الأشكال الكمية الرائعة والمعبرة للمدارات الخارجية للإلكترونات في الجدول الدوري
- ناصر الزايد
- 12 أكتوبر 2024
- 5 دقائق قراءة
ناصر بن صالح الزايد
تعرض الصورة المرفقة تصورًا فريدًا ومثيرًا للاهتمام للجدول الدوري من زاوية كمية بشكل كامل، حيث تظهر تمثيلات ثنائية الأبعاد للمدارات الخاصة بالإلكترونات الخارجية لكل عنصر (الأصل أن تكون ثلاثية الأبعاد). يوفر هذا التصور نظرة على الطبيعة الميكانيكية الكمومية للمدارات الذرية ويوفر فهمًا للبنية والخصائص الكيميائية للعناصر. في هذه المقالة، سنستكشف أساس هذه الأشكال المدارية، وعلاقتها بمواقع العناصر في الجدول الدوري، وتصنيف المدارات، وكيف تساعدنا هذه الأشكال على فهم الاتجاهات الدورية في الجدول الدوري.
أشكال المدارات: فهم الأساسيات
المدار الذري هو منطقة في الفضاء حيث توجد احتمالية عالية لوجود الإلكترون. الأشكال المختلفة الموضحة في الصورة هي نتيجة الطبيعة الموجية للإلكترونات كما هو موصوف في ميكانيكا الكم. تُظهر هذه المدارات كثافة الاحتمالية لوجود الإلكترون الخارجي لكل عنصر. تشير الألوان المختلفة في الصورة إلى مناطق احتمالية عالية أو منخفضة لوجود الإلكترون، حيث تمثل المناطق الحمراء أعلى كثافة احتمالية والمناطق الزرقاء تمثل الأقل. بمعنى أن الإلكترنات توجد بنسب احتمالية مختلفة بحسب الصورة، فالمنطقة ذات اللون الأحمر تمثل احتمالية عالية والعكس مع الألوان الأخف.
تُحدد أشكال المدارات بواسطة الأعداد الكمية، التي تنتج عن حلول معادلة شرودنغر للإلكترونات في الذرات. تعتبر أشكال هذه المدارات مهمة لأنها تحدد كيفية تفاعل الذرات وكيفية تكوين الروابط بينها. تشمل الأنواع الرئيسية من المدارات s، p، d، وf، ولكل منها شكل مميز وخصائص فريدة:
المدارات s: تكون كروية الشكل ولا تحتوي على عقد زاوية، مما يعني أنها متماثلة في جميع الاتجاهات. هذا واضح في الصورة لعنصري الهيدروجين (H) والهيليوم (He)، اللذان يمتلكان إلكترونهما الخارجي في مدار s. معنى ذلك أن الألكترون يمكن أن يوجد في أي مكان من الشكل المبين، ولكن احتمالية وجوده قريبا من المركز الكروي أكبر بكثير من احتمالية وجوده في الغلاف الخارجي للكرة.
المدارات p: تتميز بشكل دمبل ذو فصين مرتفعين في كثافة الإلكترونات، يفصل بينهما مستوى عقدي (منطقة الالتقاء) حيث تكون احتمالية وجود الإلكترون صفر. العناصر مثل البورون (B)، الكربون (C)، النيتروجين (N)، وغيرها في الدورتين 2 و3 تمتلك إلكترونات خارجية في مدارات p، مما يفسر التشابه البصري عبر هذه العناصر. قد يكون من الصعب أن تبلع المعلومة؟ كيف ينتقل الإلكترون من النصف الأيسر إلى النصف الأيمن مع احتمالية وجوده في الوسط = صفر؟ هذه في الحياة الكلاسيكية غير ممكنة، ولكن في العالم الكمي الذري ممكنة ومقبولة لأن الجسيمات تخضع للدالة الموجية، أي أن الإلكترون يمكن أن يكون على اليسار أو يظهر فجأة على اليمين دون أن يوجد ولو للحظة في منطقة الوسط!!
