چگونه می‌توانید به پیکربندی الکترونی اتم‌ها درک کنید

پیکربندی الکترونی یک اتم روشی برای توصیف نحوه ترتیب قرارگیری الکترون‌ها در سطوح انرژی مختلف و زیرسطح‌های آن حول هسته است. پیکربندی الکترونی یک اتم خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بسیاری از آن را تعیین می‌کند، مانند نحوه واکنش با دیگر اتم‌ها، نحوه رسانایی الکتریسیته و نحوه رفتار در یک میدان مغناطیسی.

الکترون چیست؟

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

الکترون‌ها نسبت به پروتون‌ها و نوترون‌ها جرم کمی دارند و در مدارهای خود بسیار سریع حرکت می‌کنند. مدارها مسیرهای دایره‌ای نیستند، بلکه مناطقی از فضا هستند که احتمال یافتن الکترون‌ها در آنجا بیشتر است. 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 اصلی یا مدار است که شامل یک یا چند زیرسطح یا مدار است. سطح انرژی یک مدار بر اساس فاصله آن از هسته تعیین می‌شود: هر چه نزدیک‌تر باشد، انرژی کمتری دارد؛ هر چه دورتر باشد، انرژی بیشتری دارد.

سطح‌های انرژی از ۱ تا ۷ شماره‌گذاری می‌شوند که از نزدیک‌ترین به دورترین به هسته مرتب می‌شوند. سطح انرژی اول می‌تواند تا ۲ الکترون، دوم تا ۸، سوم تا ۱۸ و غیره را در خود جای دهد. فرمول محاسبه حداکثر تعداد الکترون‌ها در یک سطح انرژی ۲n^2 است که n شماره سطح انرژی است.

زیرسطح چیست؟

زیرسطح یک تقسیم‌بندی از یک سطح انرژی است که شامل یک یا چند مدار با همان شکل و انرژی است. زیرسطح‌ها با حروف نامگذاری می‌شوند: s، p، d، f، g و غیره، که به ترتیب با اعداد کوانتومی مداری ۰، ۱، ۲، ۳، ۴ و غیره متناظر هستند. تعداد زیرسطح‌ها در یک سطح انرژی برابر با شماره سطح انرژی است: به عنوان مثال، سطح انرژی اول یک زیرسطح (s) دارد، دوم دو (s و p)، سوم سه (s، p و d) و غیره.

حداکثر تعداد الکترون‌هایی که می‌توانند در یک زیرسطح جای داشته باشند با فرمول ۲(۲l + ۱) تعیین می‌شود که l عدد کوانتومی مداری است. به عنوان مثال، زیرسطح s می‌تواند تا ۲ الکترون، زیرسطح p تا ۶، زیرسطح d تا ۱۰ و زیرسطح f تا ۱۴ الکترون جای دهد.

مدار چیست؟

مدار یک منطقه از فضا در یک زیرسطح است که الکترون می‌تواند با احتمال خاصی در آن یافت شود. شکل و اندازه یک مدار به سطح انرژی و زیرسطح آن بستگی دارد: به عنوان مثال، مدارهای s کروی هستند، مدارهای p شکل دنباله‌دار دارند، مدارهای d شکل چتری یا پیچیده‌تر دارند و مدارهای f حتی پیچیده‌تر هستند.

هر مدار می‌تواند تا ۲ الکترون با چرخش‌های مخالف را در خود جای دهد: یکی به جهت عقربه‌های ساعت و دیگری به جهت مخالف. چرخش یکی دیگر از خصوصیات الکترون‌هاست که روی رفتار مغناطیسی آن‌ها تأثیر می‌گذارد.

چگونه پیکربندی الکترونی یک اتم را بنویسیم؟

پیکربندی الکترونی یک اتم با لیست کردن تمام زیرسطح‌های پر شده با تعداد الکترون‌ها در بالا نوشته می‌شود. به عنوان مثال، پیکربندی الکترونی هیدروژن (H) با یک الکترون ۱s^1 است؛ پیکربندی الکترونی هلیوم (He) با دو الکترون ۱s^2 است؛ پیکربندی الکترونی لیتیم (Li) با سه الکترون ۱s^2 2s^1 است و غیره.

ترتیبی که زیرسطح‌ها پر می‌شوند یک قانون به نام اصل آوفباو یا اصل ساختن می‌باشد: الکترون‌ها ابتدا مدارهای با کمترین انرژی را پر می‌کنند قبل از حرکت به مدارهای با انرژی بالاتر.

چگونه اصل آوفباو را اعمال کنیم؟

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

1. با مدار با کمترین انرژی که مدار ۱s است شروع کنید و آن را با تا دو الکترون پر کنید.

2. به مدار بعدی با کمترین انرژی که مدار ۲s است حرکت کنید و آن را با تا دو الکترون پر کنید.

3. به مدار بعدی با کمترین انرژی که مدار ۲p است حرکت کنید و آن را با تا شش الکترون پر کنید.

4. این فرآیند را تا زمانی که تمام الکترون‌های اتم به مدارهای خود اختصاص یابند ادامه دهید.

برای ساده‌سازی نوشتن پیکربندی‌های الکترونی، می‌توانیم از یک نماد مختصر استفاده کنیم که از نماد گاز خالص قبلی در داخل پرانتز برای نمایش الکترون‌های داخلی که در یک پیکربندی پایدار هستند استفاده می‌کند. به عنوان مثال، به جای نوشتن ۱s^2 2s^2 2p^6 برای نئون (Ne)، می‌توانیم [He] 2s^2 2p^6 بنویسیم، که [He] نمایانگر پیکربندی هلیوم (He) است.

ما می‌توانیم از یک نمودار به نام نمودار مداری یا نمودار پیکربندی الکترونی برای نمایش توزیع الکترون‌ها در مدارها با استفاده از پیکان‌ها یا دایره‌ها استفاده کنیم. پیکان‌ها چرخش الکترون‌ها را نشان می‌دهند و باید در هر مدار با چرخش‌های مخالف جفت شوند. دایره‌ها الکترون‌ها را بدون نمایش چرخش آن‌ها نشان می‌دهند.

استثناءهای اصل آوفباو چیست؟

اصل آوفباو برای بیشتر عناصر کار می‌کند، اما استثناءهایی 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 کاملاً پر دارند، پایدارتر هستند، به ویژه در بلاک‌های d و f.

به عنوان مثال، کروم (Cr) عدد اتمی ۲۴ دارد که به این معنی است که ۲۴ الکترون دارد. بر اساس اصل آوفباو، پیکربندی الکترونی آن باید [Ar] 4s^2 3d^4 باشد، که [Ar] نمایانگر پیکربندی آرگون (Ar) است. با این حال، این پیکربندی خیلی پایدار نیست چون زیرسطح ۳d فقط با چهار الکترون پر شده است. یک پیکربندی پایدارتر [Ar] 4s^1 3d^5 است، که هر دو زیرسطح ۴s و ۳d به ترتیب با یک و پنج الکترون نیمه‌پر هستند.