يعد فهم التوزيع الإلكتروني للذرات أمرًا بالغ الأهمية في التنبؤ بسلوكها الكيميائي، بما في ذلك قدرتها على تكوين روابط مع الذرات والجزيئات الأخرى، فهو يوفر نظرة ثاقبة حول استقرار العناصر وتفاعلها وخصائصها، وتوجيه دراسة المادة ومعالجتها في الكيمياء، وفي هذا المقال سنتعرف على كيفية حساب التوزيع الإلكتروني.
يتم تمثيل التوزيع الإلكتروني عادةً باستخدام أرقام تشير إلى عدد الإلكترونات في كل مستوى طاقة ومدار
ما هو التوزيع الإلكتروني؟
يشير التوزيع الإلكتروني في الكيمياء إلى ترتيب الإلكترونات داخل الذرة أو الجزيء، وتلعب الإلكترونات دورًا أساسيًا في هذا التوزيع، والإلكترونات هي جسيمات سالبة الشحنة تدور حول نواة الذرة في مستويات طاقة أو مدارات محددة، بحيث يصف التوزيع الإلكتروني للذرة كيفية تكوين وترتيب هذه الإلكترونات بين مستويات الطاقة والمدارات المختلفة.
ويتم تمثيل التوزيع الإلكتروني عادةً باستخدام أرقام تشير إلى عدد الإلكترونات في كل مستوى طاقة ومدار، بحيث تُميز مستويات الطاقة بالأرقام (n = 1، 2، 3، وما إلى ذلك)، ويحتوي كل مستوى طاقة على مدار واحد أو أكثر، كما تُصنف المدارات داخل كل مستوى طاقة حسب شكلها واتجاهها، مثل المدارات s وp وd وf.
يكشف التوزيع الإلكتروني لعنصر ما عن عدد وترتيب الإلكترونات في مستويات الطاقة والمدارات المختلفة،
ما العلاقة بين التوزيع الإلكتروني والجدول الدوري؟
يرتبط التوزيع الإلكتروني للذرة ارتباطًا وثيقًا بموقعها في الجدول الدوري، إذ ينظم الجدول الدوري العناصر بناءً على عددها الذري، والذي يتوافق مع عدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة، وبالتالي يعكس ترتيب العناصر في الجدول الدوري أنماطًا في خواصها الكيميائية، والتي يمكن فهمها من خلال توزيعاتها الإلكترونية.
حيث ينقسم الجدول الدوري إلى صفوف تسمى دورات وأعمدة تسمى مجموعات أو عائلات، وعادةً ما يكون للعناصر الموجودة في نفس المجموعة خواص كيميائية متشابهة لأنها تحتوي على نفس عدد الإلكترونات في مستوى الطاقة الخارجي لها (المستوى الأخير)، والمعروف باسم إلكترونات التكافؤ. حيث تعتبر إلكترونات التكافؤ هذه مسؤولة عن غالبية السلوك الكيميائي للعنصر.
ويكشف التوزيع الإلكتروني لعنصر ما عن عدد وترتيب الإلكترونات في مستويات الطاقة والمدارات المختلفة، ومن خلال فهم التوزيع الإلكتروني للعنصر، يمكن للمرء تحديد عدد إلكترونات التكافؤ التي يمتلكها وتفاعله الكيميائي المحتمل.
فعلى سبيل المثال، فإن العناصر الموجودة في المجموعة 1 (مجموعة الفلزات القلوية) تحتوي جميعها على إلكترون تكافؤ واحد في مستوى الطاقة الخارجي لها، مما يؤدي إلى تفاعل مماثل عند فقدان هذا الإلكترون بسهولة لتكوين ما يُعرف بالكاتيونات، وبالمثل فإن العناصر الموجودة في المجموعة 17 (مجموعة الهالوجينات) تحتوي جميعها على سبعة إلكترونات تكافؤ وتميل إلى اكتساب إلكترون واحد لتحقيق تكوين إلكتروني مستقر، وتشكيل ما يسمى بالأنيونات.
بشكل عام، يوفر التوزيع الإلكتروني لعنصر ما رابطًا أساسيًا بين موقعه في الجدول الدوري وسلوكه الكيميائي، مما يتيح التنبؤات حول تفاعله، وميول الترابط، والخصائص الفيزيائية بناءً على موقعه في الجدول.
مبدأ أوفباو ينص على أن الإلكترونات تملأ المدارات الأقل طاقة المتاحة قبل الانتقال إلى المدارات ذات الطاقة الأعلى
كيف يتم حساب التوزيع الإلكتروني؟
يتضمن حساب التوزيع الإلكتروني تحديد ترتيب الإلكترونات داخل الذرة أو الجزيء بناءً على العدد الذري ومبادئ ميكانيكا الكم. وفيما يلي الخطوات والقواعد الأساسية لكيفية حساب التوزيع الإلكتروني:
- تحديد العدد الذري: ابدأ بتحديد العدد الذري للعنصر، إذ يمثل العدد الذري عدد البروتونات الموجودة في نواة الذرة وهو فريد لكل عنصر، وذلك عن طريق استخدم الجدول الدوري باعتباره يمتلك كافة المعلومات التي تحتاج إليها أمامك.
- تعيين الإلكترونات: بالنسبة للذرة المحايدة، فإن عدد الإلكترونات يساوي عدد البروتونات، لذا قم بتعيين الإلكترونات في مدارات الذرة وفقًا لمبدأ أوفباو، الذي ينص على أن الإلكترونات تملأ المدارات الأقل طاقة المتاحة قبل الانتقال إلى المدارات ذات الطاقة الأعلى.
