Carga Nuclear Efectiva

1.3 Carga nuclear efectiva (Zef), constante de acoplamiento(a) y reglas de Slate.

Los electrones que se encuentran más cercanos al núcleo ejercen un efecto de apantallamiento de la carga positiva del núcleo; por esta causa, los electrones más externos son atraídos por el núcleo con una fuerza menor, la carga neta que afecta a un electrón se denomina carga nuclear efectiva o Z ef.

LA PRESENCIA DE ELECTRONES INTERNOS REDUCE LA ATRACCION ELECTROSTATICA ENTRE LOS PROTONES DEL NUCLEO, QUE TIENEN CARGA POSITIVA, Y LOS ELECTRONES EXTERNOS. MAS AUN, LAS FUERZAS DE REPULSION ENTRE LOS ELECTRONES EN UN ATOMO POLIELECTRONICO COMPENSAN LA FUERZA DE ATRACCION QUE EJERCE EL NUCLEO. EL CONCEPTO DE CARGA NUCLEAR EFECTIVA PERMITE ENTENDER LOS EFECTOS DE PANTALLA EN LAS PROPIEDADES PERIODICAS.

CONSIDERESE, POR EJEMPLO, EL ATOMO DEL HELIO CUYA CONFIGURACION ELECTRONICA FUNDAMENTAL ES 1S2. LOS DOS PROTONES DEL HELIO LE CONFIEREN AL NUCLEO UNA CARGA DE +2, PERO LA FUERZA TOTAL DE ATRACCION DE ESTA CARGA SOBRE LOS DOS ELECTRONES 1S ESTA PARCIALMENTE BALANCEADA POR LA REPULSION ENTRE LOS ELECTRONES. COMO CONSECUENCIA, SE DICE QUE CADA ELECTRON 1S ESTA APANTALLADO DEL NUCLEO POR EL OTRO ELECTRON. LA CARGA NUCLEAR EFECTIVA (Zefec), QUE ES LA CARGA QUE SE EJERCE SOBRE UN ELECTRON, ESTA DADA POR:

Zefec = Z -

DONDE Z ES LA CARGA NUCLEAR REAL (ES DECIR, EL NUMERO ATOMICO DEL ELEMENTO) Y (SIGMA) SE CONOCE COMO CONSTANTE DE APANTALLAMIENTO (TAMBIEN DENOMINADA CONSTANTE PANTALLA). LA CONSTANTE PANTALLA ES MAYOR QUE CERO PERO MENOR QUE Z.

UNA FORMA DE MOSTRAR EL APANTALLAMIENTO DE LOS ELECTRONES ES CONSIDERAR LA ENERGIA NECESARIA PARA QUITAR LOS DOS ELECTRONES DEL ATOMO DE HELIO. LAS MEDICIONES MUESTRAN QUE SE REQUIERE UNA ENERGIA DE 2373 KJ PARA QUITAR EL PRIMER ELECTRON DE 1 MOL DE ATOMOS DE He, Y UNA ENERGIA DE 5251 KJ PARA QUITAR EL ELECTRON RESTANTE EN 1 MOL DE IONES DE He+. LA RAZON DE QUE SE NECESITE MUCHA ENERGIA PARA QUITAR EL SEGUNDO ELECTRON ES QUE CUANDO SOLO ESTA PRESENTE UN ELECTRON NO EXISTE EL EFECTO PANTALLA CONTRA LA CARGA NUCLEAR DE +2.

PARA ATOMOS CON TRES O MAS ELECTRONES, LOS ELECTRONES DE UN DETERMINADO NIVEL ESTAN APANTALLADOS POR LOS ELECTRONES DE LOS NIVELES INTERNOS (ES DECIR, LOS MAS CERCANOS AL NUCLEO) PERO NO POR LOS ELECTRONES DE LOS NIVELES EXTERNOS. ASÍ, EN UN ATOMO NEUTRO DE LITIO, CUYA CONFIGURACION ELECTRONICA ES 1S2 2S1, EL ELECTRON 2S ESTA APANTALLADO POR LOS DOS ELECTRONES 1S, PERO EL ELECTRON 2S NO TIENE NINGUN EFECTO PANTALLA SOBRE LOS ELECTRONES 1S. ADEMAS, LOS NIVELES INTERNOS LLENOS APANTALLAN MEJOR A LOS ELECTRONES EXTERNOS QUE LO QUE LOS ELECTRONES DEL MISMO SUBNIVEL SE APANTALLAN ENTRE SI.

