اثر پوششی الکترون (Shielding effect or atomic shielding or electron shielding) یک مفهوم در علم شیمی است که تاثیر الکترون های نزدیک به هسته را بر روی الکترون های لایه ظرفیت توضیح می دهد. در واقع به ممانعت و یا محافظت الکترون های لایه های درونی یک اتم از تاثیر کامل جاذبه هسته بر روی الکترون های لایه های بیرونی آن، اثر محافظتی، اثر پوششی یا اثر حائلی الکترون گفته می شود. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در رابطه با مفهوم اثر پوششی الکترون و روند تغییرات آن ارائه شده است. لطفا همراهی بفرمایید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- مقدمه
۲- اثر پوششی الکترون ها
۳- بار موثر هسته
۴- روند تغييرات اثر پوششی الکترون ها
۵- تاثیر اثر پوششی الکترون بر روی اندازه اتم
۶- روش محاسبه ثابت پوششی به روش اسلیتر
۷- تاثیر اثر پوششی الکترون بر روی انرژی یونش
مقدمه
همانطور که می دانید اتم از ذرات زیر اتمی الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. هسته اتم از نوترون ها و پروتون ها ساخته شده، در حالیکه الکترون ها در اطراف هسته اتم و در مدار های مشخصی قرار دارند. به عبارت دیگر، الکترون ها در اطراف هسته اتم و در اوربیتال های اتمی توزیع شده اند. الکترون ها دارای بار منفی، پروتون ها دارای بار مثبت و نوترون ها از نظر بار الکتریکی خنثی می باشند. توجه داشته باشید که بارهای الکتریکی همنام یکدیگر را دفع و بار های ناهمنام یکدیگر را جذب می کنند. بنابراین نیروی جاذبه الکترواستاتیکی میان الکترون ها و پروتون ها وجود دارد. در حالیکه میان دو پروتون یا دو الکترون که بار همنام یکدیگر دارند، نیروی الکترواستاتیکی از نوع دافعه می باشد.
لازم به ذکر است که توزیع الکترون ها در مدار های مختلف، در اتم متفاوت است. برخی الکترون ها در لایه های نزدیک به هسته اتم حرکت می کنند و برخی دیگر دور از هسته اتم قرار دارند. در واقع الکترون ها بر اساس افزایش انرژی (بر اساس اصل آفبا) در یک اتم مرتب می شوند. یعنی الکترون هایی که به هسته اتم نزدیکتر باشند، جاذبه بیشتری از هسته اتم نسبت به سایر الکترون هایی که در لایه های بیرونی تر قرار دارند، احساس می کنند.
جالب است بدانید که
الکترون هایی که در مدار های بیرونی یک اتم قرار گرفته اند، علاوه بر بار مثبت ناشی از هسته اتم، بار منفی الکترون های تراز های درونی را نیز احساس می کنند. در حقیقت، به دلیل وجود الکترون های تراز های درونی و دافعه آنها با الکترون های لایه های خارجی، بار مثبت خالصی که الکترون های مدار های بیرونی تر احساس می کنند، کمتر از بار واقعی هسته خواهد بود. به بیان دیگر، الکترون های درونی تر جاذبه یا بار مثبت هسته را از الکترون های بیرونی تر پوشش یا حایل می دهند که به این اثر، اثر حائل الکترون گفته می شود.
اثر پوششی الکترون ها
همانطور که در ابتدای مقاله بیان شد، الکترون های مدار های درونی اثر نیروی جاذبه هسته بر روی الکترون های لایه والانس را کاهش می دهند. این پدیده اثر پوششی الکترون ها نامیده می شود. اتمی را در نظر بگیرید که تنها یک الکترون دارد. این تک الکترون بار مطلق هسته را احساس می کند. حال اگر اتم دارای چند الکترون باشد، الکترون هایی که در لایه های نزدیک به هسته اتم قرار گرفته اند، به سمت بار مثبت در هسته بیشتر جذب می شوند. در حالیکه الکترون هایی که در تراز های بیرونی حرکت می کنند، به وسیله الکترون های مدار های میانی دفع می شوند. از این رو به سمت بار مثبت در هسته کمتر جذب می گردند. در واقع می توان گفت که الکترون های لایه های بیرونی بار خالصی که احساس می کنند، کمتر از بار واقعی هسته می باشد.
