التوزيع الالكتروني

الصيغة الكيميائية
(يطلق عليها أيضًا الصيغة الجزيئية) هي طريقة موجزةللتعبير عن المعلومات المتعلقة بالذرات التي تكون مركب كيميائي معين. كماأنها تعبر عن كل عنصر برمزه الكيميائية، وتحدد عدد الذرات في جزي هذاالمركب. وفى حالة وجود أكثر من ذرة لنفس العنصر في الجزيء فإن عدد الذراتيكتب أسفل يمين العنصر. وللمواد الغير جزيئية يعبر الرقم السفلي عن الصيغةالوصفية. والصيغة الكيميائية التي تستخدم لسلسلة المركبات التي تختلف عنبعضها البعض بوحدات ثابتة تسمى "المعادلة العامة". وتسمي هذه السلسلةسلسلة متجانسة, ويسمي رقمها رمز التجانس.
الصيغة الجزيئية و الصيغة البنيوية
الميثان كمثال, جزيء بسيط يتكون من ذرة كربون مرتبطة مع 4 ذرات هيدروجين له المعادلة الكيميائية:
CH4
والجلوكوز به 6 ذرات كربون, و12 ذرة هيدروجين, و6 ذرات أكسجين وله المعادلة الكيميائية:
C6H12O6.
ويمكن للصيغة الكيميائية أيضًا أن تعطي معلومات عنأنواع وترتيبات الروابط في الفراغ للكيماويات, بينما لا تعطي المعلوماتالكافية عن وجود المتزامرات (الأيزمرات). فمثلاً الإيثان يتكون من ذرتينكربون بينهما رابطة أحادية, وكل منهما ترتبط مع 3 ذرات هيدروجين. تكونمعادلته الكيميائية CH3CH3. ولو أن هناك رابطة ثنائية بين ذرتي الكربون (وكل منها مرتبطة مع 2 ذرة هيدروجين), تكون المعادلة الكيميائية CH2CH2, ومع وجود رابطة ثنائية بين ذرتي الكربون فتكون الطريقة الأكثر دقة لكتابة المعادلة الجزيئية H2C:CH2 أو H2C=CH2. وتعبر النقطتان أو الخطان عن ان هناك رابطة ثنائية تربط الذرتان معًا.
كما أن الرابط الثلاثية يمكن أن تمثل بثلاث خطوط أو نقط, ولإزالة أى غموض فإن الرابطة الأحادية يمكن أن تمثل بخط أو نقطة.
الجزيئات التي تحتوى على مجموعات فعالة عديدة متكررة يمكن التعبير عنها كالتالي : CH3)3CH). غير أن هذا يتضمن بناء مختلف عن الجزيئات الأخرى التي يمكن أن تتكون من نفس الذرات (متزامر). المعادلة CH3)3CH) عن سلسلة من ثلاث ذرات كربون, وذرة الكربون الوسيطة مرتبطة ثنائيا مع ذرة كربون أخرى.
وكل الروباط الباقية على الكربون تذؤدى إلى ذرات هيدروجين. وعموما فإن نفس عدد الذرات (10 هيدروجين, و4 كربون أو C4H10) يمكن أن تستخدم في السلسلة المستقيمة: CH3CH2CH2CH3.
وللألكين 2-بيوتين متزامرين ولا يعبر عنهما المعادلة الكيميائية CH3CH=CHCH3. المكان النسبي لمجموعتي الميثيل يتم تحديده بتعريف أخرىدلل ما إذا كانتمجموعات الميثيل في نفس الإتجاه من الرابطة المزدوجة (مقرون cis or Z) أو في جهتين مختلفتين من الرابطة المزدوجة (مفروق trans or E)
البوليمرات
بالنسبة للبوليمر, يتم وضع أقواس حول الوحدات المتكررة. فمثلا, الهيدروكربون الذي يوصف كالتالى: CH3(CH2)50CH3, هو جزيء له 50 وحدة متكررة.
ولو أن عدد الوحدات المتكررة غير معروف أو متغير, يتم استخدام الحرف ("ن" "n") للتعبير عن ذلك: CH3(CH2)nCH3
الأيونات
للأيونات, يمكن التعبير عن الشحنة الموجودة على ذرة معينة برمز يوضع أعلى يمين رمز العنصر. فمثلا +Na أو 2+Cu. وإجمالي الشحنة على جزيء مشحون أو أيون متعدد الذرات يمكن أيضا أن يتم التعبير عنها بنفس الطريقة. فمثلا الهيدرونيوم, +H3O أو الكبريتات 2-SO4.
