التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية للذرات والأيونات الغازية المعزولة

يجب عليك أن تكون على دراية ببنية الذرة. في بنية الذرة، يتم ترتيب الإلكترونات في مستويات طاقة أو أغلفة حول نواة الذرة. مع ارتفاع عدد الإلكترونات، يرتفع أيضًا عدد الأغلفة حول النواة. تمثل القشرة الأقرب إلى النواة أدنى مستوى للطاقة. كم عدد الإلكترونات التي يمكن ملؤها في كل غلاف؟. يمكن معرفته بالصيغة 2n². n يمثل رقم الغلاف حيث n هو 1،2،3،4 وهكذا.

تمتلئ الإلكترونات أولاً في مستوى الطاقة الأدنى ثم في مستويات الطاقة الأعلى، وهكذا. تحتوي كل قذيفة أيضًا على قذائف فرعية يتم تمثيلها بواسطة s و p و d و f. تحتوي الغلافات الفرعية s وp وd وf على 2 و6 و10 و14 إلكترونًا على التوالي.

علاوة على ذلك، في كل غلاف فرعي، توجد مدارات موجودة. يمكن ملء المدار الواحد بعدد 2 إلكترونين كحد أقصى. نظرًا لأنه في كل مدار، يمكن احتلال إلكترونين كحد أقصى، يمكننا حساب سعة الاحتفاظ بالإلكترونات في كل غلاف فرعي. نحن نفعل ذلك عن طريق ضرب عدد المدارات في كل غلاف فرعي بـ 2. في هذه الحالة، يمكن أن يحتوي الغلاف الفرعي s على إلكترونين، ويمكن أن يحتوي الغلاف الفرعي p على 6 إلكترونات، ويمكن أن يحتوي الغلاف الفرعي d على 10 إلكترونات، ويمكن أن يحتوي الغلاف الفرعي f على 14 إلكترونًا.

يعتمد مبدأ أوفباو على طاقة المدارات أو الغلافات الفرعية ووفقًا لمبدأ أن الإلكترونات تملأ مستويات الطاقة المنخفضة أولاً. تتم عملية ملء الإلكترونات بترتيب تصاعدي لطاقة المدارات. كيف نعرف أي المدارات لديه أقل أو أعلى طاقة؟. ولتحقيق هذه الغاية، يتعين علينا التعرف على الصيغة (n+l). وهنا n هو رقم الكم الأساسي الذي يمثل رقم الغلاف. l هو رقم الكم المداري الذي يتم تحديد قيمته بواسطة l=n-1. سيتم ملء المدار ذو القيمة الأقل لـ n + l أولاً. ويمكننا أيضًا التنبؤ بالترتيب المتزايد لطاقة المدارات، كما هو موضح في هذا الرسم التوضيحي. 1sسيتم ملؤها أولاً بسبب أدنى طاقة لها. ثم 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7sوهكذا سيتم ملؤها وفقًا لترتيب تزايد طاقة المدارات. لا ينطبق مبدأ أوفباو على أنظمة الإلكترون المفرد مثل ذرة الهيدروجين، He+و Li+2الأيونات.

بعد فهم ترتيب طاقة المدارات ننتقل إلى قاعدة هوند. تعتمد هذه القاعدة على اقتران الإلكترونات. يمكن أن يحتوي كل مداري على إلكترونين، كما هو الحال في المدار s. وفقًا لهذه القاعدة، تفضل الإلكترونات البقاء غير مقترنة قدر الإمكان. تتزاوج الإلكترونات الموجودة في غلاف فرعي فقط عندما تمتلئ جميع مدارات الغلاف الفرعي إلى النصف بدوران متوازي.

يخبرنا مبدأ استبعاد باولي عن كيفية ملء إلكترونين بشكل صحيح في المدار. وفقًا لهذا المبدأ، يمكن لكل مداري أن يستوعب إلكترونين لهما دوران متعاكس. لن يكون لإلكترونين في مداري واحد نفس مجموعة الأرقام الكمية الأربعة.

يتم تمثيل دوران الإلكترون بواسطة الرقم الكمومي المغزلي. -1/2 يمثل الدوران للأسفل أو عكس اتجاه عقارب الساعة و +1/2 يمثل الدوران للأعلى أو في اتجاه عقارب الساعة.