EL EFECTO DE PANTALLA EN ATOMOS POLIELECTRONICOS

¿POR QUÉ RAZON EN LOS EXPERIMENTOS SE ENCUENTRA QUE EL ORBITAL 2S SE UBICA UN NIVEL DE ENERGIA MENOR QUE EL DEL ORBITAL 2P EN UN ATOMO POLIELECTRONICO? AL COMPARAR LAS CONFIGURACIONES ELECTRONICAS 1S2 2S1 Y 1S2 2P1, SE OBSERVA QUE EN AMBOS CASOS EL ORBITAL 1S ESTA LLENO CON DOS ELECTRONES. COMO LOS ORBITALES 2S Y 2P SON MAYORES QUE EL ORBITAL 1S, UN ELECTRON EN CUALQUIERA DE ESTOS ORBITALES PASARA (EN PROMEDIO) MAS TIEMPO LEJOS DEL NUCLEO QUE UN ELECTRON EN EL ORBITAL 1S. ENTONCES, SE PUEDE DECIR QUE UN ELECTRON 2S O 2P ESTARA PARCIALMENTE “APANTALLADO” DE LA ATRACCION DEL NUCLEO POR LOS ELECTRONES 1S. LA CONSECUENCIA IMPORTANTE DEL EFECTO DE PANTALLA ES QUE REDUCE LA ATRACCION ELECTROSTATICA ENTRE LOS PROTONES DEL NUCLEO Y ELECTRON DEL ORBITAL 2S O 2P.

LA FORMA EN QUE VARIA LA DENSIDAD ELECTRONICA A MEDIDA QUE SE ALEJA DEL NUCLEO DEPENDE DEL TIPO DE ORBITAL. LA DENSIDAD CERCA DEL NUCLEO DEL ELECTRON 2S ES MAYOR QUE LA DEL 2P. EN OTRAS PALABRAS, UN ELECTRON 2S PASA MAS TIEMPO (EN PROMEDIO) CERCA DEL NUCLEO QUE UN ELECTRON 2P. POR ESTA RAZON, SE DICE QUE EL ORBITAL 2S ES MAS “PENETRANTE” QUE EL 2P Y SUFRE MENOR APANTALLAMIENTO POR LOS ELECTRONES 1S. DE HECHO, PARA EL MISMO NUMERO CUANTICO PRINCIPAL n, EL PODER DE PENETRACION DISMINUYE A MEDIDA QUE AUMENTA EL NUMERO CUANTICO DEL MOMENTO ANGULAR L, O

S > P > D > F > . . .

DADO QUE LA ESTABILIDAD DE UN ELECTRON ESTA DETERMINADA POR LA FUERZA DE ATRACCION DEL NUCLEO, SE INFIERE QUE UN ELECTRON 2S TENDRA MENOR ENERGIA QUE UN ELECTRON 2P. DICHO DE OTRO MODO, PARA QUITAR UN ELECTRON 2P SE NECESITA MEOR ENERGIA QUE PARA UN ELECTRON 2S POR QUE EL ELECTRON 2P NO ES ATRAIDO CON TANTA FUERZA POR EL NUCLEO. EL ATOMO DE HIDROGENO SOLO TIENE UN ELECTRON, POR LO QUE NO PRESENTA DICHO EFECTO DE PANTALLA.

PARA CONTINUAR CON EL ANALISIS DE LOS ATOMOS DE LOS PRIMEROS DIEZ ELEMENTOS, LA CONFIGURACIONELECTRONICA DEL BERILIO (Z = 4) EN EL ESTADO FUNDAMENTAL ES 1S2 2S2, O Be LOS ATOMOS DE BERILIO SON DIAMAGNETICOS, COMO ERA DE ESPERARSE.

LA CONFIGURACION ELECTRONICA DEL BORO (Z = 5) ES 1S2 2S2 2P1, O B OBSERVE QUE EL ELECTRON NO APAREADO PUEDE ESTAR EN EL ORBITAL 2PX, 2PY O 2PZ. LA ELECCION ES COMPLETAMENTE ARBITRARIA PORQUE LOS ORBITALES P TIENEN ENERGIAS EQUIVALENTES. COMO SE MUESTRA EN EL DIAGRAMA, LOS ATOMOS DE BORO SON PARAMAGNETICOS.

La Tabla Periódica

El formato moderno de la Tabla Periódica es un reflejo de la estructura electrónica de los elementos que la forman. Es posible ver, por ejemplo, que los bloques en los que se puede dividir la tabla indican el tipo de subcapa que está ocupándose de acuerdo con el principio de construcción. Cada periodo de la Tabla corresponde al llenado completo de las distintas subcapas que componen una capa dada. El número del periodo corresponde al valor del número cuántico principal n de la capa que se está llenando. El número de los grupos está relacionado estrechamente con el número de los electrones de la capa de valencia (capa más externa) del átomo. No obstante la relación depende del número del grupo y del sistema de numeración actual recomendado por la IUPAC según el cual los grupos se numeran del 1 al 18.

La Tabla Periódica moderna.

Bloque Número de e- de la capa de valencia

s,d G (número del grupo)

p G-10

Los bloques que constituyen la Tabla Periódica son los siguientes:

Bloque s: formado por los elementos de los grupos 1 y 2 (alcalinos y alcalinotérreos). Se caracterizan por ser metales ligeros y tener una configuración de la capa de valencia del tipo ns1 o ns2.

Bloque d: constituido por los elementos de los grupos 3-12. Son los denominados metales de transición. La característica principal de este grupo es

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