قواعد التركيب الإلكتروني

يتواجد إلكترون ذرة الهيدروجين المستقرة، في أقل مستوى ممكن للطاقة، حيث يتواجد في الفلك (1s)، ولكن كيف تتوزع الإلكترونات للذرات الأكثر تعقيداً، مثل ذرة الذهب Au التي تملك (79 إلكتروناً)؟ لمعرفة كيفية توزيع الإلكترونات في تلك الذرات تعرّف على القواعد الآتية:

1. قاعدة باولي (مبدأ الاستبعاد).
2. قاعدة أوفباو (مبدأ البناء التصاعدي).
3. قاعدة هوند (التمثيل الفلكي).

وبناءً على هذه القاعدة يتحدد عدد الإلكترونات في أي فلك بإلكترونين فقط، ويشترط أن يتعاكس الإلكترونان في اتجاه غزلهما.

تمرين (14): كيف يتعارض وجود ثلاثة إلكترونات في الفلك $2p_x$ مع قاعدة باولي؟

وحيث إن مبدأ باولي حدد السعة القصوى للفلك الواحد بإلكترونين فقط، فإنك تستطيع تحديد السعة القصوى من الإلكترونات للمستويات الفرعية، بناءً على معرفتك لعدد الأفلاك لكل منها، كما في الجدول (2-1).

جدول (2-1): عدد الإلكترونات في مستويات الطاقة الفرعية والمستويات الرئيسة الأربعة الأولى

تمرين (15): اعتماداً على الجدول (2-1) أجب عما يأتي:

1. ما علاقة عدد المستويات الفرعية في المستوى الرئيس والعدد الكمي للمستوى الرئيس؟
2. ما العلاقة الرياضية بين عدد الأفلاك الكلية في المستوى والعدد الكمي للمستوى الرئيس؟
3. ما العلاقة الرياضية بين أقصى عدد للإلكترونات في المستوى الرئيس والعدد الكمي للمستوى الرئيس؟
4. ما العلاقة الرياضية بين أقصى عدد للإلكترونات في المستوى الفرعي وقيمة العدد الكمي الفرعي له؟

ويوضح الشكل (12-1) الترتيب التصاعدي لمستويات الطاقة الفرعية المختلفة في الذرة.

مثال (11): رتب المستويات الفرعية الآتية في ذرة ما حسب الطاقة: 3s، 4s، 3d، 2s، 3p. الحل: 3d > 4s > 3p > 3s > 2s

تمرين (16): رتب المستويات الفرعية الآتية في ذرة ما حسب الطاقة: 5s، 3d، 4s، 4f، 5p.

وعند توزيع الإلكترونات على مجموعات الأفلاك (المستويات الفرعية) في ذرة ما، يجب مراعاة ما يأتي:

1. البدء بتوزيع الإلكترونات على مستويات الطاقة الفرعية من المستوى الأقل طاقة فالأعلى حسب الترتيب الآتي:

   1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < . . .

2. مراعاة السعة القصوى من الإلكترونات لكل مستوى فرعي.
3. أن لا يقل عدد الإلكترونات الموزعة للذرة المتعادلة أو يزيد عن عددها الذري.
4. مراعاة بعض الحالات الخاصة، التي ينتهي فيها التركيب الإلكتروني للذرة بـ $d^4 (n-1)$ أو $d^9 (n-1)$ حيث يتم نقل إلكترون واحد من ns إلى (n-1) d ليصبح $d^5$ (نصف ممتلئ) أو $d^{10}$ (ممتلئ)، فتصبح الذرة أكثر ثباتاً.

مثال (12): اكتب التركيب الإلكتروني لكل من ذرات العناصر الآتية: $B_5, Ne_{10}, Cl_{17}, Ca_{20}, Fe_{26}, Cr_{24}, Cu_{29}$. الحل:

تمرين (17): اكتب التركيب الإلكتروني لكل من الذرات الآتية: $F_9, Mg_{12}, Sc_{21}, Mo_{42}$.

ويمكن كتابة التركيب الإلكتروني للذرة، بدلالة العنصر النبيل، الذي يسبقه في الجدول الدوري مباشرة، وتتميز العناصر النبيلة بأن جميع مستويات الطاقة المعبأة فيها ممتلئة تماماً بالإلكترونات، وتقع في العمود الأخير من الجدول الدوري للعناصر.

مثال (13): اكتب التركيب الإلكتروني لكل من ذرات العناصر الآتية بدلالة العنصر النبيل:

تمرين (18): اكتب التركيب الإلكتروني لكل من الذرات الواردة في مثال (12) بدلالة العنصر النبيل.

للتعرف على قاعدة هوند قم بتنفيذ النشاط (1-4):

نشاط (1-4): قاعدة هوند والتمثيل الفلكي

لديك ذرة النيتروجين (N)، عددها الذري (7)، أجب عما يأتي:

1. اكتب التركيب الإلكتروني لذرة النيتروجين.
2. ما المستوى الفرعي الأخير في ذرة النيتروجين؟ وما عدد أفلاكه؟
3. يوضح الشكل (1-13) احتمالين لتوزيع إلكترونات ذرة النيتروجين، اكتب ثلاثة احتمالات أخرى ممكنة لتوزيع الإلكترونات.
4. أي الاحتمالات يمثل الحالة الأكثر ثباتاً؟ فسر ذلك.

N $\uparrow\downarrow$ $1s$ $\uparrow\downarrow$ $2s$ $\uparrow$ $2p_x$ $\uparrow$ $2p_y$ $\uparrow$ $2p_z$ N $\uparrow\downarrow$ $1s$ $\uparrow\downarrow$ $2s$ $\uparrow\downarrow$ $2p_x$ $\uparrow$ $2p_y$ $\uparrow$ $2p_z$

ويسمّى التمثيل الذي يوضح توزيع إلكترونات المستوى الفرعي على أفلاكه (التمثيل الفلكي).

ويستفاد من قاعدة هوند في تحديد التمثيل الفلكي للذرة، وتحديد عدد الإلكترونات المفردة، التي من خلالها نحدد الصفات المغناطيسية للذرة:

1. فإذا احتوت الذرة على إلكترون مفرد واحد أو أكثر، فإنها تملك صفة مغناطيسية، وتنجذب نحو المجال المغناطيسي الخارجي، وتسمى (ذرة بارامغناطيسية)، وتزداد الصفة البارامغناطيسية بزيادة عدد الإلكترونات المفردة.
2. أما إذا كانت جميع إلكترونات الذرة مزدوجة، فإنها لا تملك صفة مغناطيسية، وتسمى (ذرة دايامغناطيسية).

تمرين (19): في الذرات الآتية: $_{28}\text{Ni}, _5\text{B}, _{10}\text{Ne}$.

1. اكتب التركيب الإلكتروني لكل ذرة.
2. ارسم التمثيل الفلكي لمستوى التكافؤ في كل ذرة.
3. ما عدد الإلكترونات المفردة في كل ذرة؟
4. أي من الذرات السابقة تملك صفة بارامغناطيسية؟