دعونا نأخذ الكالسيوم كمثال ونطبق عليه كافة المبادئ والقواعد لملء الإلكترونات. العدد الذري للكالسيوم هو 20. لذلك فإن التكوين الإلكتروني للكالسيوم سيكون 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s². سوف يتناسب أول إلكترونين من الكالسيوم مع المدار 1s. الإلكترونان التاليان للكالسيوم يناسبان 2sمداري. ثم 2p, 3s, 3pو 4sيتم ملء المدارات بتطبيق جميع المبادئ.

يتم توضيح الترتيب التصاعدي لمستويات الطاقة الفرعية كما هو موضح.

لقد حصلنا على ترتيب زيادة مستوى الطاقة بواسطة صيغة n+l. والآن إذا صورنا هذا الترتيب بترتيب تصاعدي، فيمكن تمثيله كما هو موضح.

طاقة التأين هي الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون من الغلاف الخارجي أو غلاف التكافؤ للذرة. طاقة التأين الأولى هي الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون الأول من غلاف التكافؤ. فهو يتناسب عكسيا مع نصف قطر الذرة. كلما كان نصف القطر أكبر، كلما كانت طاقة التأين أصغر. وذلك لأن إلكترونات التكافؤ ستكون بعيدة عن النواة. وبالتالي، سيكون من السهل إزالة الإلكترونات لأن ذلك يتطلب قدرًا أقل من الطاقة.

ترتفع طاقة التأين على طول فترة الجدول الدوري. يرجع ذلك إلى أن نصف القطر الذري يتناقص على طول فترة الجدول الدوري نتيجة لعدد ثابت من القذائف، ويرتفع الشحنة النووية. الهيليوم والنيون والأرجون لديهم قذائف تكافؤ كاملة. ولهذا السبب، من الصعب إزالة الإلكترونات منها. في الواقع، لديهم أعلى طاقات التأين.

تتمتع عناصر الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم بأقل طاقات التأين بسبب وجود إلكترون واحد فقط في غلافها الخارجي. من السهل إزالة الذرات التي تحتوي على إلكترون واحد أو اثنين في غلافها المتوازن. ومن ثم فإن طاقة تأينها تكون أصغر. تحتاج جميع الذرات التي تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات في غلافها المتوازن إلى المزيد من الطاقة لإزالة الإلكترونات.

دعونا نناقش الاستقرار الإضافي للقذائف الفرعية d5 و d10. تكون الطبقة الفرعية d الممتلئة بالكامل أو الممتلئة إلى النصف تمامًا مستقرة بشكل خاص. للحصول على هذا الاستقرار، فإن الذرة أو الأيون الذي لديه إلكترون واحد مفقود في d5 أو d10 يفعل ما يلي. يقوم بنقل الإلكترون من المستوى الفرعي s ذو الطاقة الأعلى إلى المستوى الفرعي d غير المملوء. المدار d الممتلئ نصفًا والممتلئ بالكامل لهما نفس الطاقة. لذلك تعتبر هذه المدارات متدهورة.

بسبب نفس طاقة المدارات والتوزيع المتماثل للإلكترونات فإن الإلكترونات في مدارات مختلفة من نفس الغلاف الفرعي تتبادل مواقعها. وبسبب هذا التبادل، يتم إطلاق كمية معينة من هذه الطاقة، والتي نسميها طاقة التبادل. وهذا يجعل الذرة أكثر استقرارا. لذا فإن المدارات الممتلئة نصفياً والممتلئة بالكامل تكون أكثر استقراراً.

استقرارها يعود إلى تبادل الطاقة والتناظر. تعتبر هذه المدارات أكثر تناسقًا من أي تكوين آخر مما يؤدي إلى مزيد من الاستقرار. على سبيل المثال، الكروم هو عنصر كيميائي له الرمز Cr والعدد الذري 24. يمكننا كتابة تكوينه الإلكتروني على النحو التالي 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁴4s². لكن هذا التكوين الإلكتروني غير صحيح بسبب عدم استقرار المدار 3d.

تتمتع القواقع الفرعية الممتلئة بالكامل أو النصف مملوءة بثبات إضافي. لذلك، واحدة من 4s²تقفز الإلكترونات إلى 3d⁴مداري لجعله 3d⁵، وهو ممتلئ إلى النصف. وهذا يعطينا التكوين الصحيح مثل، 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹.

الآن سوف نناقش الشذوذ في المجموعات 2 و3 و5 و6. يظهر السلوك الشاذ من قبل العضو الأول في المجموعات. يختلف كل عضو أول في الخصائص ويظهر غالبًا علاقة قطرية مع عناصر أخرى من أي مجموعة أخرى. في أعضاء المجموعة 2يظهر البريليوم سلوكًا غير طبيعي مقارنة بالأعضاء الأخرى. ويظهر أيضًا علاقة قطرية مع الألومنيوم. في أعضاء المجموعة 3، يظهر البورون خصائص غريبة عن العناصر الأخرى من العائلة. ويظهر علاقة قطرية مع السيليكون.

