Kernladung

Unter der Kernladung $Q_{Z}$ wird in der Chemie und Physik die elektrische Ladung eines Atomkerns verstanden:

Q_{Z} = Z \cdot e

mit

der Anzahl $Z$ der Protonen im Kern und
der Elementarladung $e$ .

Vielfach wird statt der Kernladung die Kernladungszahl als die Anzahl der Protonen $Z = Q_{Z} / e$ angegeben, die zugleich die Ordnungszahl des jeweiligen chemischen Elementes angibt. Die Kernladungszahl ist ferner – im neutralen, nicht-ionisierten Zustand des betrachteten Atoms – gleich der Anzahl aller Elektronen des Atoms.

Effektive Kernladung

In Atomen mit mehr als einem Elektron werden nicht alle Elektronen vom Atomkern gleich stark angezogen. Aus Theorie (quantenmechanisches Zentralfeldmodell des Atoms) und Experiment (Streuexperimente) ergibt sich eine ausgeprägte Schalenstruktur der kugelsymmetrischen Verteilung der Elektronen(dichte) in einem Atom. Aufgrund dieser Verteilung kann man anschaulich von kernnahen und kernfernen Elektronen sprechen. Aus grundlegenden Überlegungen der Elektrostatik (Poisson-Gleichung der Elektrostatik) kann man dann argumentieren, dass kernnahe Elektronen die positive Kernladung nach außen hin abschirmen, so dass kernferne Elektronen im Vergleich hierzu einer geringeren, mittleren Anziehungskraft durch den Atomkern unterliegen.

In einem sehr vereinfachenden Modell kann man diese Abschirmung durch eine verringerte, effektive Kernladung $Q_{Z eff}$ berücksichtigen:

Q_{Z eff} = Q_{Z} - S

mit der Abschirmungskonstante $S$ , die man u. a. nach den Slater-Regeln abschätzen kann, s. dort. Die effektive Kernladung ist also eine Modellgröße und gibt die reduzierte Kernladung, die im Mittel auf ein herausgegriffenes Elektron in einer der oben erwähnten Schalenbereiche wirkt, an. (Diese Schalenbereiche sind in den Slater-Regeln der Grund der Zusammenfassung unterschiedlicher Atomorbitale derselben Hauptquantenzahl zu Gruppen.)

Die effektive Kernladung hängt für eine vorgegebene Kernladungszahl, letztlich der Ordnungszahl eines Elements, von der Elektronenkonfiguration des Atoms und vom Atomorbital des betrachteten Elektrons ab. Bsp. hierzu finden sich im Artikel zu den Slater-Regeln.

Ebenso wie die Kernladungszahl wird eine effektive Kernladungszahl $Z_{eff} = Q_{Z eff} / e$ (mit der Einheit Eins) angegeben.

Obwohl das Konzept der effektiven Kernladung eine (starke) Vereinfachung der Elektron-Elektron- und Kern-Elektron-Wechselwirkung ist, ist es in Physik und Chemie ein hilfreiches Konzept zur Erklärung von Trends im physiko-chemischen Verhalten der Elemente, z. B. für Atomenradien, Ionisierungsenergien und Elektronegativitäten.

Einzelnachweise

1 2 3 4 Werner Kutzelnigg: Einführung in die Theoretische Chemie. WILEY-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30609-9, 7 Elementare Theorie der Atome.
1 2 P. W. Atkins, R. S. Friedmann: Molecular Quantum Mechanics. 3. Auflage. Oxford University Press, Oxford, New York, Tokio 1997, ISBN 0-19-855948-8, 7.12 Penetration and Shielding.
↑ James E. Huheey, Ellen A. Keiter, Richard L. Keiter: Inorganic chemistry: principles of structure and reactivity. 4. Auflage. HarperCollins College Publishers, New York (USA) 1993, ISBN 978-0-06-042995-9, 2 The structure of the atom.

Siehe auch

Elektronegativität

Literatur

Michael Binnewies, Maik Finze, Manfred Jäckel, Peer Schmidt, Helge Willner, Geoff Rayner-Canham: Allgemeine und Anorganische Chemie. 3. Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-45066-6, Kapitel 3: Ein Überblick über das Periodensystem, doi:10.1007/978-3-662-45067-3_3.

[TC-1] 1 2 3 4 Werner Kutzelnigg: Einführung in die Theoretische Chemie. WILEY-VCH, Weinheim 2002, ISBN 3-527-30609-9, 7 Elementare Theorie der Atome.

[MQM-2] 1 2 P. W. Atkins, R. S. Friedmann: Molecular Quantum Mechanics. 3. Auflage. Oxford University Press, Oxford, New York, Tokio 1997, ISBN 0-19-855948-8, 7.12 Penetration and Shielding.

[Huheey-3] James E. Huheey, Ellen A. Keiter, Richard L. Keiter: Inorganic chemistry: principles of structure and reactivity. 4. Auflage. HarperCollins College Publishers, New York (USA) 1993, ISBN 978-0-06-042995-9, 2 The structure of the atom.