ترتيب الإلكترونات
على مدار سنوات طويلة، تمّ تعريف الإلكترون كجُسَيْم. أيّ نُسِبَت إليه كتلة، شحنة كهربائيّة وصفات أخرى. لكن في القرن الماضي، اكتشف العلماء أنّ الإلكترون يتصرّف أحيانًا كموجة وليس كجُسَيْم. مثل أمواج البحر التي لها ارتفاع معيّن وتردُّد ظهور (دوريّة)، كذلك الإلكترون أيضًا، حيث أظهرَ في تجارب معيّنة صفات تشبه صفات الأمواج. في هذا الفصل، سنتعامل مع الإلكترون كجُسَيْم، ولن نُنسِب إليه صفات موجيّة. سيتمّ تعلُّم الصفات الموجيّة في المواضيع القادمة، بالأخصّ في الصفّ الثاني عشر. نعرِّف الإلكترون على النحو التالي: الإلكترون هو جُسَيْم له كتلة أصغر بألفَيّ ضعف تقريبًا من كتلة البروتون، وله شحنة كهربائيّة سالبة. لحساب الكتلة فيما بعد، نتجاهل كتلة الإلكترون. نفترض أنّها مساوية لـ 0، لأنّها صغيرة جدًا مقارنةً بكتلة البروتون أو النيوترون. تتواجد الإلكترونات حول النواة بمستويات الطاقة التي تُميّز الذرّة. مستويات الطاقة مكوّنة من أوربيتالات. في كلّ مستوى طاقة، يمكن أن تتواجد أنواع مختلفة من الأوربيتالات التي لها أشكال فراغيّة مختلفة. لن نوسّع الشرح في هذا الفصل عن الأوربيتالات التي تتواجد فيها الإلكترونات، لكن نذكر أنّ: الأوربيتال هو منطقة مُعيّنة في الذرّة، والتي من المحتمل أن نجد فيها إلكترونات. هناك أشكال مختلفة للأوربيتالات، بدءًا من الشكل الكرويّ وانتهاءً بأشكال معقّدة جدًا. نحصل على هذه الأشكال من خلال دوال رياضيّة معقّدة (يتمّ تعلمّ هذه الموادّ على المستوى الجامعيّ). عدد الإلكترونات في الذرّة المتعادلة، أيّ الذرّة التي لا تحمل شحنة كهربائيّة، مساوٍ لعدد البروتونات الموجودة في نواة هذه الذرّة. مثلًا:
لنظير المغنيسيوم المعطى 12 بروتونًا، لذلك لديه 12 إلكترونًا أيضًا وَ-13 نيوترونًا (عدد الكتلة 25 = 12 روتو بروتونًا بروتونًا + 13 نيوترونًا، كما تعلّمتا في الدرس السابق). الإلكترونات من حول النواة تتواجد في مستويات الطاقة التي تُميّز العنصر. لكلّ مستوى طاقة توجد قيمة طاقة مختلفة. فيما بعد، سنتعلّم أنّه يمكن الانتقال من مستوى واحد لآخر من خلال تغيُّرات الطاقة: استقبال طاقة أو إطلاق طاقة. كلّما كان الإلكترون أبعد عن النواة، سيتواجد في مستوى طاقة أعلى (طالما أنّه في داخل الذرّة). في هذا الفصل، سنتعلّم كيفيّة كتابة ترتيب الإلكترونات للذرّات والأيونات في مستويات الطاقة الرئيسيّة فقط، على الرغم من أنّه لكلّ مستوى طاقة توجد مستويات طاقة فرعيّة وأشكال أوربيتالات التي يتمّ تعبئة الإلكترونات فيها.
قواعد ترتيب الإلكترونات
- في كلّ مستوى طاقة، يمكن أن يدخل حتى 2n2 إلكترونات، حيث إنّ n هو رقم مستوى الطاقة.
رقم المستوى (n) عدد الإلكترونات الأقصى 1 2 2 8 3 18 4 32 5 50 6 72 7 98
- إذا كان المستوى الأوّل هو أيضًا المستوى الأخير، سيكون فيه إلكترونان على الأكثر.
- المستوى الخارجيّ، الأخير المعبّأ بالإلكترونات، يمكن أن يحتوي على 8-1 إلكترونات فقط.
- يجب تعبئة المستويات الإلكترونيّة بالقيَم 2، 8، 18، 32 ما عدا المستوى الخارجيّ (بحسب القاعدة 3)، مع استعمال القيمة الأكبر الممكنة ((لن ندخل في شرح معمّق حول سبب تحديد واختيار القيَم 2، 8، 18 وَ-32. نُشير فقط إلى أنّ الشرح مرتبط بترتيب الإلكترونات داخل المستويات الفرعيّة (المدارات) وقدرة تعبئتها. هذا الموضوع غير مطلوب لـ 5 وحدات في الكيمياء).