المجموعة 2A من الجدول الدوري هي المعادن القلوية الترابية. وهي البريليوم، والمغنيسيوم، والكالسيوم، والسترونشيوم، والباريوم، والراديوم. تتضمن المجموعة 3A من الجدول الدوري عنصر البورون المعدني، بالإضافة إلى المعادن الألومنيوم، والجاليوم، والإنديوم، والثاليومالمجموعة 5أ من الجدول الدوري هي pnictogen. وهي اللافلزات النيتروجين والفوسفور، وشبه الفلزات الزرنيخ والانتيمون، والمعدن البزموت. المجموعة 6A من الجدول الدوري هي chalcogens. وهي اللافلزات الأكسجين والكبريت والسيلينيوم، وشبه الفلز التيلوريوم، والفلز البولونيوم.

يظهر البريليوم علاقة قطرية مع الألومنيوم حيث أن نسبة الشحنة إلى الحجم هي نفسها لكل من البريليوم والألومنيوم. مثل الألومنيوم، لا يتفاعل البريليوم أيضًا مع الأحماض بسبب وجود طبقة أكسيد على سطح المعدن. مثل الألومنيوم، يمكن لأكاسيد البريليوم أن تذوب بكمية زائدة من القلويات مثل [Be(OH)4]-2. يشكل كلا العنصرين أنيونات أوكسوجينية في قاعدة قوية. كلاهما له رابطة جسرية في الهيدريدات والكلوريدات. لديهم أكاسيد أمفوتيرية. تعتبر أكاسيدها صلبة للغاية ونقاط انصهارها عالية. جميع مركبات البريليوم وبعض مركبات الألومنيوم لها صفة تساهمية.

يظهر البورون علاقة قطرية مع السيليكون. ويشكل أكاسيد حمضية صلبة مثل أكاسيد السيليكون. على الرغم من أن حمض البوريك هو حمض أمفوتيري بطبيعته، إلا أنه حمض ضعيف مثل حمض السيليك. تحتوي هذه المواد على مجموعة واسعة من البورات والسيليكات البوليمرية القائمة على ذرات الأكسجين المشتركة بين الروابط. يشكل كلاهما أكاسيد غازية. يُظهر السلوك الشاذ لنيتروجين المجموعة 5 أن النيتروجين عبارة عن غاز في الطبيعة بينما العناصر الأخرى عبارة عن مواد صلبة. إنه يتمتع بحجم صغير وطاقة تأين عالية والتي تختلف في العناصر الأخرى من المجموعة. إن عدم توفر المدار d في غلاف التكافؤ والقدرة على تكوين روابط باي-باي مع نفسه يجعله شاذًا في الطبيعة. إنها ثنائية الذرة بينما الأخرى رباعية الذرة. بسبب غياب المدار d، فإنه لا يشكل روابط إحداثية.

الآن سوف نناقش السلوك الشاذ للأكسجين في المجموعة 6. الأكسجين له حجم أصغر من الأعضاء الأخرى في المجموعة 6. إنها تمتلك سالبية كهربائية عالية ولا يوجد بها مدار d في غلاف التكافؤ. إنه مادة غير معدنية وغازية في حين أن المواد الأخرى تكون صلبة في درجة حرارة الغرفة. يشكل روابط باي-باي متعددة مع عناصر ذات حجم متشابه. الأكسجين له خاصية مغناطيسية بينما العناصر الأخرى لها خاصية مغناطيسية. يشكل رابطة هيدروجينية قوية في H2O والتي لا تتوفر في H2S.

يمكن أن يكون السلوك الشاذ نتيجة للأسباب التالية. العناصر التي تظهر سلوكًا غير طبيعي يكون حجمها صغيرًا مقارنة بالعناصر الأخرى في مجموعتها. كما أن لديهم أيضًا كهرسلبية عالية وطاقة تأين عالية مقارنة بأعضاء المجموعة الآخرين. إنها تمتلك نسبة شحنة إلى نصف قطر كبيرة بسبب حجمها الصغير وطاقة التأين العالية. لا تحتوي على مدارات d في غلاف التكافؤ الخاص بها. ولهذا السبب يظهرون سلوكًا غير طبيعي.