توزيع إلكتروني

المدارات الإلكترونية الذرية والجزيئية

فى الفيزياء الذرية ، التوزيع الإلكتروني هو ترتيب الإلكترونات في الذرة ، الجزيء ، أو أى جسم أخر . وبالتحديد هو مكان تواجد الإلكترونات في المدارات الذرية والجزيئية أو أى شكل من أشكال المدارات الإلكترونية .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 لماذا التوزيع الإلكتروني

تصور التوزيع الإلكتروني تم توقعه بناءا على ثلاث حقائق :

1. في الفراغ الضيق للذرة أو الجزيء ، فإن طاقة وخواص الإلكترون الأخرى تكون محددة كميا ، أو مقيدة لحالة محددة . وهذه الحالات يتم تعيينها بالمدارات الإلكترونية . وكل حالة بصفة عامة لها طاقة مختلفة عن أى حالة أخرى .
2. الإلكترونات هى فيرميونات وعلى هذا فهى تقع تحت مبدأ الإستبعاد لباولي ، والذى ينص على أنه لا يمكن لإثنين من الفيرميونات أن يشغلا نفس حالة الكم . فبمجردج شغل حالة بإلكترون ، فإن الإلكترون التالي يجب ان يشغل حالة مختلفة . في الذرات ، يتم تحديد حالات الكم بأربعة أرقام للكم الرئيسي .
3. حالة الإلكترون تكون غير مستقرة لو أنه في أى حالة غير حالة الطاقة الأقل . وفى وجود حالة طاقة أقل ، فإن الإلكترون في زمن معين سينتقل لهذه الحالة ( وتنبعث منه الطاقة الزائدة في شكل فوتونات ).

وكنتيجة لذلك ، أى نظام له توزيع إلكتروني واحد ثابت . ولو تم تركه في حالة إتزان ، فسوف يكون له دائما هذا التوزيع ( يطلق عليه الحالة الأرضية ) ، وهذا بالرغم من أن الإلكترونات قد تكون مثارة مؤقتا لأى توزيع أخر .

ويتم تحديد التوزيع الإلكتروني لأى نظام بمداراته وعدد الإلكترونات الموجودة فيه . ولو هناك من يريد إستنتاج هذا التوزيع ، فيجب معرفة المدارات . وهذا سهل نسبيا للهيدروجين ، ولكنه معقد للذرات الأخرى ، وأكثر تعقيدا في حالة الجزيئات .

 التوزيع الإلكتروني في الذرات

تعتمد المناقشة التالية على تواجد معرفة ببعض المواد المشروحة في مقالة المدار الذري

 تلخيص أرقام الكم

يتم إعطاء حالة تواجد الإلكترون في الذرة أربعة أرقام للكم . ثلاثة منها هى خواص المدار الذري الذى يوجد فيه ( يوجد شرح لاحق في هذه المقالة )

• عدد الكم الرئيسي والذى يرمز له بالرمز n ويأخذ قيمة أى عدد صحيح أكبر من أو يساوي 1 . ويمثل الطاقة النهائية للمدار ، وبعده عن النواة .
• عدد الكم السمتي والذى يرمز له بالمز l ويأخذ أى قيمة عدد صحيح في المدى $0\leq l\leq n-1$ . . ويحدد عزم المدار الزاوي .
• عدد الكم المغناطيسي والذى يرمز له بالرمز m ويأخذ أى قيمة صحيحة في المدى $-l\leq m\leq l$ . ويحدد هذا الرقم إزاحة الطاقة للمدار الذري تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي ( ظاهرة زيمان ) .

العزم المغناطيسي الحقيقي لدى القطبين للإلكترون في مدار ذري ليس نتيجة لعزم الإلكترون الزاوي فقط ، ولكن أيضا من لف الإلكترون ، والذى يعبر عنه بعدد الكم اللفي . عدد الكم اللفي خاصية حيوية للإلكترون ولا تعتمد على الأرقام الأخرى . ويرمز لها بالرمز s وتأخذ فقط القيم +1/2 أو -1/2 ( أحيانا يرجع لها على أنها الدوران لأعلى أوأسفل )

 الأغلفة وتحت الأغلفة "المدارات أو الأوربيتالات"

الحالات التى لها نفس قيم n متناسبة ويقال أنها تشغل نفس الغلاف الإلكتروني . الحالات التى لها نفس قيم n و l تكون متناسبة اكثر ، ويقال أنها تقع في نفس تحت-غلاف الإلكتروني . ولو أن الحالات تتشابه أيضا في قيم m فيقال أن لها نفس المدار الذري . ونظرا لأن الإلكترون له حالتان فقط للدوران ، فإن الأوربيتال الذري لا يمكن ان يحتوى على أكثر من 2 إلكترون ( مبدأ الإستبعاد لباولي ) .

