Как разбираться в электронной конфигурации атомов

اتوم کهربایی چگونگی ترتیب الکترون‌ها در سطوح انرژی و زیرسطح‌های مختلف حول هسته را توصیف می‌کند. ترتیب الکترونی یک اتم بسیاری از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن، مانند نحوه واکنش با دیگر اتوم‌ها، چگونگی هدایت الکتریسیته و رفتار در یک میدان مغناطیسی را تعیین می‌کند.

الکترون چیست؟

الکترون یک ذره زیراتمی منفی است که دور هسته یک اتم می‌چرخد. هسته شامل پروتون‌های مثبت و نوترون‌های بی‌بار است. تعداد پروتون‌ها در هسته عدد اتمی یک عنصر را تعیین می‌کند و تعداد الکترون‌ها در یک اتم خنثی برابر با تعداد پروتون‌ها است.

الکترون‌ها نسبت به پروتون‌ها و نوترون‌ها جرم بسیار کمی دارند و در مدارهای خود بسیار سریع حرکت می‌کنند. مدارها مسیرهای دایره‌ای نیستند بلکه مناطقی از فضا هستند که الکترون‌ها بیشترین احتمال حضور در آنجا را دارند. این مناطق مدار یا زیرسطح نامیده می‌شوند و شکل و اندازه‌های مختلفی بر اساس سطح انرژی خود دارند.

سطح انرژی چیست؟

سطح انرژی یک پوسته یا مدار اصلی است که یک یا چند زیرسطح یا مدار را شامل می‌شود. سطح انرژی یک مدار با فاصله آن از هسته تعیین می‌شود: هر چه نزدیک‌تر باشد، انرژی کمتری دارد؛ هر چه دورتر باشد، انرژی بیشتری دارد.

سطح‌های انرژی از 1 تا 7 شماره‌گذاری می‌شوند، از نزدیک‌ترین به هسته شروع می‌شود. اولین سطح انرژی می‌تواند تا 2 الکترون، دومی تا 8، سومی تا 18 و غیره را در خود جای دهد. فرمول محاسبه حداکثر تعداد الکترون‌ها در یک سطح انرژی 2n^2 است که n شماره سطح انرژی است.

زیرسطح چیست؟

زیرسطح یک تقسیم‌بندی از یک سطح انرژی است که یک یا چند مدار با شکل و انرژی یکسان را شامل می‌شود. زیرسطح‌ها با حروف نامگذاری می‌شوند: s, p, d, f, g و غیره، که به اعداد کوانتومی مداری 0, 1, 2, 3, 4 و غیره متناظر هستند. تعداد زیرسطح‌ها در یک سطح انرژی برابر با شماره سطح انرژی است: برای مثال، اولین سطح انرژی یک زیرسطح (s) دارد، دومی دو (s و p)، سومی سه (s, p و d) و غیره.

حداکثر تعداد الکترون‌هایی که می‌توانند در یک زیرسطح جای گیرند با فرمول 2(2l + 1) تعیین می‌شود که l عدد کوانتومی مداری است. برای مثال، زیرسطح s می‌تواند تا 2 الکترون، زیرسطح p تا 6، زیرسطح d تا 10 و زیرسطح f تا 14 الکترون را در خود جای دهد.

مدار چیست؟

مدار یک منطقه از فضا در یک زیرسطح است که الکترون با احتمال مشخصی می‌تواند در آن یافت شود. شکل و اندازه یک مدار به سطح انرژی و زیرسطح آن بستگی دارد: برای مثال، مدارهای s کروی، مدارهای p شکل دُمبِلی، مدارهای d شکل چهاربرگ یا پیچیده و مدارهای f حتی پیچیده‌تر هستند.