النظائر
بالرغم من أن النظائر تنتمى للكيمياء النووية أو كيمياءالنظائر الثابتة أكثر من الكيمياء التقليدية, فإن النظائر المختلفة يمكنأن يعبر عنها بالكتابة أعلى يسار رمز العنصر. فمثلا أيون الفوسفات له نظيرنشيط فوسفور-32 32PO43-. كما أنه يمكن دراسة نسبة النظائر الثابتة 18O:16O.
الصيغة الوصفية
الصيغة الوصفية لأى مادة كيميائية هي تعبير بسيط لنسبةكل نوع من الذرات أو العناصر الموجودة فيها. وتستخدم المعادلو الملكيةقياسيا في المركبات الأيونية, مثل CaCl2, وللجزيئات الكبيرة مثل SiO2. ولا يوج بالمعادلة الملكية توضيح للتزامر (isomerism), أو بناء وعدد الذرات المطلق. ويرجع المصطلح ملكي يرجع لعملية التحليلالعنصري, وهي تقنية من تقنيات الكيمياء التحليلية تستخدم لتحديد نسبةالعماصر الموجودة في تركيب المادة النقية.
فمثلا الهكسان يمكن أن يكون له المعادلة الكيميائية CH3CH2CH2CH2CH2CH3, على أساس أن بنائه هو سلسلة مستقيمة, من 6 ذرات كربون, و14 ذرة هيدروجين. ولكن المعادلة الملكية لنفس الجزيء C3H7.
التوزيع الالكترونى
في الفيزياء الذرية، التوزيع الإلكتروني هو ترتيب الإلكترونات في الذرة، أو في الجزيء، أو في أي جسم آخر. وبالتحديد هو مكان تواجد الإلكترونات في المدارات الذرية أو والجزيئية أو أي شكل من أشكال المدارات الإلكترونية.
لماذا التوزيع الإلكتروني
تصور التوزيع الإلكتروني في الذرة تم توقعه بناءا على ثلاث حقائق
1. في الفراغ الضيق للذرة أو الجزيء، فإن طاقة وخواص الإلكترون الأخرى تكون محددة بالكم، أي مقيدة لحالة كمومية محددة. وهذه الحالات يكن وصفها بالمدارات الإلكترونية. وكل حالة بصفة عامة لها طاقة مختلفة عن أي حالة أخرى.
2. الإلكترونات هي فيرميونات وعلى هذا فهي تخضع ل مبدأاستبعاد باولي، والذي ينص على أنه لا يمكن لإثنين من الفيرميونات أن يشغلا نفس الحالة الكمومية. فبمجرد شغل حالة بإلكترون، فإن الإلكترون التالي يجب أن يشغل حالة مختلفة. في الذرات يتم تحديد حالات الكم بأربعة أرقام كمومية.
3. حالة الإلكترون تكون غير مستقرة لو كان يشغل حالة غير حالة الطاقة الأقل. وفى وجود حالة طاقة أقل، فإن الإلكترون بعد زمن معين يقفز لهذه الحالة الأقل (وتنبعث منه الطاقة الزائدة في شكل فوتون، أي شعاع ضوء ذو تردد محدد).
ونتيجة لذلك، فإن أي نظام له توزيع إلكتروني واحد ثابت. ولو تم تركه في حالة الإتزان، فسوف يكون له دائما هذا التوزيع (يطلق عليه الحالة الأرضية)، وإذا لم تكن الذرة أو النظام في الحالة الأرضية يكون أحد الإلكترونات في حالة مثارة تحت تأثير الحرارة أو الاصتدام، فيتخد توزيع الإلكترونات توزيعا أخرا، وبصفة مؤقتة.
ويتم تحديد التوزيع الإلكتروني لأى نظام بمداراته وعدد الإلكترونات الموجودة فيه. ولو أردنا استنتاج هذا التوزيع، فيجب معرفة المدارات. وقد استطاعع العلماء حساب ذلك بواسطة ميكانيكا الكم التي إبتكرها العالمين الألماني هايزنبرج والنمساوي شرودنجر خلال السنوات 1923 - 1926 وطبقاها بنجاح على ذرة الهيدروجين، ولكن حل معادلات ميكانيكا الكم معقد للذرات الأخرى، وأكثر تعقيدا في حالة الجزيئات.
التوزيع الإلكتروني في الذرات
تعتمد المناقشة التالية على تواجد معرفة ببعض المواد المشروحة في مقالة المدار الذري والذرة
== ===تلخيص أرقام الكم=== ==
يتم وصف حالة تواجد الإلكترون في الذرة بأربعة أرقام للكم. ثلاثة منها هي خواص المدار الذري الذي يوجد فيه (يوجد شرح لاحق في هذه المقالة)، والرقم الرابع إما 1\2 أو -1\2 وهو يعبر عن الدوران المغزلي للإلكترون (أي دورانه حول نفسه).
• عدد الكم الرئيسي والذي يرمز له بالرمز n ويأخذ قيمة أي عدد صحيح أكبر من أو يساوي 1. ويمثل الطاقة الرئيسية للمدار، وبعده عن النواة.