المدارات d: تتميز بأشكال أربعة فصوص أو أحيانًا حلقية (تشبه الدوناتس)، وهي مهمة في العناصر الانتقالية. تظهر هذه المدارات بشكل أكثر تعقيدًا مقارنةً بمدارات s وp، وتلعب دورًا رئيسيًا في التفاعلات الكيميائية للعناصر الانتقالية
المدارات f: تكون أكثر تعقيدًا، حيث تحتوي على عدة فصوص وعقد. المدارات d مهمة في العناصر الانتقالية، بينما المدارات f توجد في اللانثانيدات والأكتينيدات، ولكل منها أنماط معقدة وفريدة تشير إلى أشكال معقدة.
ملخص أشكال المدارات
لفهم أفضل للأشكال المدارية المختلفة، يُعرض الجدول التالي الذي يصنف كل نوع من المدار بناءً على اسمه، ووصف لشكل المدار، والعناصر ذات الصلة بهذا الشكل:
اسم الشكل | أمثلة من العناصر |
كروي (مدار s) | الهيدروجين H، العدد الذري 1، الهيليوم He، العدد الذري 2، الليثيوم Li، العدد الذري 3، البيريليوم Be، العدد الذري 4 |
دمبل (مدار p) | البورون B، العدد الذري 5 إلى النيون Ne، العدد الذري |
أربعة فصوص / حلقي (مدار d) | السكانديوم Sc، العدد الذري 21 إلى الزنك Zn، العدد الذري 30 |
متعدد الفصوص (مدار f) | السيريوم Ce، العدد الذري 58 إلى اللوتيتيوم Lu، العدد الذري 71 والثوريوم Th، العدد الذري 90 إلى اللورنسيوم Lr، العدد الذري 103 |
الجدول الدوري وتمثيل المدارات
يرتبط ترتيب الجدول الدوري بشكل جوهري بتكوين الإلكترونات للعناصر. ومع الانتقال عبر الدورات والمجموعات، نلاحظ تغييرات ممنهجة في أنواع المدارات التي يتم ملؤها:
المجموعات 1 و2: هذه العناصر، الموجودة على الجانب الأيسر من الجدول الدوري، تحتوي على إلكتروناتها الخارجية في مدارات s. الأشكال الكروية للمدارات للعناصر مثل الليثيوم (Li) والبيريليوم (Be) تعكس تكويناتها الإلكترونية البسيطة. إذن بمجرد أن تشاهد الشكل الكروي (دائري في بعدين) فتعرف أن التكافؤ هو لإلكترونات المدارات s.
المجموعات 13 إلى 18: مع الانتقال إلى الجانب الأيمن من الجدول، تحتل الإلكترونات الخارجية مدارات p. يمكن ملاحظة مدارات p ذات الشكل الدمبل للعناصر مثل البورون (B)، الكربون (C)، والفلور (F). يزداد عدد مدارات p الممتلئة مع الانتقال عبر المجموعة، مما يؤثر على توزيع كثافة الإلكترونات بشكل عام.
العناصر الانتقالية (المجموعات 3 إلى 12): العناصر في كتلة العناصر الانتقالية تحتوي على مدارات d ممتلئة. تتميز هذه المدارات بأشكال أربعة فصوص أو أحيانًا حلقية، كما يظهر في الصور للعناصر مثل السكانديوم (Sc) والتيتانيوم (Ti). تلعب الأشكال المعقدة للمدارات d دورًا رئيسيًا في الكيمياء المتقدمة للعناصر الانتقالية، بما في ذلك قدرتها على تكوين تشكيلات معقدة و إظهار حالات أكسدة متعددة.
اللانثانيدات والأكتينيدات: تحتوي عناصر المجموعة (اللانثانيدات والأكتينيدات) على مدارات f كمدارات خارجية. هذه المدارات أكثر تعقيدًا، وتحتوي على عدة فصوص وأنماط معقدة، كما يظهر للعناصر مثل السيريوم (Ce) واليورانيوم (U). تؤدي البنية المعقدة لهذه المدارات f إلى خصائص مغناطيسية وبصرية فريدة، مما يجعل عناصر الكتلة f مفيدة في العديد من التطبيقات التقنية المتقدمة.
