التوزيعات الإلكترونية: ترتيب البناء التصاعدي وقاعدة هوند والأيونات

مستويات الطاقة الرئيسية والفرعية وسعة الأفلاك

يوصف كل إلكترون في الذرة بأربعة أعداد كمية. يحدد العدد الكمي الرئيسي n (1 و2 و3 و…) مستوى الطاقة الرئيسي. ويمتد العدد الكمي للزخم الزاوي l من 0 إلى n − 1 ويحدد المستوى الفرعي: l = 0 و1 و2 و3 تُسمى s وp وd وf. ويمتد العدد الكمي المغناطيسي mₗ من −l إلى +l، لذا يحتوي المستوى الفرعي على 2l + 1 أفلاك. والعدد الكمي للّف المغزلي mₛ هو +½ أو −½.

ولأن كل فلك يتسع لإلكترونين على الأكثر، يتسع المستوى الفرعي s لإلكترونين، وp لستة، وd لعشرة، وf لأربعة عشر. ويتسع مستوى الطاقة الرئيسي الكامل لـ 2n² إلكترونًا: 2 عندما n = 1، و8 عندما n = 2، و18 عندما n = 3. وهذه السعات هي سبب كون كتل الجدول الدوري بعرض 2 و6 و10 و14 عمودًا.

ترتيب ملء البناء التصاعدي والجدول الدوري

في الحالة الأرضية تشغل الإلكترونات المستويات الفرعية الأدنى طاقة المتاحة؛ وهذا هو مبدأ البناء التصاعدي. وفي الذرة متعددة الإلكترونات تعتمد طاقة المستوى الفرعي على l كما تعتمد على n، لأن إلكترون s ينفذ أقرب إلى النواة من إلكترون p أو d ذي n مشابهة ويحجبه عنها عدد أقل من الإلكترونات الداخلية. والترتيب الناتج للذرات المتعادلة هو 1s و2s و2p و3s و3p و4s و3d و4p و5s و4d و5p و6s و4f و5d و6p و7s و5f و6d و7p.

تعيد قاعدة n + l إنتاج هذا الترتيب: املأ المستويات الفرعية بترتيب تزايد n + l، وعند تساوي مستويين املأ ذا الـ n الأقل أولًا. فيمتلئ 4s (4 + 0 = 4) قبل 3d (3 + 2 = 5). ويمكنك أيضًا قراءة الترتيب من الجدول الدوري. فعند التحرك عبر دورة تمرّ بالكتلة s، ثم الكتلة f إن وجدت، ثم الكتلة d، ثم الكتلة p، مع كون المستوى الفرعي d متأخرًا بمستوى رئيسي واحد عن رقم الدورة والمستوى الفرعي f متأخرًا بمستويين.

يخبرك الترتيب أي مستوى فرعي يستقبل الإلكترون التالي من عنصر إلى العنصر الذي يليه. ولا يعني أن 4s أدنى طاقة من 3d دائمًا. فعندما يصبح 3d مشغولًا تنخفض طاقته دون طاقة 4s، ولهذا تفقد كاتيونات الفلزات الانتقالية إلكترونات 4s أولًا.

مبدأ باولي للاستبعاد وقاعدة هوند والمخططات المدارية

ينص مبدأ باولي للاستبعاد على أنه لا يتشارك إلكترونان في الذرة الأعداد الكمية الأربعة نفسها. فإلكترونان في فلك واحد يتشاركان n وl وmₗ أصلًا، لذا يجب أن يكون لفّاهما متعاكسين، ولا يستطيع أي فلك أن يتسع لثالث.

تنطبق قاعدة هوند على الأفلاك المتساوية الطاقة، أي ذات الطاقة المتساوية داخل المستوى الفرعي. تشغلها الإلكترونات فرادى، بلفّات متوازية، قبل أن يبدأ أي ازدواج. والازدواج يرفع الطاقة لأن إلكترونين في فلك واحد يتنافران بقوة أكبر، بينما تكتسب اللفّات المتوازية في أفلاك منفصلة استقرار التبادل. وهكذا فإن 2p³ في النيتروجين فيه ثلاثة إلكترونات مفردة، و2p⁴ في الأكسجين فيه زوج واحد وإلكترونان مفردان.

في المخطط المداري، ارسم مربعًا لكل فلك، واملأ المستويات الفرعية بترتيب البناء التصاعدي، وضع داخل المستوى الفرعي سهمًا واحدًا في كل مربع قبل إضافة سهم ثانٍ. الذرات ذات الإلكترونات المفردة بارامغناطيسية وتنجذب إلى المجال المغناطيسي؛ أما الذرات التي ازدوجت كل إلكتروناتها فهي دايامغناطيسية.

أمثلة محلولة: السيلينيوم والزركونيوم

المثال 1: السيلينيوم، Z = 34. املأ بترتيب البناء التصاعدي حتى تضع 34 إلكترونًا: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁴. تحقق من المجموع: 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 2 + 10 + 4 = 34. وللترميز بالغاز النبيل، استبدل أول 18 إلكترونًا بـ [Ar]، وهو الغاز النبيل الذي تنتهي به الدورة السابقة: [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁴. وسرد المستويات الفرعية حسب رقم المستوى الرئيسي، كما هنا، اصطلاح شائع؛ و[Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁴ تصف التوزيع نفسه بترتيب الملء.