به عبارت دیگر، در اتم های چند الكترونی، بار منفی هر الكترون باعث می شود که بخشی از بار مثبت هسته آن اتم را خنثی کنند. بنابراین تاثیر تمام بار مثبت هسته آن اتم بر سایر الكترون ها را به میزان معینی كاهش می دهد. به كسری از بار مثبت هسته اتم كه توسط هر الكترون پوشیده شده، ثابت یا ضریب پوششی آن الكترون می گویند (علامت سیگما یا s).
قابل ذکر است که
الکترون های داخلی ترین مدار حاوی حداکثر میزان بار می باشند. میزان بار در مدار بعدی، کمتر از داخلی ترین مدار خواهد بود. به همین ترتیب، الکترون های خارجی ترین مدار، حداقل بار مثبت هسته را احساس می کنند. در نتیجه این الکترون ها، به میزان کمتری نسبت به الکترون های مدار های داخلی تر به وسیله هسته جذب می شوند. به بیان دیگر، هرچه الكترون ها به هسته اتم نزدیكتر باشند، اثر حایل بیشتری را برای سایر الكترون های خارجی انجام می دهد. در حقیقت الكترون های داخلی و نزدیكتر به هسته، همچون سپری عمل کرده و جلوی بار مثبت هسته را خواهند گرفت. در این صورت اجازه نمی دهند که الكترون های خارجی تر، بار مثبت هسته را به طور کامل احساس كنند.
بار موثر هسته
به مقدار بار مثبتی که یک الکترون از طرف هسته (البته با در نظر گرفتن اثر پوششی سایر الکترون ها) احساس می کند بار موثر هسته می گویند. بار موثر هسته را با *Z یا Zeff نشان می دهند. به عبارت دیگر می توان گفت که Zeff همان بار هسته حس شده به وسیله یک الکترون است، به شرطی که سایر الکترون ها وجود نداشته نباشند. بار موثر هسته از رابطه زیر محاسبه می شود که در آن، Zeff بار مؤثر هسته، Z بار واقعی هسته (برابر با تعداد پروتون های موجود در هسته) و s ضریب یا ثابت پوششی می باشند.
Zeff = Z* = Z – s
توجه داشته باشید که هرچه الكترون داخلی تر باشد، اثر پوشش بيشتری بر روی سایر الكترون ها اعمال می كند. علاوه بر آن، اثر پوششی كمتری هم از طرف سایر الكترون ها احساس می کند. به بیان دیگر، برای یک الکترون در وهله اول اثر پوششی الکترون های لایه های زیرین و سپس در وهله دوم اثر پوششی الکترون های هم لایه مهم خواهد بود. همچنین می توان از اثر پوششی الکترون های لایه های خارجی نسبت به آن الکترون، صرف نظر کرد. پس با نزديكتر شدن الكترون ها به هسته اتم، بار مؤثر هسته افزايش پیدا مي کند.
نکته
از طرفی، نوع زير لايه و یا شكل اوربيتال هم در بار مؤثر هسته موثر خواهد بود. در واقع با كاهش عدد کوانتومی فرعی، بار موثر هسته افزايش مي يابد. به عنوان مثال اوربیتال های ۱s، ۲s و ۳s را در نظر بگیرید. ترتیب افزایش بار موثر هسته به شکل ۱s ˂ ۲s ˂ ۳s می باشد. حال اگر اوربیتال های ۴s، ۴p، ۴d و ۴f را با هم مقایسه کنید، ترتیب افزایش بار موثر هسته به شکل ۴s ˂ ۴p ˂ ۴d ˂ ۴f می باشد.
روند تغييرات اثر پوششی الکترون ها
تغييرات اثر حایلی الکترون نیز همانند بسياري از خواص ديگر آن اتم مانند اندازه شعاع کووالانسی، انرژی الکترون خواهی، الكترونگاتيويته، انرژی يونش، و غیره نسبت به عدد اتمی، روندی تناوبی دارد. در حقیقت، اثر پوششی الکترون های درونی در یک گروه از بالا به پایین افزایش می یابد، در حالیکه در یک دوره از سمت چپ به سمت راست تقریبا ثابت خواهد ماند.