تصنيف المدارات والتكوين الإلكتروني
يتم تصنيف المدارات بناءً على العدد الكمومي للزخم الزاوي (إل) (l):
مدارات s (l = 0): كروية الشكل، يمكن لكل مدار s أن يحتوي على إلكترونين.
مدارات p (l = 1): على شكل دمبل وموجهة على طول ثلاثة محاور (– px، py، pz). يحتوي كل غلاف فرعي p على ثلاثة مدارات p، يمكنها استيعاب ما يصل إلى ستة إلكترونات.
مدارات d (l = 2): أكثر تعقيدًا، وتحتوي على أشكال تشمل أربعة فصوص أو حلقي. يحتوي كل غلاف فرعي d على خمسة مدارات d، والتي يمكن أن تحتوي على ما يصل إلى عشرة إلكترونات.
مدارات f (l = 3): أكثر تعقيدًا في البنية، وتحتوي على سبعة توجهات مختلفة قادرة على استيعاب ما يصل إلى أربعة عشر إلكترونًا.
تتبع التكوينات الإلكترونية للعناصر مبادئ الميل للطاقة الأقل، الذي ينص على أن الإلكترونات تشغل المدارات بطريقة تقلل من طاقة الذرة. يُبرز التمثيل البصري لهذه المدارات في الصورة كيفية احتلال الإلكترونات لمناطق مختلفة حول النواة، مما يؤدي إلى خصائص كيميائية مميزة.
4. العلاقة بين أشكال المدارات والخصائص الدورية
ترتبط أشكال المدارات بشكل مباشر بخصائص العناصر:
التفاعلية: تلعب الإلكترونات التكافؤية (تلك الموجودة في المدارات الخارجية) دورًا حاسمًا في تحديد تفاعلية العنصر. العناصر ذات مدارات s الكروية غالبًا ما تكون أكثر استعدادًا للتبرع بالإلكترونات (مثل الفلزات القلوية)، بينما العناصر ذات مدارات p نصف الممتلئة (مثل النيتروجين) تكون أكثر ميلًا لتكوين روابط تساهمية مستقرة.
أنماط الترابط: يلعب توجه مدارات p دورًا مهمًا في تكوين الروابط. على سبيل المثال، تتشكل الروابط π من خلال التداخل الجانبي لمدارات p، بينما تتشكل الروابط σ من خلال التداخل النهاية للنهاية لمدارات s أو p.
الاتجاهات الدورية: يوضح ملء المدارات المختلفة الاتجاهات الدورية مثل نصف القطر الذري، طاقة التأين، والسالبية الكهربائية. على سبيل المثال، مع الانتقال عبر الدورة، يؤدي إضافة المزيد من الإلكترونات إلى نفس مستوى الطاقة إلى زيادة الشحنة النووية الفعالة، مما يسحب المدارات بشكل أقرب ويقلل من نصف القطر الذري.
باختصار ...
تقدم الصورة منظورًا فريدًا للجدول الدوري، توضح أشكال المدارات الإلكترونية الخارجية لكل عنصر بطريقة جذابة بصريًا. من خلال فهم هذه الأشكال المدارية وتوجهاتها، نحصل على رؤية أعمق في السلوك الكيميائي للعناصر، وكيفية تكوين الروابط بينها، وكيفية تصنيفها داخل الجدول الدوري. تلعب الأشكال المميزة للمدارات s، p، d، وf، إلى جانب توجهاتها المحددة، دورًا حيويًا في تحديد التفاعلية والترابط والخصائص الفيزيائية لكل عنصر، مما يشكل الأساس لكثير من الكيمياء كما نعرفها.
في راسك حب ما انطحن؟
عندك هذا الموقع التفاعلي:
أو هذا الموقع أيضا:
فيديو توضيحي:
Comments