La carica nucleare effettiva è la forza di attrazione dei protoni nel nucleo di un atomo su un elettrone dopo che la forza repulsiva degli elettroni dell’atomo è stata scomposta. Il valore numerico di questa carica si trova attraverso la semplice formula matematica, Z(efficace)=ZS, dove Z è la carica positiva e S è il numero di elettroni negli orbitali completamente occupati. Negli atomi neutri, la carica nucleare effettiva è uguale al numero di elettroni nell’orbitale più esterno, che sono chiamati elettroni di valenza.
Negli atomi, i protoni hanno tutti una carica positiva di uno. Un atomo si distingue dagli altri atomi per il numero di protoni che ha, anche se il numero di neutroni può variare tra diversi atomi dello stesso tipo e alcuni atomi dello stesso tipo possono avere ioni con più o meno elettroni in orbita. La carica positiva totale di un atomo è il numero dei suoi protoni, che è anche il numero atomico dell’atomo come mostrato nella tavola periodica degli elementi. Il primo passo per determinare la carica nucleare effettiva di un atomo è determinare la sua carica positiva totale, che può essere ottenuta cercando il numero atomico dell’atomo.
Gli elettroni sono attratti verso il nucleo dell’atomo e si trovano negli orbitali che si riempiono in modo prevedibile. Il primo orbitale può contenere solo due elettroni. Gli orbitali successivi contengono ciascuno otto elettroni quando sono pieni. In circostanze normali, e allo scopo di trovare la carica nucleare effettiva di un atomo, gli elettroni occuperanno l’orbitale più vicino possibile al nucleo.
Gli orbitali completamente occupati contrastano la stessa quantità di carica positiva in quanto contengono carica negativa. Ad esempio, un atomo con 12 protoni e 12 elettroni, che è un atomo neutro, perderà 2 cariche positive dal primo orbitale completamente occupato e 8 cariche positive dal secondo. Gli altri due elettroni nel terzo orbitale non influenzano la carica nucleare effettiva dell’atomo, che in questo caso sarebbe 12 meno 10, o 2.
Nella maggior parte dei casi, l’equazione semplificata è sufficiente per scoprire la carica nucleare effettiva di un atomo. Versioni più complesse dell’equazione tengono conto della piccola carica negativa degli elettroni di valenza, che è considerata trascurabile per la maggior parte degli scopi. Gli ioni avranno anche una carica nucleare effettiva che devia leggermente dall’equazione standard, poiché l’aggiunta di un elettrone in più all’orbitale esterno lo renderà leggermente meno positivo e la perdita di un elettrone aumenterà l’attrazione positiva dell’atomo.