أنواع التوزيع الإلكتروني

الترتيب و التوزيع الإلكتروني

البحث عن التوزيع الإلكتروني، حيث تترتب الإلكترونات حول النواة في مجالات منتظمة تسمى مجالات الطاقة، وتشير مجالات الطاقة إلى المواقع المختلفة للإلكترونات في الذرة. يختلف طاقة الإلكترون على أساس قربه أو بعده من النواة، فالإلكترونات الموجودة في مجال الطاقة الأقرب للنواة لها طاقة أقل من الإلكترونات الموجودة في مجال الطاقة الأبعد عن النواة، والإلكترونات البعيدة لها طاقة عالية تمكنها من الابتعاد عن النواة التي تجذبها بقوة. تنشأ قوة جذب بين الإلكترون ذو الشحنة السالبة والنواة ذات الشحنة الموجبة، وتزداد هذه القوة كلما اقترب الإلكترون من النواة، وتقل كلما ابتعد عنها  .

توجد درجة تشبع للإلكترونات في كل مجال من مجالات الطاقة، وهذا يحدد ترتيب الإلكترونات حول النواة في تلك المجالات، فمثلا، المجال الأول يحتوي على إلكترونين واحد، والمجال الثاني يحتوي على ثمانية إلكترونات، والمجال الثالث يحتوي على ثمانية عشر إلكترونا، والمجال الرابع يحتوي على اثنين وثلاثين إلكترونا .

أنواع التوزيع الإلكتروني

يصف التكوين الإلكتروني لعنصر ما كيفية توزيع الإلكترونات في مداراته الذرية ، تتبع تكوينات الذرات الإلكترونية تدوينًا قياسيًا يتم فيه وضع جميع الأجزاء الفرعية الذرية المحتوية على الإلكترون (مع عدد الإلكترونات المكتوبة بخط مرتفع) في تسلسل، على سبيل المثال ، التكوين الإلكتروني للصوديوم هو 1s22s22p63s1.

تسمح لنا هيكلية الأنواع الذرية (المحايدة أو الأيونية) الإلكترونية بفهم شكلها وطاقتها الإلكترونية. يتم اعتماد العديد من القواعد العامة عند تحديد `موقع` الإلكترون في حالة الطاقة المستقبلية، ومع ذلك، تكون هذه التخصيصات استنادا إلى التقدير وغالبا ما يكون هناك عدم اليقين بشأن أي إلكترون يتم وصفه. يوفر معرفة هيكلية الأنواع الإلكترونية فهما أفضل لقدرتها على الترابط والمغناطيسية والخصائص الكيميائية الأخرى .

بشكل عام ، يتم استخدام تكوين الإلكترون لوصف مدارات الذرة في حالتها الأساسية ، ولكن يمكن أيضًا استخدامها لتمثيل الذرة التي تأينت إلى كاتيون أو أنيون عن طريق التعويض عن فقدان أو اكتساب الإلكترونات في المدارات ، يمكن ربط العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية للعناصر بتكويناتها الإلكترونية الفريدة ، إلكترونات التكافؤ ، الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي ، هي العامل المحدد للكيمياء الفريدة للعنصر.

قواعد التوزيع الإلكتروني

تشبه الطريقة التي نحدد بها التكوينات الإلكترونية للكاتيونات والأنيونات بشكل أساسي الطريقة التي نستخدمها في تحديد تكوينات الذرات المحايدة في حالتها الأساسية، حيث نتبع القواعد الثلاثة الأساسية: مبدأ أوفباو، ومبدأ استبعاد باولي، وقاعدة هاند.