يبدو لكم معقّدًا؟ الأمر ليس كذلك بتاتًا… لنتمرّن على القواعد ونرى كيف تساعدنا.
أمثلة
لذرّة الهيدروجين عدد ذرّيّ واحد، أيّ أنّ لديها بروتونًا واحدًا. عندما تكون الذرّة متعادلة، أيّ غير مشحونة بشحنة كهربائيّة، عدد البروتونات فيها مساوٍ لعدد الإلكترونات، لذلك لديها إلكترون واحد.
H )1e‾
يُشير القوس إلى مستوى الطاقة الأوّل. وفيه يوجد لذرّة الهيدروجين إلكترون واحد.
هذا الإلكترون الوحيد لذرّة الهيدروجين يتواجد في مستوى الطاقة الأوّل.
لذرّة الليثيوم عدد ذرّيّ 3، أيّ أنّ لديها 3 بروتونات. عندما تكون الذرّة متعادلة، أيّ غير مشحونة بشحنة كهربائيّة، عدد البروتونات فيها مساوٍ لعدد الإلكترونات، لذلك لديها 3 إلكترونات.
Li )2e‾ )1e‾
يُشير القوس الأوّل إلى مستوى الطاقة الأوّل، والذي يمكن فيه تعبئة حتى إلكترونَين، بحسب القاعدة الأولى. نعبئ الإلكترون الثالث في مستوى الطاقة الثاني.
لذرّة النيون عدد ذرّيّ 10، أيّ أنّ لديها 10 بروتونات. عندما تكون الذرّة متعادلة، أيّ غير مشحونة بشحنة كهربائيّة، عدد البروتونات فيها مساوٍ لعدد الإلكترونات، لذلك لديها 10 إلكترونات.
Ne )2e‾ )8e‾
يُشير القوس الأوّل إلى مستوى الطاقة الأوّل، والذي يمكن فيه تعبئة حتى إلكترونَين، بحسب القاعدة الأولى. بقيَت 8 إلكترونات إضافيّة. سيتمّ تعبئة هذه الإلكترونات في مستوى الطاقة الثاني.
نفحص ما إذا كان ترتيب الإلكترونات ملائمًا للقواعد. القاعدة الأولى تنصّ على أنّ المستوى الثاني يمكن أن يتّسع حتى 8 إلكترونات. القاعدة الثالثة تنصّ على أنّ مستوى الطاقة الخارجيّ يمكن أن يتّسع حتى 8 إلكترونات. في حالة ذرّة النيون، المستوى الخارجيّ معبّأ بـ 8 إلكترونات.
لذرّة الصوديوم عدد ذرّيّ 11. لديها 11 إلكترونًا.
Na )2e‾ )8e‾ )1e‾
يُشير القوس الأوّل إلى مستوى الطاقة الأوّل، والذي يمكن فيه تعبئة حتى إلكترونَين، بحسب القاعدة الأولى. بقيَت 9 إلكترونات إضافيّة.
يتمّ تعبئة 8 إلكترونات في المستوى الثاني، لأنّ هذه سِعَته القصوى بحسب القاعدة 1. يتمّ تعبئة الإلكترون المتبقّي في المستوى الثالث.
لذرّة الكالسيوم عدد ذرّيّ 20. لديها 20 إلكترونًا.
Ca )2e‾ )8e‾ )8e‾ )2e‾
يُشير القوس الأوّل إلى مستوى الطاقة الأوّل، والذي يمكن فيه تعبئة حتى إلكترونَين، بحسب القاعدة الأولى. يتمّ تعبئة 8 إلكترونات في المستوى الثاني، لأنّ هذه سِعَته القصوى بحسب القاعدة 1. بقيّت لدينا 10 إلكترونات إضافيّة.
بحسب القاعدة 1، يمكن تعبئة حتى 18 إلكترونًا في المستوى الثالث. قد يبدو لنا أنّه يمكن تعبئة الإلكترونات على النحو التالي:
Ca )2e‾ )8e‾ )10e‾✗
لكن هذه التعبئة تتناقض مع القاعدة الثالثة، التي تنصّ على أنّ المستوى الخارجيّ يمكن أن يتّسع حتى 8 إلكترونات على الأكثر.
الترتيب التالي خطأ أيضًا. فهو يناقض القاعدة 4 (يجب تعبئة المستويات الإلكترونيّة بالقيَم 2، 8، 18، 32 ما عدا المستوى الخارجيّ (بحسب القاعدة 3)، مع استعمال القيمة الأكبر الممكنة).
