng tử chính hay phụ không khả dụng trong cấu hình electron, máy tính sẽ yêu cầu nhập lại cho đến khi đúng.
- Cuối trang máy tính, bạn sẽ thấy các giá trị che chắn tổng cộng và điện tích hạt nhân hiệu dụng Zeff.
Bạn không thể nhập sai với máy tính này. Nếu số lượng tử chính hoặc số lượng tử phụ đã chọn không có trong cấu hình electron, chúng tôi sẽ yêu cầu bạn nhập lại cho đến khi bạn nhập một bộ số hợp lệ!
Tóm lại, để tính Zeff:
- Chọn một electron từ cấu hình electron.
- Áp dụng các quy tắc của Slater để tính che chắn tổng. Nhớ bỏ qua các electron từ orbital cao hơn.
- Để tính điện tích hạt nhân hiệu dụng, trừ che chắn khỏi điện tích hạt nhân.
Đó là tất cả những gì chúng tôi cần nói về chủ đề này. Bây giờ bạn đã biết cách tính Zeff mà không gặp khó khăn gì. Nếu muốn tìm hiểu thêm về tính chất nguyên tử, hãy xem máy tính độ âm điện hoặc máy tính phân rã phóng xạ của chúng tôi.
Hỏi đáp
Các quy tắc của Slater là gì?
Các quy tắc của Slater là một tập hợp các quy tắc được sử dụng trong hóa lý để tính điện tích hạt nhân hiệu dụng mà một electron cảm nhận xung quanh hạt nhân. Các quy tắc gán một giá trị che chắn cụ thể cho mỗi electron theo orbital của nó. Hãy xem máy tính các quy tắc của Slater trên omnicalculator.com để khám phá thêm!
Làm thế nào để tính điện tích hạt nhân hiệu dụng?
Để tính điện tích hạt nhân hiệu dụng:
- Đầu tiên, tính hiệu ứng che chắn tổng thể của các electron quay quanh hạt nhân.
- Trừ giá trị này khỏi điện tích hạt nhân (bằng số proton của nguyên tố).
- Nhớ rằng giá trị của điện tích hạt nhân hiệu dụng phụ thuộc vào orbital bạn sử dụng trong tính toán, vì các electron ngoài không đóng góp vào hiệu ứng che chắn!
Xu hướng của điện tích hạt nhân hiệu dụng là gì?
Điện tích hạt nhân hiệu dụng mà electron cuối cùng trong lớp vỏ mang điện tích âm cảm nhận được giảm khi chu kỳ (hàng của bảng tuần hoàn) tăng. Điều này là do một lớp vỏ đầy đủ đã được thêm vào bên dưới nó (và theo các quy tắc của Slater, đóng góp vào hiệu ứng che chắn cao hơn), làm tăng khoảng cách tới hạt nhân. Điện tích hiệu dụng tăng trong cùng một chu kỳ vì đóng góp vào hiệu ứng che chắn cho các orbital với n bằng nhau ít đáng kể hơn.
Điện tích hạt nhân hiệu dụng của Neon là bao nhiêu?
Xét electron cuối cùng trong đám mây electron của Neon, ở orbital 2p, chúng ta có bảy electron đóng góp 0,35 vào hiệu ứng che chắn. Sau đó chúng ta thêm đóng góp của hai electron trong orbital 1s với hệ số 0,85. Che chắn tổng là 7×0,35 + 2×0,85 = 4,15 và điện tích hạt nhân hiệu dụng là 10 – 4,15 = 5,85.