•عدد الكم السمتي والذي يرمز له بالرمز l ويأخذ أي قيمة عدد صحيح في المدى .. ويحدد عزم المدار الزاوي.
•عدد الكم المغناطيسي والذي يرمز له بالرمز m ويأخذ أي قيمة صحيحة في المدى . ويحدد هذا الرقم إزاحة الطاقة للمدار الذري تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي (ظاهرة زيمان).
العزم المغناطيسي الذاتي للإلكترون ينشأ عن دوران الإلكترون حول محوره (دوران مغزلي)، والذي يعبر عنه بعدد الكم المغزلي. عدد الكم المغزلي خاصية خاصة للإلكترون ولا تعتمد على الأرقام الأخرى. ويرمز لها بالرمز s وتأخذ فقط القيم +1/2 أو -1/2 (أحيانا يرجع لهما بأعلى أو أسفل، إشارة إلى اتجاه عزم الإلكترون المغناطيسي).
الأغلفة وتحت الأغلفة "المدارات أو الأوربيتالات"
حالات الطاقة التي لها نفس القيم n، يقال أنها تشغل نفس الغلاف الإلكتروني. الحالات التي لها نفس قيم n وl تكون متناسبة وتأخذ في الحسبان نوع واتجاه المدارات حول النواة، ويقال أنها تقع في نفس تحت-غلاف الإلكتروني. ولو أن الحالات تتشابه أيضا في قيم m فيقال أن لها نفس المدار الذري. ونظرا لأن الإلكترون له حالتان فقط للدوران، فإن الأوربيتال الذري لا يمكن أن يحتوى على أكثر من 2 إلكترون (مبدأ الاستبعاد لباولي).
ولوهلة فإن الغلاف n=1 يمتلك تحت غلاف s فقط ويمكن له أن يأخذ 2 إلكترون، بينما الغلاف n=2 له تحت غلاف s وp ويمكن أن يأخذ 8 إلكترونات (2 إلكترون في s و 6 ألكترونات في pفي)، والغلاف n=3 له تحت غلاف s وp وd ويمكن أن يأخذ 18 إلكترون. وهكذا. ويلاحظ أن السعة النهائية لأى تحت-غلاف هي 2(2l+1) ولغلاف 2n2.
مثال تطبيقي
التوزيع الإلكتروني للغلاف الخامس :
الغلاف تحت-غلاف المدار الإلكترونات
n = 5 l = 0 m = 0 → 1 أوربيتال من النوع s → max 2 electrons
l = 1 m = -1, 0, +1 → 3 أوربيتال من النوع p → max 6 electrons
l = 2 m = -2, -1, 0, +1, +2 → 5 أوربيتال من النوع d → max 10 electrons
l = 3 m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 → 7 أوربيتال من النوع f → max 14 electrons
l = 4 m = -4, -3 -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4 → 9 أوربيتال من النوع g → max 18 electrons
المجموع 50 إلكترون كحد أقصي
ويمكن كتابة هذه المعلومات كالتالي :5s2 5p6 5d10 5f14 5g18 (راجع بالأسفل لمعرفة نظام الكتابة)
تحت الأغلفة s,p,d,f ناتجة من ترتيب خطوط الطيف كالتالي : "حاد sharp"، "أساسي principal"، "مشوش diffuse"، "أصلي fundamental"، بناءا على تركيبهم الدقيق. فعندما تم وصف أول أربعة أنواع للمدارات، كانوا تابعين لأسماء الخطوط، ولم يكن لهم أسماء. أما g فتم تسميته طبقا للترتيب الأبجدي الإنجليزى. الأغلفة التي لها أكثر من 5 تحت-غلاف غير ممكنة نظريا، حيث أن 5 تحت-اغلفة تغطى كل العناصر المكتشفة.
نظام الكتابة
يستخدم الفيزيائيون والكيميائيون نظام قياسي لكتابة التركيب الإلكتروني. وفى هذا النظام يتم كتابة مختصر لإسماء العناصر والمدرات التي يحتويها بترتيب زيادة الطاقة. وكل تحت-غلاف "مدار" يتم وصفه بعدد الإلكترونات التي يتحتويها.
ولبرهه، فإن الحالة الأرضية للهيدروجين بها إلكترون وحيد في تحت-الغلاف s للغلاف الأول، وعلى هذا فإن تركيبه يكتب كالتالي : 1s1. الليثيوم يوجد به 2 إلكترون في تحت الغلاف 1s وإلكترون في 2s الأعلى طاقة وبذلك تكون تركيب حالته الأرضية يكون 1s22s1. الفسفور (الرقم الذري 15) يكون كالتالي : 1s22s22p63s23p3.
وللذرات التي بها إلكترونات عديدة، فإن هذا النظام لكتابة تركيبها الإلكتروني يكون أطول. ويتم اختصارها غالبا طبقا لأقرب غاز نبيل مماثل للمدارات الأولى الموجودة بالعنصر. فمثلا : يختلف الفوسفور عن النيون (1s22s22p6) بوجود المدار n=3، وعلى هذا فإنه يتم تجاهل التوزيع الإلكتروني للنيون ويكتب التوزيع الإلكتروني للفسفور كالتالي : [Ne]3s23p3.
كما أن هناك نظام أكثر سهولة لكتابة التوزيع الإلكتروني بكتابة عدد الإلكترونات لكل غلاف كالتالي (الفسفور) : 2-8-5.
قاعدة أوف باو
في الحالة الأرضية للذرة (الحالة التي توجد عليها بطبيعتها) يتبع التوزيع الإلكتروني قاعدة أوف باو. وطبقا لهذه القاعدة تدخل الإلكترونات في مستويات الطاقة الفرعية ذات الطاقة المخفضة أولا ثم تملأ الأعلى منها بعد ذلك، والترتيب الذي يتم ملئ المستويات الفرعية به كالتالي :
s p d f g
1 1
2 2 3
3 4 5 7
4 6 8 10 13
5 9 11 14 17 21
6 12 15 18 22
7 16 19 23
8 20 24
زوج الإلكترونات الذي نفس الدوران يكون له طاقة أقل من زوج الإلكترونات الذي له دوران متعاكس. وحيث أن زوج الإلكترونات في نفس المدار يجب أن يكون لهما دوران متعاكس، فإن هذا يجعل الإلكترونات تفضل ملئ مدارات مختلفة فرادى على أن تتواجد كزوج في نفس المدار. وهذه الأفضلية توضح نفسها لو أن هناك مستوى فرعي له l>0 (مستوى فرعي به أكثر من مدار) أقل من الممتلئ، فمثلا، لو أن المستوى الفرعي p به 4 إلكترونات، فإن 2 إلكترون سيجبروا أن يشغلوا مدار واحد، و 2 إلكترون سيشغلوا 2 مدار، وسيكون دورانهم متساوي. أي أنه لا يتم ملئ مدارات أي مستوى فرعي بأزواج الإلكترونات إلا بعد ملئ مدارته المستقلة فرادى أولا، ويطلق على هذه الظاهرة قاعدة هوند.
ويمكن تطبيق قاعدة اوف باو، في الشكل المعدل، للبروتون والنيترون في نواة الذرة. (شاهد نموذج الغلاف للفيزياء النووية).
استثناءات قاعدة أوف باو
المستوى الفرعي d النصف ممتليء أو الممتليء (أي به 5 أو 10 إلكترونات) يكون أكثر ثباتا من المستوى الفرعي s التالي له. فمثلا النحاس (عدد ذري 29) له التوزيع [Ar]4s1 3d10, وليس [Ar]4s2 3d9، كما قد يتوقع طبقا لقاعدة أوف باو. وبالمثل الكروم (عدد ذري 24) له التوزيع [Ar]4s1 3d5, وليس [Ar]4s2 3d4.
العنصر Z التوزيع الإلكتروني
Tin 22 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d2
Vanadium 23 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3
Chromium 24 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5
Manganese 25 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5
Iron 26 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6
Cobalt 27 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7
Nickel 28 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8
Copper 29 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10
Zinc 30 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10
Gallium 31 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1
حيث Z = العدد الذري.
العلاقة بين التوزيع الإلكتروني وتكوين الجدول الدوري
المقالة الرئيسية
التوزيع الإلكتروني متناسب مع تركيب الجدول الدوري. الخواص الكيميائية للذرية تعتمد بشدة على ترتيب الإلكترونات في غلافها الخارجي (بالرغم من وجود عوامل أخرى مثل نصف القطر الذري، الكتلة الذرية، ومدى سهولة الوصول للحالات الإلكترونية يساهم أيضا في كيمياء العناصر بزيادة الحجم الذري)
التوزيع الإلكتروني في الجزيئات
في الجزيئات، يصبح الموقف أكثر تعقيدا، نظرا لأن كل جزيء له تركيب مداري مختلف. شاهد مدار جزيئي والاندماج الخطي للمدارات الجزيئية كمقدمة، الكيمياء الحسابية لمزيد من التفاصيل.
التوزيع الإلكتروني في المواد الصلبة
في المادة الصلبة، يكون التوزيع الإلكتروني متغير كثيرا. فلا يوجد في حالة منفصلة ولكن يختلط مع النطاقات المستمرة للحالات (نطاق إلكتروني). وتصور التوزيع الإلكتروني الثابت قد توقف، وتم استخدام ما يسمى بنظرية النطاق.