• مبدأ Aufbau :  يجب أن تكون المدارات الذرية ممتلئة بالإلكترونات بشكل كامل قبل احتلال المدار المرتبط بمستوى طاقة أعلى ، وتحتل الإلكترونات المدارات بترتيب زيادة مستوى الطاقة المدارية.
• مبدأ استبعاد باولي: ينص على أنه من المستحيل أن تكون لإلكترون واحد قيمة متساوية في جميع الأعداد الكمية الأربعة، وبالتالي فإن كل جزء فرعي من المدار الإلكتروني يمكن أن يستوعب إلكترون واحد فقط في الحد الأقصى، ويجب أن يكون لكل إلكترون دوران متعاكس.
• قاعدة Hund الخاصة بالتعددية القصوى: يجب تشغيل جميع الأجزاء الفرعية في المدار بشكل منفرد قبل احتلال أي قشرة فرعية بشكل مضاعف، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون دوران جميع الإلكترونات في الأجزاء الفرعية المشغولة منفردا هو نفسه، لتحقيق أقصى قدر من الدوران الكلي.

التوزيع الإلكتروني المختصر

يمكن استخدام تدوين مختصر أو مكثف بدلا من الترميز القياسي. في التدوين المختصر، يتم استبدال الأجزاء الفرعية المملوءة بالكامل برمز الغاز النبيل المتوافق مع التكوين الإلكتروني بين قوسين مربعين. لذلك، التكوين الإلكتروني المختصر للصوديوم هو [Ne] 3s1، والتكوين الإلكتروني المختصر للنيون هو 1s22s22p6 ([He] 2s22p6). تكوينات الإلكترون لها أهمية في

• تحديد تكافؤ عنصر.
• يتم توقع خصائص مجموعة من العناصر (حيث تميل العناصر التي لها تركيب إلكتروني مشابه إلى إظهار خصائص مشابهة).
• تفسير الأطياف الذرية.
• تم بدء تطبيق هذا الترميز لتوزيع الإلكترونات في المدارات الذرية للذرات بعد وقت قصير من تقديم إرنست رذرفورد ونيلز بور لنموذج بور للذرة في عام 1913 .

شرح التوزيع الإلكتروني

تقومتوزيع الإلكترونات في غلاف الطاقة للذرة على مخطط Bohr-Bury، الذي يحدد الحد الأقصى لعدد الإلكترونات الممكن وجودها في غلاف الطاقة للذرة، وذلك بواسطة الصيغة 2n2، حيث n يمثل عدد الغلاف الطاقوي.

تم تقديم مجالات الطاقة K و L و M و N كأول أربع مجالات للطاقة من قبل بور، وبالتالي يتم تحديد الحد الأقصى لعدد الإلكترونات التي يمكن استيعابها في كل غلاف على النحو التالي:

• يتم توزيع الإلكترونات الثلاثة للعنصر عن طريق تشبع المستوى الأول من الطاقة بالإلكترونات، في حين يكون المستوى الثاني به إلكترون واحد فقط، وليس العكس .
• عند توزيع الإلكترونات في عنصر يحمل العدد الذري 11، يمتلئ المستوى الأول للطاقة بإلكترونين، ثم يمتلئ المستوى الثاني بثمانية إلكترونات، وأخيرًا يتم إضافة إلكترون واحد في المستوى الثالث للطاقة .
• يتشبع المجال الأول للطاقة في عنصر بعدده الذري 20 بإلكترونين، ثم المجال الثاني بثمانية إلكترونات، ثم المجال الثالث للطاقة بثمانية إلكترونات .
• في الذرات الصغيرة، عندما يزيد عدد الإلكترونات عن ثمانية، فإنها تتنافر مع بعضها، مما يؤدي إلى صعود الإلكترونات الزائدة عن ثمانية إلى مستويات طاقة أعلى، ويؤدي ذلك إلى ضعف جذب النواة للإلكترونات الزائدة، لأن عدد البروتونات صغير .
• الذرات الرصاصية الأكبر تحتوي على 82 بروتونًا، مما يسبب قوة جذب عالية تمكنها من جذب 18 إلكترونًا في نفس المستوى الطاقي، متغلبة بذلك على التنافر بينهم
• تتوزع الإلكترونات على الأجزاء الفرعية بناءً على عدد الكم السمتي (الذي يُرمز له باختصار `l`).
  يتم تحديد هذا الرقم الكمي بناءً على قيمة العدد الكمي الأساسي n. لذلك، عندما تكون قيمة n تساوي 4، يمكن أن تحتوي على أربعة أقسام فرعية مختلفة.
• عندما تساوي قيمة n 4، تتوافق الأجزاء الفرعية مع القيم l = 0 و l = 1 و l = 2 و l = 3 وتسمى على التوالي بالقطاعات الفرعية s و p و d و f.
• يتم تحديد الحد الأقصى لعدد الإلكترونات التي يمكن استيعابها بواسطة القشرة الفرعية بواسطة الصيغة 2 * (2l + 1).
• لذلك، يستطيع القطاعات الفرعية s و p و d و f استيعاب ما يصل إلى 2 و 6 و 10 و 14 إلكترونًا على التوالي كحد أقصى .

