Carga Nuclear Efetiva

Para entender as propriedades dos átomos, devemos saber como age a intensidade da força entre o núcleo e os elétrons mais externos. A lei de Coulomb indica que a força da atração entre as duas cargas elétricas depende da força das cargas e da distância entre elas. Portanto, a força de atração entre um elétron e o núcleo depende da força da carga nuclear líquida agindo no elétron e da distância média entre o núcleo e o elétron. A força de atração aumenta na mesma proporção que a carga nuclear, e diminui à medida que o elétron se afasta do núcleo.

Em um átomo polieletrônico, cada elétron é simultaneamente atraído pelo núcleo e repelido pelos outros elétrons. Existem tantas repulsões elétron-elétron que não se pode analisar exatamente a situação. O que se pode estimar é a energia de cada elétron considerando como ele interage com o ambiente médio criado pelo núcleo e os outros elétrons no átomo.

Essa abordagem permite tratar cada elétron individualmente como se ele estivesse se movendo no campo elétrico criado pelo núcleo e pela densidade eletrônica vizinha dos outros elétrons. Esse campo elétrico é equivalente ao campo gerado por uma carga localizada no núcleo, chamada carga nuclear efetiva (Z_ef). A carga nuclear efetiva, agindo em um elétron é igual ao número de prótons no núcleo, Z, menos o número médio de elétrons, S, que está entre o núcleo em questão:

                                                             Z_ef = Z – S

A densidade eletrônica entre o núcleo e o elétron mais externo diminui a carga nuclear efetiva agindo em um elétron mais externo. Diz-se que a densidade eletrônica relativa entre aos elétrons mais internos blinda ou protege os elétrons mais externos da carga total do núcleo. Uma vez que os elétrons mais internos estão localizados basicamente entre o núcleo e os elétrons mais externos, eles são mais eficientes em blindar os elétrons mais externos. Por outro lado, os elétrons de mesmo nível dificilmente blindam uns aos outros da carga do núcleo. Por isso, conclui-se que a carga nuclear efetiva sofrida pelos elétrons mais externos é determinada basicamente pela diferença entre a carga do núcleo e a carga dos elétrons internos.

A carga nuclear efetiva sofrida pelos elétrons mais externos aumenta quando passamos de elemento para elemento por um período da tabela periódica. Apesar do número de elétrons internos permanecer o mesmo à medida que nos movemos no período, a carga nuclear real aumenta. Os elétrons do nível mais externo adicionados para contrabalançar o aumento da carga nuclear blindam uns aos outros com muito pouca eficiência. Logo, a carga nuclear efetiva aumenta progressivamente.

Por exemplo, os elétrons mais internos 1s² do lítio (1s² 2s¹) blindam os elétrons mais externos 2s do núcleo carregado 3+ com eficiência satisfatória. Consequentemente, os elétrons mais externos sofrem carga nuclear efetiva de aproximadamente 3 – 2 = 1.

                                           Fig. 1 - Carga nuclear efetiva e blindada.

Na figura 1, a carga nuclear blindada é a carga positiva que "age" sobre um elétron a uma certa distância do núcleo. A carga blindada na figura 1 é a que atua sobre o terceiro elétron do átomo de lítio. Quando o terceiro elétron está perto do núcleo, ele sofre a ação de uma carga 3+. No entanto, quando ele se afasta do núcleo a carga nuclear positiva é blindada pelos elétrons 1s e o terceiro elétron sofre a ação de uma carga menor. Quando o terceiro elétron se afasta da região ocupada pelos elétrons 1s, ele sofre a ação de uma carga nuclear blindada 1+. 

Para o berílio (1s² 2s²), a carga nuclear efetiva sofrida pelos elétrons mais externos é maior; nesse caso, os elétrons mais externos blindam apenas parcialmente o outro. Dessa  forma,  a  carga  nuclear   efetiva  sofrida  por  cada  elétron  2s é em torno de 4 – 2 = 2+.

Descendo pelo grupo, a carga nuclear efetiva sofrida pelos elétrons dos níveis mais externos varia muito menos do que varia ao longo do período. Por exemplo, esperaríamos que a carga nuclear efetiva para os elétrons mais externos no lítio e no sódio  fosse    a mesma, em torno de 3 – 2 = 1+ para o lítio e 11 – 10 = 1+ para o sódio. Porém, na realidade, a carga nuclear efetiva aumenta ligeiramente à medida que descemos na família, porque os cernes de elétrons maiores são mais eficientes em blindar da carga nuclear os elétrons mais externos.

                                                                 Fig. 2.

Na figura 2, as curvas de probabilidade Ψ²  para os orbitais 2s e 2p e curva relativa á carga blindada. Elas mostram que o orbital 2s permite que o terceiro elétron permaneça mais tempo numa região de carga mais blindada do que o orbital 2p.

Nem por isso a pequena variação na carga nuclear efetiva ocorrida ao se descer na família é menos relevante que o aumento ocorrido ao longo do período.

Referências: Química: A Ciência Central; BROWN, T. L. et. all ; 9ª Edição; Volume único; São Paulo; Editora Pearson; 2005.