Ca )2e‾ )8e‾ )9e‾✗ )1e‾
والآن، سنكتب الترتيب الصحيح وسنرى خطوةً تلو الأخرى، لماذا هذا هو ترتيب الإلكترونات الصحيح.
Ca )2e‾ )8e‾ )8e‾ )2e‾
في المستوى الأوّل، يمكن تعبئة حتى إلكترونَين. بقيَ 18 إلكترونًا إضافيًّا.
في المستوى الثاني، يمكن تعبئة 8 إلكترونات. بقيَت 10 إلكترونات إضافيّة.
نستعين الآن بالقاعدة 4: يجب تعبئة المستويات الإلكترونيّة بالقيَم 2، 8، 18، 32 ما عدا المستوى الخارجيّ (بحسب القاعدة 3)، مع استعمال القيمة الأكبر الممكنة.
القيمة الأكبر التي يمكن استعمالها من بين القيَم: 2، 8، 18، 32 والأصغر من 10 (الإلكترونات المتبقّية) هي 8. لذلك، ستكون في المستوى الثالث 8 إلكترونات (مسموح حتى 18). بقيَ إلكترونان، وسيتمّ تعبئتهما في المستوى الرابع.
لذرّة اليود عدد ذرّيّ 53. لديها 53 إلكترونًا.
I )2e‾ )8e‾ )18e‾ )18e‾ )7e‾
نعبئ في المستوى الأوّل إلكترونَين (هذا العدد الأقصى). بقيَ 51 إلكترونًا إضافيًّا.
في المستوى الثاني، نعبئ 8 إلكترونات (هذا العدد الأقصى). بقيَ 43 إلكترونًا إضافيًّا.
في المستوى الثالث، نعبئ 18 إلكترونًا (هذا العدد الأقصى). بقيَ 25 إلكترونًا إضافيًا.
المستوى الرابع يمكن أن يتّسع حتى 32 إلكترونًا (بحسب القاعدة 1)، لكن بقيَ 25 إلكترونًا فقط. القيمة الأكبر التي يمكن استعمالها من بين القيَم 2، 8، 18، 32 (بحسب القاعدة 4) هي 18. لذلك، سيتكون في المستوى الرابع 18 إلكترونًا.
بقيَت لدينا الآن 7 إلكترونات إضافيّة، وسيتمّ تعبئتها في المستوى الخامس.
لذرّة الراديوم عدد ذرّيّ 88. لديها 88 إلكترونًا.
Ra )2e‾ )8e‾ )18e‾ )32e‾ )18e‾ )8e‾ )2e‾
نعبئ في المستوى الأوّل إلكترونَين (هذا العدد الأقصى). بقيَ 86 إلكترونًا إضافيًّا.
في المستوى الثاني، نعبئ 8 إلكترونات (هذا العدد الأقصى). بقيَ 78 إلكترونًا إضافيًّا.
في المستوى الثالث، نعبئ 18 إلكترونًا (هذا العدد الأقصى). بقيَ 60 إلكترونًا إضافيًا
المستوى الرابع يمكن أن يتّسع حتى 32 إلكترونًا (هذا العدد الأقصى). بقيَ 28 إلكترونًا إضافيًا
المستوى الخامس يمكن أن يتّسع حتى 50 إلكترونًا. لكن لا يمكن تعبئة المستوى بـ 50 إلكترونًا، لأنّه بحسب القاعدة 4، يجب تعبئة المستويات الإلكترونيّة بالقيَم 2، 8، 18، 32 مع استعمال القيمة الأكبر الممكنة، ما عدا المستوى الخارجيّ، الذي يمكن أن يتّسع 8-1 إلكترونات. لذلك، بحسب القاعدة 4، في المستوى الخامس لعنصر الراديوم Ra، سيتمّ تعبئة 18 إلكترونًا. بقيَت 10 إلكترونات إضافيّة.
نستعين مرّة أخرى بالقاعدة 4: يجب تعبئة المستويات الإلكترونيّة بالقيَم 2، 8، 18، 32 ما عدا المستوى الخارجيّ (بحسب القاعدة 3)، مع استعمال القيمة الأكبر الممكنة.
القيمة الأكبر التي يمكن استعمالها (من بين القيَم: 2، 8، 18، 32) والأصغر من 10 (الإلكترونات المتبقّية) هي 8. لذلك، ستكون في المستوى السادس 8 إلكترونات (مسموح حتى 72). بقيَ إلكترونان، وسيتمّ تعبئتهما في المستوى السابع.