ولوهلة فإن الغلاف n=1 يمتلك تحت غلاف s فقط ويمكن له أن يأخذ 2 إلكترون ، بينما الغلاف n=2 له تحت غلاف s و p ويمكن أن يأخذ 8 إلكترونات ، n=3 له تحت غلاف s و p و d ويمكن أن يأخذ 18 إلكترون . وهكذا . ويمكن أن يلاحظ أن السعة النهائية لأى تحت-غلاف هى 2l+1 ولغلاف $2n^{2}$ .

 مثال تطبيقي

التوزيع الإلكتروني للغلاف الخامس :

الغلاف	تحت-غلاف	المدار		الإلكترونات
n = 5	l = 0	m = 0	→ 1 أوربيتال من النوع s	→ max 2 electrons
	l = 1	m = -1, 0, +1	→ 3 أوربيتال من النوع p	→ max 6 electrons
	l = 2	m = -2, -1, 0, +1, +2	→ 5 أوربيتال من النوع d	→ max 10 electrons
	l = 3	m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3	→ 7 أوربيتال من النوع f	→ max 14 electrons
	l = 4	m = -4, -3 -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4	→ 9 أوربيتال من النوع g	→ max 18 electrons
				المجموع 50 إلكترون كحد أقصي

ويمكن كتابة هذه المعلومات كالتالي :$5s^{2}{\mbox{ }}5p^{6}{\mbox{ }}5d^{10}{\mbox{ }}5f^{14}{\mbox{ }}5g^{18}$ ( راجع بالاسفل لمعرفة نظام الكتابة )

تحت الأغلفة s,p,d,f ناتجة من ترتيب خطوط الطيف كالتالي : "حاد sharp" ، "أساسي principal" ، "مشوش diffuse" ، "أصلي fundamental" ، بناءا على تركيبهم الدقيق . فعندما تم وصف أول أربعة أنواع للمدارات ، كانوا تابعين لأسماء الخطوط ، ولم يكن لهم أسماء . أما g فتم تسميته طبقا للترتيب الأبجدي الإنجليزى . الأغلفة التى لها أكثر من 5 تحت-غلاف غير ممكنة نظريا ، حيث أن 5 تحت-اغلفة تغطى كل العناصر المكتشفة .

 نظام الكتابة

يستخدم الفيزيائيون والكيميائيون نظام قياسي لكتابة التركيب الإلكتروني . وفى هذا النظام يتم كتابة مختصر لإسماء العناصر والمدرات التى يحتويها بترتيب زيادة الطاقة . وكل تحت-غلاف "مدار" يتم وصفه بعدد الإلكترونات التى يتحتويها .

ولبرهه ، فإن الحالة الأرضية للهيدروجين بها إلكترون وحيد في تحت-الغلاف s للغلاف الأول ، وعلى هذا فإن تركيبه يكتب كالتالي : $1s^{1}$ . الليثيوم يوجد به 2 إلكترون في تحت الغلاف 1s وإلكترون في 2s الأعلى طاقة وبذلك تكون تركيب حالته الأرضية يكون $1s^{2}2s^{1}$ . الفسفور ( الرقم الذري 15 ) يكون كالتالي : $1s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{3}$ .

وللذرات التى بها إلكترونات عديدة ، فإن هذا النظام لكتابة تركيبها الإلكتروني يكون أطول . ويتم إختصارها غالبا طبقا لأقرب غاز نبيل مماثل للمدارات الأولى الموجودة بالعنصر . فمثلا : يختلف الفوسفور عن النيون ($1s^{2}2s^{2}2p^{6}$) بوجود المدار n=3 ، وعلى هذا فإنه يتم تجاهل التوزيع الإلكتروني للنيون ويكتب التوزيع الإلكتروني للفسفور كالتالي : [Ne]$3s^{2}3p^{3}$.

كما أن هناك نظام أكثر سهولة لكتابة التوزيع الإلكتروني بكتابة عدد الإلكترونات لكل غلاف كالتالي ( الفسفور ) : 2-8-5 .