تاثیر اثر پوششی الکترون بر روی اندازه اتم
اثر پوششی مسئول کنترل اندازه یک اتم خواهد بود. همانطور که بیان شد، اثر پوششی اتم به تعداد الکترون های مدار های داخلی وابسته می باشد. در واقع، تعداد بیشتر الکترون های داخلی سبب قویتر شدن اثر پوششی می گردد. زمانیکه الكترون ها دورتر از هسته قرار دارند، الكترون های درونی بیشتری به عنوان سپر آنها عمل می کنند. از آنجاییکه این الکترون ها از طرف هسته كمتر جذب می شوند، آزادی عمل بیشتری دارند. بنابراین می توان این طور بیان کرد كه الكترون های خارجی، از هسته فاصله گرفته اند و در نتیجه شعاع اتمی آن اتم افزایش می یابد.
به عبارت دیگر، با افزایش عدد اتمی در یک گروه از جدول تناوبی، تعداد اوربیتال های پر شده میان هسته اتم و لایه الکترونی والانس آن اتم افزایش می یابد. وجود الکترون در اوربیتال های درونی، باعث کاهش اثر نیروی جاذبه هسته بر الکترون های موجود در لایه الکترونی ظرفیت می شود. بدین ترتیب سبب افزایش فاصله الکترون های خارجی از هسته اتم و در نتیجه افزایش شعاع اتمی اتم خواهد شد.
روش محاسبه ثابت پوششی به روش اسلیتر
این روش که روشی قدیمی است توسط اسلیتر در سال ۱۹۳۰ بیان شد. توجه داشته باشید که نتایج حاصل از این روش تقریبی بوده پس می توان از آن در بررسی های کیفی، مقایسه ای و توجیه روند تغییرات خواص عناصر، استفاده کرد. در این روش از اثر پوششی و دافعه الکترون هایی که در مدار های بالاتر از الکترون مورد نظر ما قرار گرفته اند صرف نظر می شود (اثر پوششی آنها را برابر با صفر در نظر می گیرند). همچنین، اسلیتر فقط اعداد کوانتومی اصلی را در نظر گرفت. یعنی بین الکترون هایی که در لایه های فرعی مربوط به یک مدار اصلی قرار گرفته اند تفاوتی قایل نشد. مثلا، ضریب پوششی تمام الكترون های مدار هاي فرعي ۳s، ۳p و ۳d را برابر دانست.
روش محاسبه
۱- اگر الکترون مورد نظر در اوربیتال s یا p قرار داشته باشد، دارید :
- ثابت پوششی الکترون هایی که در همان لایه اصلی الكترون مورد نظر قرار دارند، برابر ۰/۳۵ است (به استثنای تراز ۱s كه ضریب پوششی برابر ۰/۳۰ در نظر گرفته می شود).
- ثابت پوششی الکترون هایی که در لایه اصلی ما قبل لایه اصلی الكترون مورد نظر قرار دارند، ثابت پوششي برابر ۰/۸۵ می باشد.
- ثابت پوششی الکترون هایی که در لایه های اصلی پايينتر از لایه ما قبل لایه الكترون مورد نظر قرار داشته باشد، برابر یک می باشد.
۲- اگر الکترون مورد نظر در اوربیتال d یا f قرار داشته باشد، دارید :
- ثابت پوششی الکترون هایی که در همان لایه فرعی d یا f قرار دارند برابر با ۰/۳۵ می باشد.
- ثابت پوششی برای سایر الکترون های باقیمانده برابر ۱ منظور می شود.
به عنوان مثال، ثابت پوششی را براي الكترون هاي مدار ۳d و ۴s در اتم منگنز حساب نمایید.
۲۵Mn : 1s۲ ۲s۲ ۲p۶ ۳s۲ ۳p۶ ۳d۵ ۴s۲
σ (۴s) = (1 × ۰.۳۵) + (۱۳ × ۰.۸۵) + (۱۰ × ۱) = ۲۱.۴
σ (۳d) = (2 × ۰) + (۴ × ۰.۳۵) + (۱۸ × ۱) = ۱۹.۴
تاثیر اثر پوششی الکترون بر روی انرژی یونش
همانطور که بیان شد، در هر گروه از بالا به پایین، تعداد الکترون ها و به دنبال آن، اثر پوششی آنها افزایش می یابد. در نتیجه با افزایش اثر حائلی، این الکترون ها از طرف هسته اتم كمتر جذب می شوند، پس راحت تر یونیزه می گردند. از این رو، انرژی یونش در هر گروه از بالا به پایین کاهش پیدا می کند.
