استثناءات قاعدة اوفباو

الترتيب الإلكتروني للعناصر هو الطريقة التي يتم بها توزيع الإلكترونات داخل المسارات الطاقوية المختلفة في الذرة، وتستخدم ثلاث قواعد لتوزيع الإلكترونات، بما في ذلك قاعدة هوند وقاعدة الاستبعاد لباولي وقاعدة أوف باو، والتي تعرف أيضا باسم مبدأ البناء التصاعدي وتعتبر القاعدة الأساسية لتوزيع الإلكترونات .

تاريخ مبدأ البناء التصاعدي (قاعدة أوف باو )

تمت صياغة هذا المبدأ بواسطة العالم الألماني نيلز بور حوالي عام 1920م، ويعتبر تطبيقا لقوانين ميكانيكا الكم على خصائص الإلكترونات بناء على المجال الكهربائي الذي يتكون من الشحنات الموجبة في نواة الذرة والشحنات السالبة في الإلكترونات المرتبطة بالنواة .

نبذة عن العالم نيلز بور

العالم نيلز هنريك ديفيد بور هو فيزيائي دنماركي ، له مساهمات رئيسية في فهم تركيب الذرة ، وقد حصل بفضل أعماله على جائزة نوبل للفيزياء عام 1922م ، وقد اشتهر بتطوير نموذج بور للذرة ، والذي شرح فيه أن الإليكترونات تدور في مدارات للطاقة منفصلة ومستقرة حول النواة ، ولكنها تستطيع أن تنتقل من مستوى للطاقة إلى أخر .

في عام 2010، على الرغم من ظهور نماذج أخرى للذرة غير نموذج بور، إلا أن نموذج بور لا يزال صالحا للاستخدام. وقد أسس العالم بور معهد الفيزياء النظرية في جامعة كوبنهاجن، ويعرف الآن باسم معهد نيلز بور. كما تعاون بور مع مجموعة من أشهر علماء الفيزياء، بمن فيهم هانز كرامرز وأوسكار كلاين وجورج دي هافيسي. كما توقع بور وجود عنصر جديد بجانب العناصر التي كانت معروفة في وقته، وأطلق على هذا العنصر اسم الهافنيوم .

على الرغم من شهرة عالم الفيزياء بور، إلا أنه كان على وشك الاعتقال على يد النازيين الألمان، ونجح في الفرار إلى السويد، ثم هاجر إلى بريطانيا، حيث شارك في المشروع النووي البريطاني المعروف باسم “British Tube Alloys”، وتولى منصب الرئيس الأول لمعهد الفيزياء النظرية لدول الشمال عام 1957 .

ما هو مبدأ البناء التصاعدي (قاعدة أوف باو )

هي طريقة لملء مستويات الطاقة الفرعية بالإلكترونات، حيث يتم ملؤها بدءا من المستويات ذات الطاقة الأقل، ثم المستويات ذات الطاقة الأعلى، حيث يتم ملؤها بترتيب الفرعية s ثم p ثم d ثم f، وتحل المستويات الفرعية محل المستويات الرئيسية الخيالية حول نواة الذرة، وذلك بترتيب الطاقة من الأقل إلى الأعلى

1S

 2S 2P

3S 3P

4S 3d 4P

5S 4d 5P

6S 4F 5d 6P

7S 5F 6d 7p

من الملاحظ بالرغم من أن المستوى ثلاثي الأبعاد يقع في المستوى الثالث، إلا أنه يتبع المستوى 4s في الطاقة، وذلك لأنه يكون أعلى منه في الطاقة بناء على مبدأ التراكيب التصاعدية، وكذلك المستوى 4f و 5f .

يتم ملء كل مستوى من المستويات الفرعية بعدد محدد من الإلكترونات التي لا يمكن تجاوزها. المستوى s يحتوي على 2 إلكترون، لأنه يحتوي على 1 مدار، والمستوى p يحتوي على 6 إلكترونات لأنه يحتوي على 3 مدارات، والمستوى الفرعي d يحتوي على 10 إلكترونات، لأنه يحتوي على 5 مدارات، والمستوى الفرعي f يحتوي على 14 إلكترون، لأنه يحتوي على 7 مدارات  .

مثال للتوزيع الإليكتروني تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي :

توزيع الصوديوم

Na→ 1s² 2s²2p⁶3s¹  ₁₁

تكون الحالات الأكثر استقرارًا للذرة عندما يكون المستوى الفرعي في حالة امتلاء كامل أو نصف امتلاء .

على سبيل المثال إذا انتهى التوزيع الإليكتروني للعنصر ، في المستوى الفرعي d فإن الحالات الأكثر استقرار عندما يكون المستوى تام الامتلاء d¹⁰ أو في حالة نصف امتلاء d⁵ .

شواذ قاعدة أوف باو

يتم توزيع الإليكترونات في مستويات الطاقة تبعًا لقاعدة أوف باو كما ذكرنا سابقًا ، ولكن في بعض الحالات تختلف طريقة التوزيع عن القاعدة السابقة ، وذلك لأن الذرة تسعى للوصول لحالة الاستقرار ، فينتقل إليكترون من مستوى إلى مستوى أخر ليجعله يصل لحالة الامتلاء ، وهذا الإليكترون يسمى الإليكترون الحائر .

تشكل عناصر الكروم والنحاس استثناءً من هذه القاعدة، حيث تتميز جميع العناصر الموجودة في مجموعتهم بنفس الخاصية .

أولًا الكروم Cr₂₄

وفقا لمبدأ التركيب التصاعدي، يكون توزيعه الإلكتروني

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S²3d⁴

ولكن هذا التوزيع غير صحيح بالرغم من أنه يتبع مبدأ البناء التصاعدي ، أما التوزيع الصحيح فيكون بانتقال إليكترون من المستوى 4s إلى المستوى 3d ليصبح 3d⁵ ويصل لحالة نصف الامتلاء ،ويكون أكثر استقرارًا ، وبذلك يكون التوزيع الصحيح هو

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S¹3d⁵

ثانيًا عنصر النحاس  Cu₂₉

وفقًا لمبدأ البناء التصاعدي، سيكون التوزيع الإلكتروني كما هو موضح

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S²3d⁹

يشذ التوزيع الإلكتروني للنحاس عند انتقال إلكترون من المستوى الفرعي 4S إلى المستوى الفرعي 3d، ويصل المستوى الفرعي 3d إلى حالة الامتلاء التام التي تكون أكثر استقرارًا، ولكن هذا التوزيع غير صحيح .

فيكون التوزيع الصحيح لعنصر النحاس هو

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S¹3d¹⁰