هر مدار می‌تواند تا 2 الکترون با چرخش‌های متضاد را در خود جای دهد: یکی با چرخش ساعتگرد و یکی با چرخش پادساعتگرد. چرخش یکی دیگر از خصوصیات الکترون‌هاست که رفتار مغناطیسی آن‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

چگونه ترتیب الکترونی یک اتم را بنویسیم؟

ترتیب الکترونی یک اتم با فهرست کردن تمام زیرسطح‌های پر شده با تعداد الکترون‌ها در بالای آن‌ها نوشته می‌شود. برای مثال، ترتیب الکترونی هیدروژن (H) با یک الکترون 1s^1 است؛ ترتیب الکترونی هلیوم (He) با دو الکترون 1s^2 است؛ ترتیب الکترونی لیتیوم (Li) با سه الکترون 1s^2 2s^1 است و غیره.

ترتیبی که زیرسطح‌ها پر می‌شوند با یک قانون به نام اصل آوفباو یا اصل ساخت پیروی می‌کند: الکترون‌ها ابتدا مدارهای با انرژی کمتر را پر می‌کنند و سپس به مدارهای با انرژی بالاتر می‌روند.

چگونه اصل آوفباو را اعمال کنیم؟

برای نوشتن ترتیب الکترونی یک اتم با استفاده از اصل آوفباو، ما باید مراحل زیر را دنبال کنیم:

1. با کمترین مدار انرژی شروع کنید، که مدار 1s است، و آن را با حداکثر 2 الکترون پر کنید.

2. به بعدی کمترین مدار انرژی بروید، که مدار 2s است، و آن را با حداکثر 2 الکترون پر کنید.

3. به بعدی کمترین مدار انرژی بروید، که مدار 2p است، و آن را با حداکثر 6 الکترون پر کنید.

4. این فرآیند را تا زمانی که تمام الکترون‌های اتم به مدارها اختصاص یافته‌اند ادامه دهید.

برای ساده‌سازی نوشتن ترتیب‌های الکترونی، می‌توانیم از یک نماد مختصر استفاده کنیم که از علامت گاز نجیب قبلی در داخل کروشه استفاده می‌کند تا الکترون‌های داخلی که در یک ترتیب پایدار هستند را نشان دهد. برای مثال، به جای نوشتن 1s^2 2s^2 2p^6 برای نئون (Ne)، می‌توانیم [He] 2s^2 2p^6 بنویسیم که [He] ترتیب الکترونی هلیوم (He) را نشان می‌دهد.

ما همچنین می‌توانیم از یک نمودار به نام نمودار مداری یا نمودار ترتیب الکترونی استفاده کنیم تا توزیع الکترون‌ها در مدارها را با استفاده از پیکان‌ها یا دایره‌ها نشان دهیم. پیکان‌ها چرخش الکترون‌ها را نشان می‌دهند و باید با چرخش‌های متضاد در هر مدار جفت شوند. دایره‌ها الکترون‌ها را بدون نشان دادن چرخش آن‌ها نشان می‌دهند.

استثناءهای اصل آوفباو چیست؟

اصل آوفباو برای بیشتر عناصر خوب کار می‌کند، اما چند استثناء وجود دارد که الکترون‌ها مدارها را بر اساس سطوح انرژی خود پر نمی‌کنند. این استثناءها زمانی رخ می‌دهند که برخی اتم‌ها وقتی زیرسطح‌های نیمه‌پر یا پر شده‌اند پایدارتر هستند، به ویژه در بلاک‌های d و f.

برای مثال، کروم (Cr) عدد اتمی 24 دارد که به معنای داشتن 24 الکترون است. بر اساس اصل آوفباو، ترتیب الکترونی آن باید [Ar] 4s^2 3d^4 باشد که [Ar] ترتیب الکترونی آرگون (Ar) را نشان می‌دهد. با این حال، این ترتیب خیلی پایدار نیست زیرا زیرسطح 3d فقط با چهار الکترون پر شده است. یک ترتیب پایدارتر [Ar] 4s^1 3d^5 است که هر دو زیرسطح 4s و 3d با یک و پنج الکترون، به ترتیب، نیمه‌پر شده‌اند.