استثناءات قاعدة اوفباو
الترتيب الإلكتروني للعناصر هو الطريقة التي يتم بها توزيع الإلكترونات داخل مسارات
الطاقة
المختلفة في
الذرة
، وهناك ثلاثة قواعد تستخدم لتوزيع الناصر منها قاعدة هوند وقاعدة الاستبعاد لباولي وقاعدة أوف باو والتي تعرف أيضًا بمبدأ البناء التصاعدي ، وهي تعد أهم قاعدة للتوزيع الإليكتروني .
تاريخ مبدأ البناء التصاعدي (قاعدة أوف باو )
هذا المبدأ تمت صياغته بواسطة العالم الألماني نيلز بور في حوالي عام 1920م ، وهو يعتبر تطبيق لقوانين ميكانيكا
الكم
على خصائص الإليكترونات تبعًا للمجال الكهربائي الذي ينتج عن الشحنات الموجبة في نواة الذرة والشحنات السالبة في الإليكترونات الأخرى 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 .
وعلى الرغم من ظهور نماذج أخرى للذرة غير نموذج بور ، إلا أن نموذج بور مازال صالح للاستخدام ، وقد أسس العالم بور معهد الفيزياء النظرية بجامعة كوبنهاجن ، وهو الآن يعرف باسم معهد نيلز بور ، كما تعاون بور مع مجموعة من
أشهر علماء الفيزياء
منهم هانز كرامرز وأوسكار كلاين وجورج دي هفيسي ، كما توقع بور وجود عنصر جديد بجانب العناصر التي كانت معروفه في وقته وأطلق على هذا العنصر اسم الهافنيوم .
وبالرغم من شهرة بور إلا أنه كان على وشك الاعتقال بواسطة النازيين الألمان ، إلا أنه استطاع الفرار إلى السويد ، من هناك هاجر إلى بريطانيا ، حيث شارك في المشروعالنووي البريطاني المسمى British Tube Alloys ، كما أنه أصبح أول رئيس لمعهد الفيزياء النظرية لدول الشمال عام 1957 .
ما هو مبدأ البناء التصاعدي (قاعدة أوف باو )
هي طريقة يتم فيها ملء مستويات الطاقة الفرعية الأقل طاقة بالإليكترونات أولًا ثم يتم ملء المستويات الأعلى طاقة ، فيملأ المستوى الفرعي s أولًا ، ثم المستوى الفرعي p ، يليه المستوى d ثم المستوى الفرعي F ، إن المستويات الفرعية هنا تحل محل المستويات الرئيسية (الوهمية) حول نواة الذرة ، بترتيب من الأقل طاقة إلى الأعلى طاقة كما يلي :
1S
2S 2P
3S 3P
4S 3d 4P
5S 4d 5P
6S 4F 5d 6P
7S 5F 6d 7p
من الملاحظ بالرغم من المستوى 3d يقع في المستوى الثالث إلا أنه يملأ بعد المستوى 4s وذلك لأنه أعلى منه في الطاقة تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي ، وكذلك المستوى 4f , 5f .
يتشبع كل مستوى من المستويات الفرعية بعدد محدد من الإليكترونات لا يمكن تجاوزها ، فيمتليء المستوى s بعدد 2 إليكترون ، لأنه يحتوي على أوربيتال 1 ، ويمتليء المستوى p بستة إليكترونات لأنه يحتوي على 3 أوربيتالات ، ويمتلء المستوى الفرعي d بعشر إليكترونات ، أنه يتكون من 5 أوربيتالات ، ويمتليء المستوى الفرعي f بعدد 14 إليكترون ، لأنه يحتوي على 7 أوربيتالات .
مثال للتوزيع الإليكتروني تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي :
توزيع الصوديوم
Na→ 1s
2
2s
2
2p
6
3s
1
11
الحالات الأكثر استقرارًا للذرة عندما يكون المستوى الفرعي في حالة امتلاء تام أو في حالة نصف امتلاء .
على سبيل المثال إذا انتهى التوزيع الإليكتروني للعنصر ، في المستوى الفرعي d فإن الحالات الأكثر استقرار عندما يكون المستوى تام الامتلاء d
10
أو في حالة نصف امتلاء d
5
.
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 .
ومن شواذ هذه القاعدة عنصر الكروم وكل العناصر الموجودة في مجموعته ، وعنصر النحاس وكل العناصر الموجودة في مجموعته .
أولًا الكروم Cr
24
تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي يكون توزيعه الإليكتروني
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3P
6
4S
2
3d
4
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 3d
5
ويصل لحالة نصف الامتلاء ،ويكون أكثر استقرارًا ، وبذلك يكون التوزيع الصحيح هو
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3P
6
4S
1
3d
5
ثانيًا عنصر
النحاس
Cu
29
تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي يكون التوزيع الإليكتروني
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3P
6
4S
2
3d
9
ولكن هذا التوزيع أيضًا غير صحيح ، ويشذ التوزيع الإليكتروني للنحاس ، بانتقال إليكترون من المستوى 4S إلى المستوى الفرعي 3d حتى يصل المستوى الفرعي 3d لحالة الامتلاء التام التي تكون أكثر استقرارًا .
فيكون التوزيع الصحيح لعنصر النحاس هو
1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3P
6
4S
1
3d
10