كيفية فهم التوزيع الإلكتروني للذرات

تكوين الإلكترونات في الذرة هو طريقة لوصف كيفية ترتيب إلكتروناتها في مستويات الطاقة والمستويات الفرعية حول النواة. يحدد تكوين الإلكترونات في الذرة العديد من خصائصها الفيزيائية والكيميائية، مثل كيفية تفاعلها مع الذرات الأخرى، وكيفية توصيلها للتيار الكهربائي، وكيفية سلوكها في المجال المغناطيسي.

ما هو الإلكترون؟

الإلكترون هو جسيم ذري سالب الشحنة يدور حول نواة الذرة. تتكون النواة من بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات محايدة الشحنة. يحدد عدد البروتونات في النواة العدد الذري للعنصر، وعدد الإلكترونات في الذرة المحايدة يساوي عدد البروتونات.

لدى الإلكترونات كتلة صغيرة جداً بالمقارنة مع البروتونات والنيوترونات، وهي تتحرك بسرعة كبيرة في مداراتها. هذه المدارات ليست مسارات دائرية، ولكنها المناطق التي يكون فيها الإلكترونات الأكثر احتمالاً للوجود. تسمى هذه المناطق بالمدارات أو المستويات الفرعية، ولها أشكال وأحجام مختلفة حسب مستوى الطاقة الخاص بها.

ما هو مستوى الطاقة؟

مستوى الطاقة هو القشرة الرئيسية أو المدار الذي يحتوي على واحد أو أكثر من المستويات الفرعية أو المدارات. يتحدد مستوى الطاقة للمدار بموقعه بالنسبة للنواة: كلما كان أقرب إلى النواة، كانت طاقته أقل؛ وكلما كان أبعد، كانت طاقته أعلى.

مستويات الطاقة مرقمة من 1 إلى 7، بدءًا من الأقرب إلى النواة. يمكن للمستوى الأول أن يحتوي على ما يصل إلى 2 إلكترون، والثاني على ما يصل إلى 8، والثالث على ما يصل إلى 18، وهكذا. الصيغة لحساب العدد الأقصى لإلكترونات في مستوى الطاقة هي 2n^2، حيث n هو رقم مستوى الطاقة.

ما هو المستوى الفرعي؟

المستوى الفرعي هو تقسيم لمستوى الطاقة يحتوي على واحد أو أكثر من المدارات ذات نفس الشكل والطاقة. تسمى المستويات الفرعية بالأحرف: s, p, d, f, g، إلخ، والتي تتوافق مع أرقام الكم المدارية 0, 1, 2, 3, 4، إلخ. يساوي عدد المستويات الفرعية في مستوى الطاقة الرقم الخاص بمستوى الطاقة: فمثلاً، المستوى الأول يحتوي على مستوى فرعي واحد (s)، والثاني يحتوي على اثنين (s و p)، والثالث يحتوي على ثلاثة (s, p, و d)، وهكذا.

يعطى العدد الأقصى لإلكترونات يمكن أن تناسب في مستوى فرعي بواسطة الصيغة 2(2l + 1)، حيث l هو رقم الكم المداري. على سبيل المثال، يمكن للمستوى الفرعي s أن يحتوي على ما يصل إلى 2 إلكترون، والمستوى الفرعي p على ما يصل إلى 6، والمستوى الفرعي d على ما يصل إلى 10، والمستوى الفرعي f على ما يصل إلى 14.

ما هو المدار؟

المدار هو منطقة داخل المستوى الفرعي حيث يمكن العثور على الإلكترون باحتمال معين. تعتمد شكل وحجم المدار على مستوى الطاقة والمستوى الفرعي: على سبيل المثال، تكون المدارات s كروية، والمدارات p على شكل عصا غسيل، والمدارات d على شكل ثلاثي الأوراق أو أشكال معقدة، والمدارات f أكثر تعقيداً.

يمكن لكل مدار أن يحتوي على ما يصل إلى 2 إلكترون بدوران معاكس: واحد يدور عكس اتجاه عقارب الساعة وآخر يدور في اتجاه عقارب الساعة. الدوران هو خاصية أخرى للإلكترونات تؤثر على سلوكها المغناطيسي.

كيفية كتابة التكوين الإلكتروني للذرة؟

يتم كتابة التكوين الإلكتروني للذرة عن طريق إدراج جميع المستويات الفرعية المشغولة بعدد الإلكترونات في الأعلى. على سبيل المثال، التكوين الإلكتروني للهيدروجين (H) الذي يحتوي على إلكترون واحد هو 1s^1؛ التكوين الإلكتروني للهيليوم (He) الذي يحتوي على إلكترونين هو 1s^2؛ التكوين الإلكتروني للليثيوم (Li) الذي يحتوي على ثلاثة إلكترونات هو 1s^2 2s^1؛ وهكذا.

