شارح الدرس: التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية الكيمياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية ونَصِف تكوين أيوناتها.

العناصر الانتقالية عبارة عن فلزات يمكن إيجادها في المجموعات من 3 إلى 11 في الجدول الدوري. وهي تتمتع بالعديد من الخواص المدهشة التي تتضمَّن قدرتها على تكوين محاليل ذات ألوان زاهية، إلى جانب قدرتها على تكوين أيونات لها حالات تأكسد متنوعة. من الممكن فَهْم معظم الخواص الكيميائية المُميزة التي تتمتع بها عناصر الفلزات الانتقالية بالنظر إلى توزيعها الإلكتروني.

التوزيع الإلكتروني لعنصرٍ ما عبارة عن سلسلة من الرموز الأساسية والعلوية التي تَصِف توزيع الإلكترونات في المدارات الذرية. تتمتع عناصر الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة بالتوزيعات الإلكترونية الأكثر بساطةً من بين جميع الأنواع المختلفة للعناصر الفلزية الانتقالية. إنها تحتوي على توزيعات إلكترونية تتكوَّن من سبعة رموز أغلفة فرعية فقط.

هناك طريقتان شائعتان لكتابة التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية في الدورة الرابعة. يمكننا التعرُّف على هاتين الطريقتين المختلفتين من خلال تناول التوزيع الإلكتروني للسكانديوم. اختار بعض العلماء كتابة التوزيع الإلكتروني للسكانديوم على الصورة: وفضَّل علماء آخرون كتابة التوزيع الإلكتروني للسكانديوم على الصورة:

التسلسل الأول مرتَّب بدلالة موضع الغلاف الفرعي في الجدول الدوري، والتسلسل الثاني مرتَّب بدلالة العدد الكمي المتزايد. سنستخدم الطريقة المُتَّبعة في التسلسل الأول خلال هذا الشارح.

السكانديوم له أقل عدد من الإلكترونات من أي عنصر فلزي انتقالي في الدورة الرابعة؛ نظرًا لاحتوائه على إلكترون واحد فقط في الغلاف الفرعي . عناصر الفلزات الانتقالية الأخرى في الدورة الرابعة لها توزيعات إلكترونية مشابهة، لكنها جميعًا تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات في الغلاف الفرعي . التوزيع الإلكتروني للتيتانيوم هو:

التوزيعان الإلكترونيان للسكانديوم والتيتانيوم متطابقان تقريبًا، لكن التيتانيوم يحتوي على إلكترون إضافي في الغلاف الفرعي مقارنةً بالسكانديوم.

يوضِّح الجدول الآتي التوزيعات الإلكترونية لعناصر الفلزات الانتقالية الأخرى في الدورة الرابعة. يُستخدَم رمز الغاز النبيل بين قوسين لتمثيل الرموز الخمسة الآتية للأغلفة الفرعية:

تُصَوَّر التوزيعات الإلكترونية في الجانب الأيسر على صورة سلسلة من الأسهم الموجَّهة لأعلى ولأسفل. يَستخدم كيميائيو الكم الأسهم الموجَّهة لأعلى ولأسفل باستمرار لتوضيح كيفية ملء المدارات الذرية بالإلكترونات تدريجيًّا، وفقًا لقاعدة هوند. تنص قاعدة هوند على أن كل مدار من المدارات لأيِّ غلاف فرعي مُعطى يُملأ أولًا بإلكترون حالة دورانه لأعلى قبل أن يكون من الممكن ملء المدارات الأخرى للغلاف الفرعي بإلكترونات ثانوية حالة دورانها لأسفل . يجب أن تُملأ مدارات الغلاف الفرعي دائمًا بأسهم موجَّهة لأعلى قبل أن تُملأ بأي أسهم ثانوية موجَّهة لأسفل.

من المهم هنا ملاحظة أن التوزيعات الإلكترونية لعناصر الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة يُمكن وصفها باستخدام تعبير رياضي واحد. يمكن وصف التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية في الدورة الرابعة باستخدام التعبير ