حاسبة التوزيع الإلكتروني

النتائج

كيفية استخدام حاسبة التوزيع الإلكتروني

1. 1. اختر العنصر. اكتب الرمز (Fe) أو الاسم (iron) أو العدد الذرّي (26). لا يهم إن كانت الحروف كبيرة أم صغيرة.
2. 2. أضف الشحنة للأيون. اكتبها بعد الرمز، كما في Fe3+ أو Cl- أو O2-، أو استخدم خانة الشحنة المنفصلة.
3. 3. اقرأ التوزيعات. يُعرض التوزيع الكامل والتوزيع بالغاز النبيل بأسس علوية حقيقية، إلى جانب عدد الإلكترونات والإلكترونات المنفردة والمغناطيسية والغلاف الخارجي. فعّل الخيارات لكتابة المدارات الفرعية بترتيب الملء، أو لإظهار الجزء الخارجي فقط من المخطط.
4. 4. اقرأ مخطط المدارات. كل مربع يمثل مدارًا واحدًا، والأسهم تمثل الإلكترونات، وتُملأ المربعات وفق قاعدة هوند. الذرات التي بها إلكترونات منفردة بارامغناطيسية، أما التي ليس فيها أي إلكترون منفرد فهي ديامغناطيسية.

قواعد الملء

تصف ثلاثة مبادئ كيفية شغل الإلكترونات للمدارات. مبدأ البناء التصاعدي (Aufbau) يقول إن الإلكترونات تملأ أدنى مدار فرعي متاح من حيث الطاقة. مبدأ باولي للاستبعاد يقول إن المدار يتسع لإلكترونين كحد أقصى، بسبينين متعاكسين. قاعدة هوند تقول إن الإلكترونات تشغل مدارات المدار الفرعي الواحد تباعًا، بسبينات متوازية، قبل أن يحصل أي مدار على إلكترون ثانٍ.

تعطي قاعدة مادلونغ الترتيب المعتاد: تُملأ المدارات الفرعية بزيادة n + l، وعند التساوي بانخفاض n. وينتج عن ذلك التسلسل المألوف أدناه. يتسع المدار الفرعي لـ 2 إلكترون (s) أو 6 (p) أو 10 (d) أو 14 (f).

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

s 2, p 6, d 10, f 14

مثال تطبيقي: الحديد وأيوناته

لدى الحديد 26 إلكترونًا. يعطي الملء بالترتيب 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶، ويُكتب حسب الغلاف هكذا: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². وباستبدال قلب الأرغون 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ بالرمز [Ar] نحصل على الصيغة بالغاز النبيل [Ar] 3d⁶ 4s². في المدار الفرعي 3d تأخذ خمسة مدارات إلكترونًا واحدًا لكل منها، ثم يُزدوج أحدها، فيبقى 4 إلكترونات منفردة، لذا فالحديد بارامغناطيسي. غلافه الخارجي هو n = 4 وفيه إلكترونان.

يفقد الكاتيون إلكتروناته من الغلاف الخارجي أولًا، لذا يصبح Fe²⁺ هو [Ar] 3d⁶، ويصبح Fe³⁺ هو [Ar] 3d⁵، وهو مدار 3d نصف ممتلئ بخمسة إلكترونات منفردة. وهذا عكس ترتيب الملء، حيث تُملأ 4s قبل 3d، لأنه بوجود إلكترونات 3d يصبح المستوى 4s هو الأعلى طاقة.

استثناءات ترتيب الملء

بالنسبة إلى هذه العناصر العشرين، تختلف الحالة الأرضية المقاسة عمّا تتنبأ به قاعدة مادلونغ. تأخذ الحاسبة كل توزيع متعادل من جدول الحالات الأرضية في NIST، لذا تكون النتائج صحيحة، ويعرض الجدول التنبؤ بجانب القياس.