تتبع المستويات الفرعية في التعبئة قاعدة تسمى مبدأ بناء Aufbau أو مبدأ البناء: تشغل الإلكترونات المدارات ذات الطاقة الأدنى المتاحة أولاً قبل الانتقال إلى المدارات ذات الطاقة الأعلى. 

كيفية تطبيق مبدأ بناء Aufbau؟

لكتابة التكوين الإلكتروني للذرة باستخدام مبدأ بناء Aufbau، يجب اتباع هذه الخطوات:

1. ابدأ بأقل مدار طاقة، وهو المدار 1s، واملأه بحد أقصى 2 إلكترون.

2. انتقل إلى أقل مدار طاقة التالي، وهو المدار 2s، واملأه بحد أقصى 2 إلكترون.

3. انتقل إلى أقل مدار طاقة التالي، وهو المدار 2p، واملأه بحد أقصى 6 إلكترونات.

4. استمر في هذا العملية حتى يتم تخصيص جميع الإلكترونات للذرة إلى المدارات.

لتبسيط كتابة التكوينات الإلكترونية، يمكن استخدام رمز مختصر يستخدم رمز الغاز النبيل السابق في الأقواس لتمثيل الإلكترونات الداخلية التي تكون في تكوين مستقر. على سبيل المثال، بدلاً من كتابة 1s^2 2s^2 2p^6 للنيون (Ne)، يمكن كتابة [He] 2s^2 2p^6، حيث [He] يمثل التكوين الهيليوم (He).

يمكن أيضًا استخدام مخطط يسمى مخطط المدار أو مخطط التكوين الإلكتروني لإظهار توزيع الإلكترونات في المدارات باستخدام الأسهم أو الدوائر. تمثل الأسهم دوران الإلكترونات، ويجب أن تكون الزوجية مع دوران معاكس في كل مدار. تمثل الدوائر الإلكترونات دون إظهار دورانها.

ما هي الاستثناءات لمبدأ بناء Aufbau؟

يعمل مبدأ بناء Aufbau بشكل جيد لمعظم العناصر، لكن هناك بعض الاستثناءات حيث لا تملأ الإلكترونات المدارات وفقًا لمستويات الطاقة. تحدث هذه الاستثناءات لأن بعض الذرات تكون أكثر استقرارًا عندما يكون لديها مستويات فرعية ممتلئة جزئياً أو تماماً، خاصة في كتل d و f.

على سبيل المثال، الكروم (Cr) له رقم ذري 24، مما يعني أنه يحتوي على 24 إلكترون. وفقًا لمبدأ بناء Aufbau، يجب أن يكون تكوينه الإلكتروني [Ar] 4s^2 3d^4، حيث [Ar] يمثل التكوين الأرغون (Ar). ومع ذلك، فإن هذا التكوين ليس مستقرًا جدًا لأن المستوى الفرعي 3d ممتلئ جزئياً بأربعة إلكترونات. تكوين أكثر استقرارًا هو [Ar] 4s^1 3d^5، حيث يكون المستوى الفرعي 4s والمستوى الفرعي 3d ممتلئين جزئياً بإلكترون واحد وخمسة إلكترونات على التوالي.

مثال آخر هو النحاس (Cu)، الذي له رقم ذري 29 وإلكترون 29. وفقًا لمبدأ بناء Aufbau، يجب أن يكون تكوينه الإلكتروني [Ar] 4s^2 3d^9، حيث [Ar] يمثل التكوين الأرغون (Ar). ومع ذلك، فإن هذا التكوين ليس مستقرًا جدًا لأن المستوى الفرعي 3d ممتلئ جزئياً بتسعة إلكترونات. تكوين أكثر استقرارًا هو [Ar] 4s^1 3d^10، حيث يكون المستوى الفرعي 4s والمستوى الفرعي 3d ممتلئين تمامًا بإلكترون واحد وعشرة إلكترونات على التوالي.

هناك استثناءات أخرى لمبدأ بناء Aufbau في المعادن الانتقالية (كتلة d) واللانثانيوم والأكتينيوم (كتلة f). لتحديد هذه الاستثناءات، يجب النظر في التكوينات الإلكترونية الملاحظة لها ومقارنتها بالتكوينات المتوقعة بناءً على مستويات الطاقة.

لماذا يعتبر التكوين الإلكتروني للذرة مهمًا؟

يعتبر التكوين الإلكتروني للذرة مهمًا لأنه يحدد العديد من خصائصها الفيزيائية والكيميائية. على سبيل المثال:

• <