اثر d و اثر f  یا انقباض اسکاندیدی و لانتانیدی (Scandide & Lanthanide Contraction)

الكترون های زیر لایه ی d و f اثر حایل یا پوششی كمی دارند و به همین در هنگام پر شدن این زیر لایه ها بار مؤثر هسته بطور چشم گیری افزایش پیدا می كند. افزایش چشم گیر بار مؤثر هسته منجر به بروز بی قاعدگی هایی در روند تغییرات خواص تناوبی در عناصر بلافاصله بعد از پر شدن این زیرلایه ها برای اولین بار می شود. بعنوان مثال نخستین انرژی یونش، مجموع سه انرژی یونش اول و شعاعهای اتمی و یونی عناصر گروه بور را در نظر بگیرید:

 

IE1+IE2+IE3(kJ/mol)

IE1(kJ/mol)

IIIA

0.23

0.88

6887.4

800.6

B

0.51

1.43

5139

577.6

Al

0.62

1.22

5521.1

578.8

Ga

0.81

1.63

5083

558.3

In

0.95

1.70

5438.4

589.3

Tl

 

با وجود اینكه در گروه IIIA عنصر Ga پایین تر از عنصر Al قرار دارد، انرژی یونش اول، مجموع سه انرژی یونش اول و شعاع اتمی Ga برخلاف روند كلی ( کاهش انرژی یونش و افزایش شعاع از بالا به پایین در گروهها) به ترتیب بیشتر، بیشتر و كمتر از همانها برای Al است. این مطلب به پر شدن زیر لایه ی d و افزایش بار موثر هسته ناشی از آن برای اولین بار که اثر d یا انقباض اسکاندیدی (d-block Contraction or Scandide Contraction) نامیده می شود، نسبت داده می شود. بعبارتی گالیم که بعد از پر شدن زیر لایه ی d برای اولین بار قرار دارد، افزایش بار موثر هسته ناشی از آن را تجربه می کند، درحالیکه قبل از همگروه بالایی آن ( یعنی آلومینیوم) پر شدن زیر لایه ی d و افزایش بار موثر هسته ناشی از آن وجود ندارد. از این رو گالیم در مقایسه با آلومینیوم بار موثر هسته بیشتری دارد که منجر به انرژی یونش بیشتر و شعاع اتمی کمتر گالیم می شود.

اثر d عمدتاً برای مقایسه ی خواص Al و Ga كاربرد دارد و در جاهای دیگر اهمیت آن كمتر است. بعنوان مثال انرژی یونش اول، مجموع چهار انرژی یونش اول و شعاعهای اتمی و یونی عناصر گروه کربن را که در جدول بعدی گزارش شده است، در نظر بگیرید. از سیلیسیم ( که قبل آن پر شدن زیر لایه ی d را نداریم) به ژرمانیم ( که قبل آن پر شدن زیر لایه ی d را برای اولین بار داریم) بجز مجموع چهار انرژی یونش اول مابقی خواص اتمی یاد شده مطابق روند كلی تغییر می کنند، اما مجموع چهار انرژی یونش اول برای ژرمانیم به مقدار کمی بیشتر از سیلیسیم است و اثر d را نشان می دهد. البته همچنان می توان ادعا نمود که کاهش انرژی یونش اول یا افزایش شعاع اتمی از سیلیسیم به ژرمانیم بخاطر اثر d کم است. 

 

IE1+IE2+IE3+IE4(kJ/mol)

IE1(kJ/mol)

IVA

0.15

0.77

14282

1086.4

C

0.42

1.17

9950.7

786.4

Si

0.53

1.22

10012.6

762.2

Ge

0.71

1.40

8993.7

708.6

Sn

0.84

1.75

9330.6

715.5

Pb

 

اثر d را میتوان در عناصر واسطه خارجی بخصوص گروههای واقع در ابتدای دوره نیز مشاهده کرد. بعنوان مثال در گروه IVB انرژی یونش اول زیرکونیم (IE1=660kJ/mol) واقع در ابتدای دوره پنجم از عنصر همگروه بالایی خود یعنی تیتانیم (IE1=658kJ/mol) واقع در ابتدای دوره چهارم بیشتر است.

بطور مشابه اثر f یا انقباض لانتانیدی (Lanthanide Contraction) که مربوط به پر شدن زیر لایه ی f و افزایش بار موثر هسته ناشی از آن برای اولین بار است، وجود دارد. اثر f از آن جهت انقباض لانتانیدی نیز نامیده می شود که پر شدن زیر لایه ی f و افزایش بار موثر هسته ناشی از آن برای اولین بار در طول سری لانتانیدها صورت می گیرد و همراه با کاهش شعاع در طول سری است که در عناصر بعد از سری یعنی عناصر بلوک 5d خودش را نشان می دهد. عناصر بلوک 5d تقریبا هم اندازه با عناصر بلوک 4d هستند، با وجودآنکه یک لایه اصلی نسبت به آنها اضافه تر دارند. تاثیر این اثر را می توان علاوه بر مقایسه شعاعهای اتمی عناصر بلوک 5d و 4d در مقایسه انرژی های یونش، شعاع های یونی و دیگر خواص اتمی آنها هم مشاهده کرد. علاوه بر این در مقایسه خواص اتمی برخی عناصر اصلی بخصوص ایندیم و قلع ( که قبل از آنها پر شدن زیر لایه ی f را نداریم) با تالیم و سرب ( که قبل از آنها پر شدن زیر لایه ی f را برای اولین بار داریم) نیز حائز اهمیت است ( به داده های جداول قبلی رجوع کنید).

در مقایسه اهمیت اثر d و اثر f میتوان گفت که اثر f از d مهمتر است، چون در اثر f تعداد الكترون های بیشتری با اثر پوششی کمتر اضافه می شود. لازم بذکر است که اثر p هم میتوان در نظر گرفت، ولی مهم نیست.

تمرین: مقادیر انرژی یونش اول عناصر گروه وانادیم ( گروه VB ) بصورت  زیر است:

با توجه به مقادیر انرژی یونش اول عناصر این گروه می توان دید که انرژی یونش اول از بالا به پایین بجای کاهش، افزایش می یابد. علاوه بر این افزایش انرژی یونش اول از نیوبیم به تانتال بیشتر از افزایش انرژی یونش اول از وانادیم به نیوبیم است. چگونه توجیه می کنید؟

 

 

 

*****

 

 

 

 

 

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||