التوزيع الإلكتروني للعناصر

توصيف التركيب الإلكتروني لعنصر يشير إلى توزيع الإلكترونات في مداراته الذرية، يتم تدوين التركيب الإلكتروني للذرات بشكل قياسي يتضمن وضع جميع الجزيئات الفرعية التي تحتوي على الإلكترونات (مع عدد الإلكترونات المكتوبة بخط عال) بتسلسل محدد. على سبيل المثال، تركيب الصوديوم الإلكتروني هو 1s22s22p63s1، ومثال آخر لتوزيع الكلور  

الكلور يحتوي على عدد ذري يساوي 17، وبالتالي يتم توزيع الإلكترونات السبعة عشر فيه بالطريقة التالية:

• المجال الأول للطاقة  K إلكترون
• المجال الثاني للطاقة هو إلكترونات L – 8
• المجال الثالث للطاقة M – 7 إلكترونات

يمكن كتابتها على النحو التالي: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ أو Ne 3s²3p⁵ .

التوزيع الإلكتروني للايونات

الأيون هو ذرة أو مجموعة من الذرات التي تحمل شحنة كهربائية موجبة أو سالبة، ويسمى الأيونات الموجبة بالكاتيونات، والأيونات ذات الشحنة السالبة بالأنيونات. يتم تكوين الأيونات عن طريق إضافة الإلكترونات إلى الذرات أو الجزيئات المحايدة أو الأيونات الأخرى، أو إزالتها منها، وذلك عن طريق اندماج الأيونات مع الجسيمات الأخرى أو عن طريق تفكك الرابطة التساهمية بين ذرتين. وللأمثلة على هذه العمليات: تفاعل ذرة الصوديوم مع ذرة الكلور لتكوين كاتيون الصوديوم وأنيون الكلوريد، وإضافة كاتيون الهيدروجين إلى جزيء الأمونيا لتكوين كاتيون الأمونيوم، وتفكك جزيء الماء لتكوين كاتيون الهيدروجين وأنيون الهيدروكسيد.

 على سبيل المثال، تكوين الإلكترونات للكالسيوم (Z = 20) في الحالة الأرضية هو 1s22s22p63s23p64s2، ومع ذلك، فإن أيون الكالسيوم (Ca2 +) يحتوي على عدد أقل من الإلكترونات. بالتالي، تكوين الإلكترونات لـ Ca2 + هو 1s22s22p63s23p6، حيث نحتاج إلى إزالة الإلكترونات أولا. نبدأ بإزالة الإلكترونات من الغلاف الخارجي (n = 4)، في هذه الحالة، تصبح جميع أوراق العنصر الفرعي 4p فارغة. ثم نقوم بإزالة الإلكترونات من المدار s، وهو المدار 4s. تكوين الإلكترونات لـ Ca2 + هو نفسه كتكوين الأرجون الذي يحتوي على 18 إلكترونا. بالتالي، يمكننا أن نقول أنهما متساويان في الهيكل الإلكتروني ولهما نفس عدد النيوترونات.