Carga nuclear efectiva, apantallamiento y reglas de Slater

Solapas principales

Los electrones internos del átomo "bloquean la vista" (apantallan) del núcleo a electrones más externos, sintiendo una carga nuclear inferior a la que realmente tiene el núcleo, llamada carga nuclear efectiva $(Z_ef)$. Para calcular la carga nuclear efectiva restamos la carga real del núcleo (número atómico, Z) del apantallamiento que producen los electrones internos (S). \begin{equation} Z_{ef}=Z-S \end{equation} Los electrones que se encuentran en orbitales más intenos (penetran más en el átomo), con mayor densidad electrónica en las proximidades del núcleo apantallan más a los electrones externos que electrones que se encuentran en orbitales con una densidad electrónica más alejada del núcleo. Por ejemplo, el orbital 1s es el de mayor penetración del átomo, sus electrones están muy cercanos al núcleo y producen un importante efecto pantalla sobre electrones externos. Los siguientes en orden de penetración son los 2s, le siguen los 2p....

Orden de penetración de orbitales: 1s>2s>2p>3s>3p>3d.

Sobre un electrón apantallado actúa una carga nuclear menor, suponiendo un incremento en la energía del electrón.

La constante de apantallamiento, S, puede obtenerse mediante las reglas de Slater. Para aplicar las reglas de Slater, escribimos la configuración electrónica del átomo y agrupamos los los orbitales s y p con el mismo número cuántico principal, se ignoran irregularidades.

$[1s][2s2p][3s3p][3d][4s4p][4d][4f][5s5p][5d]$

La constante de apantallamiento para un electrón de un determinado grupo viene dada por las siguientes contribuciones:

  • 0.35 por cada otro electrón del mismo grupo. Excepto en el caso del 1s, donde el otro electrón contribuye con 0.3
  • 0.85 por cada electrón en grupos [sp] con número cuántico una unidad inferior y 1 por cada electrón con número cuántico aún menor
  • 1 por cada electrón en grupos [d] y [f] con número cuántico igual o menor.

Veamos unos ejemplos del cálculo del apantallamiento y de la carga nuclear efectiva para varios átomos de los primeros periodos.

H: $1s^1$; Z=1; S=0; $Z_{ef}=1$

He: $1s^2$; Z=2; S=0.3; $Z_{ef}=1.7$

Li: $1s^22s^1$; Z=3; S=0.85x2=1.7; $Z_{ef}=1.3$

Be: $1s^22s^2$; Z=4; S=0.35+0.85x2=2.05; $Z_{ef}=1.95$