La carga nuclear efectiva es la carga positiva neta experimentada por un electrón en un átomo multi electrónico. El término "efectiva" se usa porque el efecto pantalla de los electrones más cercanos al núcleo evita que los electrones en orbitales superiores experimenten la carga nuclear completa. Este fenómeno es fundamental en química y física atómica, permitiendo comprender el comportamiento electrónico de las especies atómicas y sus tendencias periódicas. Es posible determinar la fuerza de la carga nuclear observando el número de oxidación del átomo.
El efecto de apantallamiento ocurre debido a la repulsión electrostática entre electrones. Los electrones internos reducen parcialmente la atracción que el núcleo ejerce sobre los electrones externos, provocando que estos experimenten una fuerza nuclear menor a la carga real del núcleo. Este comportamiento también puede explicarse a partir del principio de exclusión de Pauli y de la distribución electrónica de los átomos.
En un átomo con un electrón, el electrón experimenta toda la carga del núcleo positivo y su energía depende únicamente del número cuántico principal. En este caso, la carga nuclear efectiva puede ser calculada usando la ley de Coulomb.
Sin embargo, en un átomo con muchos electrones, los electrones externos son, simultáneamente, atraídos al núcleo debido a su carga positiva, y repelidos por los electrones cargados negativamente. La carga nuclear efectiva en un electrón de este tipo de átomo está dada por la siguiente ecuación:
Donde:
- Z es el número atómico, y define tanto el número de protones en el núcleo como el total de electrones de un átomo neutro.
- S es la constante de apantallamiento (también se puede representar como σ), depende del número de electrones entre el núcleo y el electrón considerado, y también en qué tipo de orbital se encuentran los electrones que restan carga nuclear. No contribuyen los electrones exteriores al nivel energético considerado, pero sí el resto de los vecinos del mismo nivel.
Debido al electrón de estudio en un átomo polielectrónico, la constante de apantallamiento no es igual para todas estas partículas dentro de un átomo, por consiguiente, la carga nuclear efectiva no es igual para todos los electrones dentro de un átomo. Los electrones en orbitales internos presentan una mayor contribución al apantallamiento que aquellos localizados en orbitales externos Se puede aproximar un valor numérico a la constante mediante la aplicación sistemática de varios conjuntos de reglas, el método más simple es conocido como las reglas de Slater (en honor a John C. Slater), donde se asignan valores arbitrarios de contribución asignados al nivel energético y tipo de orbital ocupado por los electrones.
Nota: Zeff también suele ser presentado como "Z* ". La idea de la carga nuclear efectiva es muy atractica para entender cómo se modifican a lo largo de la T.P. los alcances de los orbitales atómicos, las variaciones de las energías de ionización , afinidades electrónicas y la electronegatividad, en general, para entender las tendencias periódicas.La carga nuclear efectiva es fundamental para explicar estas tendencias. A medida que se avanza en los grupos de la tabla periódica, aumenta el número de protones en el núcleo, mientras que el apantallamiento no incrementa en la misma proporción, provocando un aumento de la carga nuclear efectiva. Como consecuencia, disminuye el radio atómico y aumentan propiedades como la energía de ionización y la electronegatividad. Elementos como el flúor presentan una elevada carga nuclear efectiva, lo que explica su gran capacidad para atraer electrones en los enlaces químicos.
"Una forma de mostrar el apantallamiento de los electrones es analizar el valor de la energía requerida para quitar un electrón de un átomo polielectrónico. Las mediciones muestran que se requiere 2373 KJ de energía para remover el primer electrón de 1 mol de átomo de He y 5248 KJ de energía para remover el electrón restante de un mol de iones de He+. La razón por la cual se requiere menos energía en el primer paso es que la repulsión electrón-electrón, o el apantallamiento, provoca una reducción en la atracción del núcleo sobre cada electrón. En el He+ hay presente un solo electrón así que no hay apantallamiento y el electrón siente el efecto total de la carga nuclear +2. Por consiguiente se requiere de mucho más energía para quitar el segundo electrón."
Un ejemplo de cálculo de carga nuclear efectiva para el átomo de oxígeno para un electrón localizado en el orbital 2p es el siguiente: al aplicar las reglas de Slater para este electrón, la carga nuclear esta dada por:
Donde 5.5 es el valor numérico del apantallamiento de los electrones internos, calculado por las reglas de Slater y 8 es el número atómico del oxígeno.
