بحث شامل عن التوزيع الالكترونى للذرات

التوزيع الالكترونى للذرات




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

لماذا التوزيع الإلكتروني
تصور التوزيع الإلكتروني تم توقعه بناءا على ثلاث حقائق :

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 .

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 .

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

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 الثانوى والذى يرمز له بالرمز i
ويأخذ أى قيمة عدد صحيح في المدى التوزيع
الالكترونى للذرات


. . ويحدد عزم المدار الزاوي .
عدد الكم المغناطيسي والذى يرمز له بالرمز m
ويأخذ أى قيمة صحيحة في المدى التوزيع الالكترونى للذرات



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 المغزلى .
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 وi
تكون متناسبة أكثر ، 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 2n2 .

مثال تطبيقي

التوزيع الإلكتروني للغلاف الخامس :



ويمكن كتابة هذه المعلومات كالتالي :
5s2 5p6 5d10 5f14 5g18
( 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 : 1s1 . الليثيوم يوجد به 2 إلكترون
في تحت الغلاف 1s وإلكترون في 2s الأعلى طاقة
وبذلك تكون تركيب حالته الأرضية يكون1s22s1
. الفسفور ( الرقم الذري 15 ) يكون كالتالي :
1s22s22p63s23p3.
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 (1s22s22p6)
بوجود المدار n=3 ، وعلى هذا فإنه يتم تجاهل التوزيع
الإلكتروني للنيون ويكتب التوزيع الإلكتروني للفسفور كالتالي : [Ne]3s23p3.
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 :




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 i>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 ،
للبروتونوالنيترون في نواة الذرة . ( شاهد نموذج الغلافللفيزياء 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]4s1 3d10,
وليس [Ar]4s2 3d9 ، كما قد يتوقع طبقا لقاعدة أوف باو
. وبالمثل الكروم ( عدد ذري 24 )
له التوزيع [Ar]4s1 3d5, وليس Ar]4s2 3d4.



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 استخدام ما يسمى بنظرية النطاق .

بارك الله بك غاليتي
شكرا لك على المجهود القيم
تحيتي لك