 قاعدة أوف باو

فى الحالة الأرضية للذرة ( الحالة التى توجد عليها بطبيعتها ) يتبع التوزيع الإلكتروني قاعدة أوف باو . وطبقا لهذه القاعدة تدخل الإلكترونات في مستويات الطاقة الفرعية ذات الطاقة المخفضة أولا ثم تملأ الأعلى منها بعد ذلك ، والترتيب الذى يتم ملئ المستويات الفرعية به كالتالي :

	$s$	$p$	$d$	$f$	$g$
1	1
2	2	3
3	4	5	7
4	6	8	10	13
5	9	11	14	17	21
6	12	15	18	22
7	16	19	23
8	20	24

زوج الإلكترونات الذى نفس الدوران يكون له طاقة أقل من زوج الإلكترونات الذى له دوران متعاكس . وحيث أن زوج الإلكترونات في نفس المدار يجب أن يكون لهما دوران متعاكس ، فإن هذا يجعل الإلكترونات تفضل ملئ مدارات مختلفة فرادى على أن تتواجد كزوج في نفس المدار . وهذه الأفضلية توضح نفسها لو أن هناك مستوى فرعي له l>0 ( مستوى فرعي به أكثر من مدار ) أقل من الممتلئ ، فمثلا ، لو أن المستوى الفرعي p به 4 إلكترونات ، فإن 2 إلكترون سيجبروا أن يشغلوا مدار واحد ، و 2 إلكترون سيشغلوا 2 مدار ، وسيكون دورانهم متساوي . أى أنه لا يتم ملئ مدارات اى مستوى فرعي بأزواج الإلكترونات إلا بعد ملئ مدارته المستقلة فرادى أولا ، ويطلق على هذه الظاهرة قاعدة هوند .

ويمكن تطبيق قاعدة اوف باو ، في الشكل المعدل ، للبروتون والنيترون في نواة الذرة . ( شاهد نموذج الغلاف للفيزياء النووية ).

 إستثناءات قاعدة أوف باو

المستوى الفرعي d النصف ممتليء أو الممتليء ( أى به 5 أو 10 إلكترونات ) يكون أكثر ثباتا من المستوى الفرعي s التالي له . فمثلا النحاس ( عدد ذري 29 ) له التوزيع [Ar]$4s^{1}{\mbox{ }}3d^{10}$, وليس [Ar]$4s^{2}{\mbox{ }}3d^{9}$ ، كما قد يتوقع طبقا لقاعدة أوف باو . وبالمثل الكروم ( عدد ذري 24 ) له التوزيع [Ar]$4s^{1}{\mbox{ }}3d^{5}$, وليس [Ar]$4s^{2}{\mbox{ }}3d^{4}$ .

العنصر	Z	التوزيع الإلكتروني
Tin	22	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{2}$
Vanadium	23	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{3}$
Chromium	24	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}$ $4s^{1}{\mbox{ }}3d^{5}$
Manganese	25	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{5}$
Iron	26	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{6}$
Cobalt	27	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{7}$
Nickel	28	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{8}$
Copper	29	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}$ $4s^{1}{\mbox{ }}3d^{10}$
Zinc	30	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{10}$
Gallium	31	$1s^{2}{\mbox{ }}2s^{2}{\mbox{ }}2p^{6}{\mbox{ }}3s^{2}{\mbox{ }}3p^{6}{\mbox{ }}4s^{2}{\mbox{ }}3d^{10}{\mbox{ }}4p^{1}$

حيث Z = العدد الذري .

 العلاقة بين التوزيع الإلكتروني وتكوين الجدول الدوري

المقالة الرئيسية

التوزيع الإلكتروني متناسب مع تركيب الجدول الدوري . الخواص الكيميائية للذرية تعتمد بشدة على ترتيب الإلكترونات في غلافها الخارجي ( بالرغم من وجود عوامل أخرى مثل نصف القطر الذري ، الكتلة الذرية ، ومدى سهولة الوصول للحالات الإلكترونية يساهم أيضا في كيمياء العناصر بزيادة الحجم الذري )

 التوزيع الإلكتروني في الجزيئات

فى الجزيئات ، يصبح الموقف أكثر تعقيدا ، نظرا لأن كل جزيء له تركيب مداري مختلف . شاهد مدار جزيئي و الإندماج الخطي للمدارات الجزيئية كمقدمة ، الكيمياء الحسابية لمزيد من التفاصيل .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التوزيع الإلكتروني في المواد الصلبة

فى المادة الصلبة ، يكون التوزيع الإلكتروني متغير كثيرا . فلا يوجد في حالة منفصلة ولكن يختلط مع النطاقات المستمرة للحالات ( نطاق إلكتروني ) . وتصور التوزيع الإلكتروني الثابت قد توقف ، وتم إستخدام ما يسمى بنظرية النطاق .

 شاهد أيضا

• جدول التوزيع الإلكتروني
• الجدول الدوري (التوزيع الإلكتروني)
• مدار ذري
• مستوى طاقة
• الرموز الجزيئية
• المدار الجزيئي الأعلى المشغول/المدار الجزيئي الأدنى الغير مشغول

 المصادر

• ويكيبيديا الإنجليزية .