توزيع إلكتروني
فى الفيزياء الذرية ، التوزيع الإلكتروني هوترتيب الإلكترونات في الذرة ، الجزيء ، أوأى جسم أخر . وبالتحديد هومكان تواجد الإلكترونات في المدارات الذرية والجزيئية أوأى شكل من أشكال المدارات الإلكترونية .
لماذا التوزيع الإلكتروني
تصور التوزيع الإلكتروني تم تسقطه بناءا على ثلاث حقائق :
- في الفراغ الضيق للذرة أوالجزيء ، فإن طاقة وخواص الإلكترون الأخرى تكون محددة كميا ، أومقيدة لحالة محددة . وهذه الحالات يتم تعيينها بالمدارات الإلكترونية . وكل حالة بصفة عامة لها طاقة مختلفة عن أى حالة أخرى .
- الإلكترونات هى فيرميونات وعلى هذا فهى تقع تحت مبدأ الإستبعاد لباولي ، والذى ينص على أنه لا يمكن لإثنين من الفيرميونات حتى 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 .
- حالة الإلكترون تكون غير مستقرة لوأنه 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 . ولوتم هجره في حالة إتزان ، فسوفقد يكون له دائما هذا التوزيع ( يطلق عليه الحالة الأرضية ) ، وهذا بالرغم من حتى الإلكترونات قد تكون مثارة مؤقتا لأى توزيع أخر .
ويتم تحديد التوزيع الإلكتروني لأى نظام بمداراته وعدد الإلكترونات الموجودة فيه . ولوهناك من يريد إستنتاج هذا التوزيع ، فيجب فهم المدارات . وهذا سهل نسبيا للهيدروجين ، ولكنه معقد للذرات الأخرى ، وأكثر تعقيدا في حالة الجزيئات .
التوزيع الإلكتروني في الذرات
تعتمد المناقشة التالية على تواجد فهم ببعض المواد المشروحة في منطقة 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 الموضوعة )
- عدد الكم الرئيسي والذى يرمز له بالرمز n ويأخذ قيمة أى عدد سليم أكبر من أويساوي 1 . ويمثل الطاقة النهائية للمدار ، وبعده عن النواة .
- عدد الكم السمتي والذى يرمز له بالمز l ويأخذ أى قيمة عدد سليم في المدى . . ويحدد عزم المدار الزاوي .
- عدد الكم المغناطيسي والذى يرمز له بالرمز m ويأخذ أى قيمة سليمة في المدى
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 أوالأوربيتالات"
الحالات التى لها نفس قيم n متناسبة وينطق أنها تشغل نفس الغلاف الإلكتروني . الحالات التى لها نفس قيم n وl تكون متناسبة اكثر ، وينطق أنها تقع في نفس تحت-غلاف الإلكتروني . ولوحتى الحالات تتشابه أيضا في قيم m فينطق حتى 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 حتى يأخذ 2 إلكترون ، بينما الغلاف n=2 له تحت غلاف s وp ويمكن حتى يأخذثمانية إلكترونات ، n=3 له تحت غلاف s وp وd ويمكن حتى يأخذ 18 إلكترون . إلى غير ذلك . ويمكن حتى يلاحظ حتى السعة النهائية لأى تحت-غلاف هى 2l+1 ولغلاف .
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 | → ثلاثة أوربيتال من النوع p | → maxستة electrons | |
| l = 2 | m = -2, -1, 0, +1, +2 | →خمسة أوربيتال من النوع d | → maxعشرة electrons | |
| l = 3 | m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 | →سبعة أوربيتال من النوع f | → max 14 electrons | |
| l = 4 | m = -4, -3 -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4 | →تسعة أوربيتال من النوع g | → max 18 electrons | |
| المجموع 50 إلكترون كحد أقصي |
ويمكن كتابة هذه المعلومات كالتالي : ( راجع بالاسفل لفهم نظام الكتابة )
تحت الأغلفة s,p,d,f ناتجة من ترتيب خطوط الطيف كالتالي : "حاد sharp" ، "أساسي principal" ، "مشوش diffuse" ، "أصلي fundamental" ، بناءا على هجريبهم 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 منخمسة تحت-غلاف غير ممكنة نظريا ، حيث حتىخمسة تحت-اغلفة تغطى جميع العناصر المكتشفة .
نظام الكتابة
يستخدم الفيزيائيون والكيميائيون نظام قياسي لكتابة الهجريب 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 هجريبه يخط كالتالي :
وللذرات التى بها إلكترونات عديدة ، فإن هذا النظام لكتابة هجريبها الإلكترونيقد يكون أطول . ويتم إختصارها غالبا طبقا لأقرب غاز نبيل مماثل للمدارات الأولى الموجودة بالعنصر . فمثلا : يختلف الفوسفور عن النيون () بوجود المدار n=3 ، وعلى هذا فإنه يتم تجاهل التوزيع الإلكتروني للنيون ويخط التوزيع الإلكتروني للفسفور كالتالي : [Ne].
كما حتى 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 :
| 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 الدورانقد يكون له طاقة أقل من زوج الإلكترونات الذى له دوران متعاكس . وحيث حتى زوج الإلكترونات في نفس المدار يجب حتىقد يكون لهما دوران متعاكس ، فإن هذا يجعل الإلكترونات تفضل ملئ مدارات مختلفة فرادى على حتى تتواجد كزوج في نفس المدار . وهذه الأفضلية توضح نفسها لوحتى هناك مستوى فرعي له l>0 ( مستوى فرعي به أكثر من مدار ) أقل من الممتلئ ، فمثلا ، لوحتى المستوى الفرعي p به أربعة إلكترونات ، فإن 2 إلكترون سيجبروا حتى يشغلوا مدار واحد ، و2 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 أوالممتليء ( أى بهخمسة أوعشرة إلكترونات )قد يكون أكثر ثباتا من المستوى الفرعي s التالي له . فمثلا النحاس ( عدد ذري 29 ) له التوزيع [Ar]
| العنصر | Z | التوزيع الإلكتروني |
| Tin | 22 | |
| Vanadium | 23 | |
| Chromium | 24 | |
| Manganese | 25 | |
| Iron | 26 | |
| Cobalt | 27 | |
| Nickel | 28 | |
| Copper | 29 | |
| Zinc | 30 | |
| Gallium | 31 |
حيث Z = العدد الذري .
العلاقة بين التوزيع الإلكتروني وتكوين الجدول الدوري
الموضوعة الرئيسية
التوزيع الإلكتروني متناسب مع هجريب 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 جميع جزيء له هجريب مداري مختلف . شاهد مدار جزيئي والإندماج الخطي للمدارات الجزيئية كمقدمة ، الكيمياء الحسابية لمزيد من التفاصيل .
التوزيع الإلكتروني في المواد الصلبة
فى المادة الصلبة ،قد 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 .
