Carga Nuclear efetiva

Carga Nuclear efetiva

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Figura 2: Íons e átomos reduzidos ao modelo de Bohr.

Tabela 3: Última e penúltima energia de ionização da 2a linha da Tabela Periódica. Os dados estão em eV1.

ElementoZModeloEnergia deCarga nuclearFator de de Bohr ionização efetiva blindagem

ZRZ - 1ZS

Tabela 4: Dados de XPS para camada K (em eV), carga nuclear efetiva e fator de blindagem calculados pelo modelo de Bohr.

Elementos Li Be B C N O F Ne

1 Dados obtidos de Cullity (1978).

Abstract:Effective Nuclear Charge and its Consequence for the Comprehension of the Electronic Structure of Atoms – The concepts of screening factor and effective nuclear charge are generally invoked

QUÍMICA NOVA NA ESCOLAN° 17, MAIO 2003 to explain the electronic structure of atoms and periodic properties in chemistry introductory courses at the university level. Slater rules and, more recently, the concept of percent screening have been used in a semi-quantitative form to estimate the screening factor and to relate it to the periodic properties. Experimental data such as successive ionization potentials and data from X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) allow advances in the understanding of the screening factor. In this paper, it is shown that these data correlate very well the atomic number, Z, as predicted by Bohr’s atomic model. Nevertheless, the data demonstrate that electrons in the outermost shells are capable of screening the more internal electrons from the nucleus, in disagreement with Slater’s 2nd rule. Thus, the probabilistic character of quantum chemistry and the interpenetration of the wave functions are highlighted. From Bohr’s model, it is possible to estimate the effective nuclear charge from the experimental data. The consequences of an approach with emphasis on the concept of atom and its electronic structure for the comprehension of new techniques and technologies are briefly discussed.

Keywords:effective nuclear charge, screening factor, electronic structure

Carga nuclear efetiva e estrutura eletrônica dos átomos

Referências bibliográficas

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SLATER, J.C. Atomic shielding constants. Phys. Rev., v. 36, p. 57-64, 1930. WALDRON, K.A.; FEHRINGER, E.M.; demonstra que os elétrons mais externos contribuem para o fator de blindagem do elétron no orbital 1s em relação à carga nuclear, contrariando a 2a regra de Slater. Ou seja, o elétron no orbital 1s sente uma carga nuclear menor do que o equivalente ao seu número atômico pelo fato dos elétrons em camadas mais externas terem uma probabilidade de serem encontrados mais próximos do núcleo. A Figura 4 mostra que a diferença em termos percentuais entre o modelo de Bohr e os dados de

XPS decresce tendendo a um patamar, demonstrando assim que elétrons em camadas mais externas blindam menos, por terem uma probabilidade menor de serem encontrados próximos ao núcleo. Enfim, as regras de Slater e suas modificações nos oferecem uma forma qualitativa e limitada para estimarmos o fator de blindagem. Entendemos que uma visão qualitativa e conceitualmente correta da estrutura eletrônica dos átomos permite aos alunos vislumbrarem de forma mais ampla as conseqüências do modelo atômico atual proporcionado pela Química Quântica. Esse modelo auxilia na descrição de fenômenos observados em espectroscopia eletrônica, ressonância magnética nuclear e ressonância paramagnética eletrônica, espectroscopia de raios X e tantos outros métodos avançados de análise que vêm sendo desenvolvidos ao longo dos últimos anos (como exemplo cita-

Figura 3: Densidade de probabilidade radial dos orbitais atômicos 1s, 2s e 3s.

ríamos as espectroscopias Zeke e EXAFS). O conceito físico e químico bem compreendido é a base para que possamos ser capazes de lidar, apreender e compreender os avanços tecnológicos e os utilizarmos de forma eficaz e eficiente.

Agradecimentos

À FAPEMIG, à CAPES e ao CNPq por apoiar nossas pesquisas com auxílios financeiros e bolsas de pós-graduação.

Hélio Anderson Duarte (duarteh@ufmg.br), mestre em Química pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e doutor em Química pela Universidade de Montreal (Canadá), é docente do Departamento de Química da UFMG.

Figura 4: Energia do orbital 1s como função do número atômico estimado pelo modelo de Bohr (eq. de Rydberg) e por dados de espectroscopia de raios X. A diferença relativa entre os dois modelos (em %) é mostrada no gráfico.

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