تتوزع إلكترونات 4p الأربعة في السيلينيوم على ثلاثة أفلاك. وتضع قاعدة هوند إلكترونًا في كل فلك وتزاوج الرابع، فيبقى إلكترونان مفردان. وإلكتروناته التكافؤية الستة، 4s² 4p⁴، تطابق النمط الخارجي للأكسجين والكبريت في المجموعة 16، ولهذا يكوّن السيلينيوم أيون السيلينيد Se²⁻، المتماثل إلكترونيًا مع الكريبتون.

المثال 2: الزركونيوم، Z = 40. بعد [Kr] الذي يمثل 36 إلكترونًا، تبقى أربعة. المستويان الفرعيان التاليان هما 5s ثم 4d، فنحصل على [Kr] 4d² 5s²، وهو يتفق مع بيانات NIST للحالة الأرضية. يشغل إلكترونا 4d فلكين منفصلين بلفّين متوازيين، فللزركونيوم إلكترونان مفردان.

الكروم والنحاس والاستثناءات التي تقاوم القواعد البسيطة

يتنبأ ترتيب البناء التصاعدي بـ [Ar] 3d⁴ 4s² للكروم و[Ar] 3d⁹ 4s² للنحاس. وتُظهر الأطياف [Ar] 3d⁵ 4s¹ و[Ar] 3d¹⁰ 4s¹. ولأن 4s و3d متقاربان في الطاقة في هاتين الذرتين، فإن نقل إلكترون واحد إلى 3d يخفض الطاقة الكلية، بمساعدة استقرار التبادل في مستوى d الفرعي نصف الممتلئ أو الممتلئ. ويتبع الموليبدنوم [Kr] 4d⁵ 5s¹ والفضة [Kr] 4d¹⁰ 5s¹ النمط نفسه كالعنصرين فوقهما.

تفسير المستوى الفرعي نصف الممتلئ ليس قاعدة عامة. فالنيوبيوم هو [Kr] 4d⁴ 5s¹ مع أن مستواه الفرعي 4d ينتهي لا نصف ممتلئ ولا ممتلئًا؛ والبلاديوم [Kr] 4d¹⁰ بلا إلكترونات 5s؛ والتنغستن، تحت الموليبدنوم مباشرةً، هو [Xe] 4f¹⁴ 5d⁴ 6s². تعلَّم الاستثناءات التي يتطلبها مقررك من البيانات بدلًا من استنباطها من قاعدة لا تنطبق عامةً.

توزيعات الأيونات أحادية الذرة

بالنسبة إلى الأنيون، أضف الإلكترونات إلى المستوى الفرعي المتاح التالي: الكلور [Ne] 3s² 3p⁵ يصبح Cl⁻ أي [Ne] 3s² 3p⁶، المتماثل إلكترونيًا مع الأرجون. وبالنسبة إلى الكاتيون، انزع الإلكترونات أولًا من المستوى الفرعي ذي الـ n الأعلى، وداخل ذلك المستوى الرئيسي من p قبل s. وفي فلز انتقالي من الصف الأول، يعني ذلك نزع إلكترونات 4s قبل أي إلكترونات 3d.

المثال 3: أيونات الحديد. الحديد هو [Ar] 3d⁶ 4s². يفقد Fe²⁺ إلكتروني 4s فيصبح [Ar] 3d⁶، ويفقد Fe³⁺ إلكترونًا آخر، من 3d، فيصبح [Ar] 3d⁵. تحقق من الأعداد: الحديد فيه 26 إلكترونًا، وFe²⁺ فيه 18 + 6 = 24، وFe³⁺ فيه 18 + 5 = 23. وأيون Fe³⁺ الحر فيه خمسة إلكترونات مفردة، واحد في كل فلك من أفلاك 3d.

ينطبق المنطق نفسه في الكتلة p. القصدير هو [Kr] 4d¹⁰ 5s² 5p²، ويفقد Sn²⁺ إلكتروني 5p فيصبح [Kr] 4d¹⁰ 5s². والنحاس(I) هو [Ar] 3d¹⁰، لأن إلكترون 4s الوحيد في النحاس يغادر أولًا.

الأخطاء الشائعة عند كتابة التوزيعات

تقع معظم أخطاء التوزيعات في أنماط قليلة، ويمكن كشف كل منها بفحص سريع قبل أن تنتقل.

عندما يسأل السؤال عن الإلكترونات المفردة، ارسم المخطط المداري للمستوى الفرعي الممتلئ جزئيًا بدلًا من الحكم من سلسلة التوزيع. وعندما يسأل عن أيون، فاكتب الذرة المتعادلة أولًا، ثم أضف الإلكترونات أو انزعها.

• نزع إلكترونات 3d قبل 4s: Fe²⁺ هو [Ar] 3d⁶ لا [Ar] 3d⁴ 4s². وكاتيونات الصف الأول الشائعة مثل Fe²⁺ وCo²⁺ وCu⁺ لا تحتوي على إلكترونات 4s.
• استخدام قلب الغاز النبيل الخاطئ: القلب هو الغاز النبيل من الدورة السابقة، [Ar] للعناصر من 19 إلى 36.
• الخطأ في عدّ الإلكترونات: يجب أن يساوي مجموع الأسس Z للذرة، وZ ناقص الشحنة للأيون.
• ملء مستوى فرعي فوق سعته، مثل 2p⁷ أو 3d¹¹.
• ازدواج الإلكترونات في مستوى فرعي p أو d قبل أن يحتوي كل فلك على إلكترون.
• وضع الكتلة d في المستوى الرئيسي الخطأ: الدورة 4 تملأ 3d لا 4d.
• تطبيق نمط Cr وCu على كل عنصر تحتهما دون الرجوع إلى البيانات.