في الكروم والنحاس تكون المستويات 3d و4s متقاربة جدًا، فيفوز مدار 3d النصف ممتلئ أو الممتلئ. أما البلاديوم فليس لديه أي إلكترون 5s أصلًا. وحالات اللانثانيدات والأكتينيدات تنشأ من تقارب الطاقة بين 4f و5d (أو 5f و6d). ولا يمكن التنبؤ بأي من ذلك من جدول المدارات وحده، ولهذا تأتي البيانات من القياس.

الأسئلة الشائعة

كيف تكتب التوزيع الإلكتروني لعنصر ما؟

أوجد عدد الإلكترونات (وهو العدد الذرّي للذرة المتعادلة)، ثم املأ المدارات الفرعية بالترتيب 1s، 2s، 2p، 3s، 3p، 4s، 3d وهكذا، حتى تبلغ سعة كل مدار فرعي. مثلًا، الكبريت بعدد 16 إلكترونًا توزيعه 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. وراجع جدول الاستثناءات قبل الاعتماد على النمط في العناصر الانتقالية.

ما هو الاختصار بالغاز النبيل للتوزيع الإلكتروني؟

يستبدل الإلكترونات الداخلية برمز الغاز النبيل الذي يسبقه، بين قوسين مربعين. فيصبح توزيع الكبريت [Ne] 3s² 3p⁴ وتوزيع الحديد [Ar] 3d⁶ 4s². ويجب أن يكون الجزء بين الأقواس توزيعًا كاملًا لغاز نبيل، لذا تختار الحاسبة أكبر غاز نبيل ينطبق.

لماذا تفقد العناصر الانتقالية الإلكترونات 4s قبل 3d؟

بمجرد أن يحتوي المدار الفرعي 3d على إلكترونات يصبح أدنى طاقة من 4s، فتكون إلكترونات 4s هي الخارجية والأسهل في الإزالة. ولهذا يكون Fe²⁺ هو [Ar] 3d⁶ وليس [Ar] 3d⁴ 4s².

لماذا يُعد الكروم والنحاس استثناءين؟

لأن مداريهما 3d و4s متقاربان جدًا في الطاقة، لذا يكون المدار 3d النصف ممتلئ (في Cr، 3d⁵ 4s¹) أو الممتلئ تمامًا (في Cu، 3d¹⁰ 4s¹) أكثر استقرارًا قليلًا من الترتيب المتوقع. ويحدث التأثير نفسه في سلسلتي 4d و5d وفي اللانثانيدات والأكتينيدات.

ما هي قاعدة هوند؟

تشغل الإلكترونات مدارات المدار الفرعي منفردة، بسبينات متوازية، قبل أن يُزدوج أي مدار. ولهذا تشغل إلكترونات 2p الثلاثة في النيتروجين ثلاثة مدارات مختلفة، فيكون لديه 3 إلكترونات منفردة، ويُظهر مخطط المدارات الأسهم المفردة قبل الأزواج.

كيف ترتبط الإلكترونات المنفردة بالمغناطيسية؟

الذرة أو الأيون الذي يحمل إلكترونًا منفردًا أو أكثر بارامغناطيسي، أي أنه يُجذب إلى المجال المغناطيسي. أما الذي تكون جميع إلكتروناته مزدوجة فهو ديامغناطيسي، ويُنفَّر بضعف. فإن Fe³⁺ الذي به 5 إلكترونات منفردة بارامغناطيسي بقوة، بينما Zn²⁺، وهو [Ar] 3d¹⁰، ديامغناطيسي.

ما هو التوزيع الإلكتروني للأنيون؟

أضف الإلكترونات الزائدة إلى المدار الفرعي التالي في ترتيب الملء. فالكلوريد Cl⁻ به 18 إلكترونًا، وتوزيعه 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ هو نفسه توزيع الأرغون، لذا يُكتب [Ar]. أما الأكسيد O²⁻ فهو [Ne].