كيف تكتب التوزيع الإلكتروني خطوة بخطوة

ماذا يعني الترميز

لكل جزء من التوزيع ثلاثة مكونات. ففي 2p⁴، العدد 2 هو الغلاف (مستوى الطاقة الرئيسي)، والحرف p هو نوع الغلاف الفرعي، والأس 4 هو عدد الإلكترونات في ذلك الغلاف الفرعي. وتجمع الأسس دائماً العدد الكلي للإلكترونات، الذي يساوي في الذرة المتعادلة العدد الذري.

هناك أربعة أنواع من الأغلفة الفرعية، لكل منها سعة ثابتة: يتسع s لإلكترونين (أوربيتال واحد)، وp لـ 6 (3 أوربيتالات)، وd لـ 10 (5 أوربيتالات)، وf لـ 14 (7 أوربيتالات). ويتسع كل أوربيتال لإلكترونين على الأكثر.

ترتيب البناء التصاعدي

تملأ الإلكترونات الأغلفة الفرعية الأدنى طاقة أولاً. وهذا هو مبدأ البناء التصاعدي (aufbau)، من الكلمة الألمانية التي تعني «البناء». وترتيب الملء هو 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p.

لاحظ أن 4s يمتلئ قبل 3d، وأن 6s يمتلئ قبل 4f. وتفسّر قاعدة n + l ذلك: اجمع رقم الغلاف n مع l (0 للغلاف s، و1 لـ p، و2 لـ d، و3 لـ f) واملأ من أدنى مجموع صعوداً؛ وعند التساوي يمتلئ الأصغر n أولاً. ويرسم كثير من الطلاب بدلاً من ذلك مخططاً قطرياً للأغلفة الفرعية ويتبعون الأسهم.

ويُظهر الجدول الدوري الترتيب نفسه: فعبر دورة تمرّ بالفئة s (المجموعتان 1–2)، ثم الفئة d (المجموعات 3–12، بغلاف أدنى)، ثم الفئة p (المجموعات 13–18)، وتتخلل الفئة f (بغلافين أدنى) الدورتين 6 و7.

مثال محلول: الأكسجين

العدد الذري للأكسجين 8، لذا فعليه وضع 8 إلكترونات. ضع 2 في 1s (يبقى 6)، ثم 2 في 2s (يبقى 4)، ثم الأربعة الأخيرة في 2p، الذي يتسع لما يصل إلى 6. والنتيجة 1s² 2s² 2p⁴. تحقق: 2 + 2 + 4 = 8.

أعلى غلاف هو 2، وفيه 2 + 4 = 6 إلكترونات، لذا فللأكسجين 6 إلكترونات تكافؤ. وداخل الغلاف الفرعي 2p، تنص قاعدة هوند على أن الإلكترونات تشغل أوربيتالات p الثلاثة فرادى قبل أن تقترن، لذا ففي ذرة الأكسجين إلكترونان غير مقترنين.

مثال محلول: الحديد

العدد الذري للحديد 26، لذا فله 26 إلكتروناً. املأ بترتيب البناء التصاعدي: 1s² (وُضع 2)، 2s² (4)، 2p⁶ (10)، 3s² (12)، 3p⁶ (18)، 4s² (20)، وتدخل الستة المتبقية في 3d. والتوزيع الكامل هو 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶.

تسرد كتب كثيرة، وهذا الموقع، الأغلفة الفرعية بدلاً من ذلك بترتيب رقم الغلاف: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². وكلاهما يصف الذرة نفسها. وعندما يكوّن الحديد أيونات يفقد إلكترونات 4s أولاً، لذا فإن Fe²⁺ هو [Ar] 3d⁶ وFe³⁺ هو [Ar] 3d⁵.

الاختصار بالغاز النبيل

كتابة كل غلاف فرعي تطول في الذرات الثقيلة، لذا يستبدل الكيميائيون الإلكترونات الداخلية برمز الغاز النبيل السابق بين قوسين معقوفين. فـ [He] يمثّل 1s²، و[Ne] يمثّل 1s² 2s² 2p⁶، و[Ar] يمثّل 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶. والقلوب الأثقل هي [Kr] (36 إلكتروناً) و[Xe] (54) و[Rn] (86).

ولاستخدامه، اكتب الغاز النبيل السابق بين قوسين وأضف فقط الإلكترونات التي تأتي بعده. فيصبح الأكسجين [He] 2s² 2p⁴، ويصبح الصوديوم [Ne] 3s¹، ويصبح الحديد [Ar] 3d⁶ 4s².

الاستثناءات: الكروم والنحاس

هناك عناصر قليلة لا تتبع ترتيب البناء التصاعدي بدقة. فالكروم (24 إلكتروناً) يُتوقع أن يكون [Ar] 3d⁴ 4s²، لكن توزيعه الفعلي هو [Ar] 3d⁵ 4s¹. والنحاس (29 إلكتروناً) يُتوقع أن يكون [Ar] 3d⁹ 4s²، لكنه في الواقع [Ar] 3d¹⁰ 4s¹.

في الحالتين ينتقل إلكترون 4s واحد إلى 3d. فالغلافان الفرعيان 4s و3d متقاربان جداً في الطاقة، والغلاف الفرعي d نصف الممتلئ (d⁵) أو الممتلئ تماماً (d¹⁰) مستقر بشكل خاص. وتتصرف بعض العناصر الأثقل بالطريقة نفسها: فالموليبدينوم هو [Kr] 4d⁵ 5s¹، والفضة [Kr] 4d¹⁰ 5s¹، والذهب [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. ويوجد نحو 20 عنصراً في الفئتين d وf لها توزيعات غير منتظمة، لذا راجع جدولاً موثوقاً للعناصر الأثقل.