التوزيع الإلكتروني (١)

يقوم التوزيع الإلكتروني على ترتيب إلكترونات الذرة في مستويات الطاقة المختلفة للوصول إلى الحالة المستقرة ذات الطاقة الأقل. نعتمد في هذا الترتيب على ثلاث قواعد رئيسية: مبدأ أوفباو للبناء التصاعدي الذي ينص على أن كل إلكترون يشغل المستوى الأقل طاقة أولا، ومبداء باولي الذي يحدد ألا يزيد عدد الإلكترونات في المستوى الفرعي الواحد عن إلكترونين يدوران باتجاهين متعاكسين، وقاعدة هوند التي توضح أن الإلكترونات تتوزع في المستويات الفرعية المتساوية طاقة مفردة أولا وبنفس الاتجاه قبل أن تحدث عملية الازدواج. فمثلا ذرة الهيدروجين ذات العدد الذري الواحد يكون توزيعها الإلكتروني $1s^1$ لأن إلكترونها الوحيد يشغل المستوى الأقل طاقة.

الفكرة الأساسية

يحدد التوزيع الإلكتروني في الذرة باستخدام ثلاث قواعد.

الشرح

ترتيب الإلكترونات في الذرة يسمى التوزيع الإلكتروني. ولأن الأنظمة ذات الطاقة المنخفضة تكون أكثر استقراراً، فإن الإلكترونات تميل إلى اتخاذ ترتيب يعطي الذرة أقل طاقة ممكنة، وتسمى الحالة المستقرة للعنصر. تحكم هذه المبادئ أو القواعد عملية الترتيب وهي:

1. مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي): ينص على أن كل إلكترون يشغل المستوى الأقل طاقة. لذا فإن تحديد التوزيع الإلكتروني في الحالة المستقرة يتطلب معرفة ترتيب المستويات الفرعية وفق تزايد طاقاتها، ويمثل كل صندوق في الرسم مستوى فرعيا.

2. مبدأ باولي: ينص على أن عدد الإلكترونات في المستوى الفرعي الواحد لا يزيد عن إلكترونين ويدور كل منها حول نفسه باتجاه معاكس للآخر. يُمثَّل المستوى الفرعي الذي يحتوي على زوج من الإلكترونات ذات الدوران المتعَاكس بـ $\uparrow\downarrow$. ولأن كل مستوى فرعي لا يستطيع احتواء أكثر من إلكترونين فإن الحد الأعلى للإلكترونات في مستوى الطاقة الرئيس يساوي $2n^2$.

3. قاعدة هوند: تنص قاعدة هوند على أن الإلكترونات تتوزع في المستويات الفرعية المتساوية الطاقة بحيث تحافظ على أن يكون لها الاتجاه نفسه من حيث الدوران، قبل أن تشغل الإلكترونات الإضافية ذات اتجاه الدوران المعاكس المستويات نفسها. فعلى سبيل المثال، تُمَلأُ مستويات $2p$ الفرعية الثلاثة بإلكترونات منفردة، ثم تحدث عملية الازدواج.

ويمكن أن تمثل التوزيع الإلكتروني للذرة بإحدى الطرائق الآتية: رسم مربعات المستويات، أو الترميز الإلكتروني، أو ترميز الغاز النبيل. والترميز الإلكتروني يعبر عن مستوى الطاقة الرئيس والمستويات الثانوية المرتبطة مع كل المستويات الفرعية في الذرة، ويتضمن أساً يمثل عدد الإلكترونات في المستوى. أما ترميز الغاز النبيل فهو طريقة لتمثيل التوزيع الإلكتروني للغازات النبيلة الموجودة في العمود الأخير من الجدول الدوري، وتحتوي مداراتها الأخيرة على ثنائية إلكترونات (ما عدا الهيليوم) وهي عادة مستقرة.

مثال محلول خطوة بخطوة

اكتب التوزيع الإلكتروني لعنصر الكربون الذي عدده الذري 6:

1. حدد عدد إلكترونات ذرة الكربون، وبما أن العدد الذري هو 6 إذن تحتوي ذرة الكربون على 6 إلكترونات في حالتِها المستقرة.
2. ابدأ بملء المستويات وفقا لمبدأ أوفباو (البناء التصاعدي) من المستوى الأقل طاقة إلى الأعلى:

• المستوى الأول $1s$ يتسع لإلكترونين كحد أقصى: $1s^2$.
• يتبعه المستوى $2s$ ويتسع لإلكترونين: $2s^2$.
• يتبقى إلكترندان من الستة، توضع في المستوى الفرعي التالي $2p$: $2p^2$.

3. إذن يصبح التوزيع الإلكتروني للترميز الإلكتروني لذرة الكربون في الحالة المستقرة: $1s^2 2s^2 2p^2$.
4. برسم مربعات المستويات، ترسم صندوقا لـ $1s$ فيه إلكترندان متعاكسان، وصندوقا لـ $2s$ فيه إلكترندان متعاكسان، وثلاثة صناديق لـ $2p$ يوضع في أول صندوقين إلكترون مفرد في كل صندوق حسب قاعدة هوند.

أخطاء شايعة

• كتابة عدد إلكترونات يخالف سعة المستوى الفرعي، مثل وضع أكثر من إلكترونين في مستوى فرعي من نوع $s$ أو أكثر من ستة في مستوى من نوع $p$.
• ازدواج الإلكترونات في صناديق مستويات الطاقة المتساوية قبل ملئها فرادى باتجاه الدوران نفسه، وهو خطأ يخالف قاعدة هوند.
• الخلط في ترتيب تسلسل طاقة المستويات الفرعية وعدم مراعاة تداخل مستويات الطاقة الرئيسة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما التوزيع الإلكتروني لعنصر الأكسجين الذي عدده الذري 8؟ الإجابة: $1s^2 2s^2 2p^4$

السؤال الثاني: ما ترميز الغاز النبيل (الطريقة المختصرة) لعنصر الصوديوم الذي عدده الذري 11 وتوزيعه الإلكتروني الكامل $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$؟ الإجابة: [Ne]$3s^1$