- استخدم مبدأ أوفباو: تشغل الإلكترونات المدارات الذرية من أجل زيادة الطاقة، وعادة ما يتم تحديد ترتيب زيادة الطاقة من خلال عدد الكم الأساسي (n) وعدد الكم السمتي (l).
- تطبيق مبدأ استبعاد باولي: يمكن لكل مدار ذري أن يحتوي على إلكترونين كحد أقصى مع دوران معاكس، وهنا يجب تطبيق مبدأ استبعاد باولي وينص على أنه لا يمكن لإلكترونين في الذرة أن يكون لهما نفس مجموعة الأرقام الكمومية الأربعة (وهي رقم الكم الأساسي والسمتي ومستوى الطاقة وعدد إلكترونات التكافؤ).
- تطبيق قاعدة هوند: عند ملء المدارات التي لها نفس الطاقة فإن هذا يقلل من تنافر الإلكترون مع الإلكترون الآخر في التوزيع الإلكتروني ويؤدي إلى الترتيب الأكثر استقرارًا.
- تعلم الاختزال وكتابة الرموز: وذلك عند التعامل مع التوزيعات الإلكترونية وخاصة الطويلة منها، وذلك بكتابة الرمز الكيميائي لأقرب غاز كيميائي (عنصر نبيل في المجموعة الأخيرة من الجدول الدوري) فهو يحتوي على عدد أقل من الإلكترونات، واجعله في قوسين لتبين بأن العنصر قد أتم عدد الإلكترونات بشكل مماثل لعدد إلكترونات الغاز النبيل، ثم ابدأ بتوزيع إلكترونات التكافؤ.
- اتباع ترتيب ملء المدارات: ترتيب ملء المدارات ثابت ولا يتغير وهو كما يلي: 1s، 2s، 2p، 3s، 3p، 4s، 3d، 4p، 5s، 4d، 5p، 6s، 4f، 5d، 6p، 7s، 5f، 6d هذا الترتيب مشتق من مستويات الطاقة المتزايدة للمدارات.
- أخذ الاستثناءات بعين الاعتبار: تنحرف بعض العناصر قليلاً عن توزيعات الإلكترون المتوقعة بسبب الاستقرار المكتسب من وجود غلاف فرعي نصف مملوء أو مملوء بالكامل، فعلى سبيل المثال، يحتوي الكروم (Cr) والنحاس (Cu) على توزيع إلكتروني ينحرف عن الترتيب المتوقع لملء غلاف فرعي d نصف مملوء أو مملوء بالكامل.
باتباع هذه الخطوات والقواعد، يمكنك أن تحدد التوزيع الإلكتروني للذرة أو الجزيء بدقة، مما يوفر معلومات قيمة عن سلوكه وخصائصه في الكيمياء.
أمثلة على التوزيع الإلكتروني
بعد أن عرفت القواعد الأساسية والمبادئ الثابتة للتوزيع الإلكتروني، فإنه يمكنكَ الشروع بتطبيقها لإيجاد توزيع الجزيئات والذرات بكل سهولة، وفيما يلي أمثلة عملية للتوزيع الإلكتروني لبعض العناصر:
-
الهيدروجين (H):
- العدد الذري: 1 وهذا يعني أن الهيدروجين يقع في المجموعة الأولى والدورة الأولى.
- التوزيع الإلكتروني: 1s¹
-
الأكسجين (O):
- العدد الذري: 8 وهذا يعني أنه يقع في المجموعة السادسة والدورة الثانية.
- التوزيع الإلكتروني: 1s² 2s² 2p⁴
-
الكربون (C):
- العدد الذري: 6 وهذا يعني أن الكربون يقع في المجموعة الرابعة والدورة الثانية.
- التوزيع الإلكتروني: 1s² 2s² 2p²
-
الصوديوم (Na):
- العدد الذري: 11 وهذا يعني أنه يقع في المجموعة الأولى والدورة الثالثة.
- التوزيع الإلكتروني: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
-
الكلور (Cl):
- العدد الذري: 17 وهذا يعني أنه يقع في المجموعة السابعة والدورة الثالثة.
- التوزيع الإلكتروني: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
-
الكالسيوم (Ca):
- العدد الذري: 20 وهذا يعني أنه يقع في المجموعة الثانية والدورة الرابعة.
- التوزيع الإلكتروني: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²
-
الحديد (Fe):
- العدد الذري: 26 وهذا يعني أنه يقع في المجموعة السابعة (عناصر قلوية) والدورة الرابعة.
- التوزيع الإلكتروني: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s²
-
النحاس (Cu):
- العدد الذري: 29 وهذا يعني أنه يقع في المجموعة التاسعة (عناصر قلوية) والدورة الرابعة.
- التوزيع الإلكتروني: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s¹
توضح هذه الأمثلة كيفية توزيع الإلكترونات بين مستويات الطاقة والمدارات المختلفة وفقًا لقواعد ميكانيكا الكم كما ناقشناها سابقًا، فلكل عنصر توزيع إلكتروني فريد يحدد خواصه الكيميائية وسلوكه، ويمكن للعلماء والباحثين بناءً على ذلك التنبؤ بالتفاعلات الممكنة لكل عنصر ومعرفة استخداماته وفوائده وأوجه تصنيعه في التطبيقات العملية المختلفة.
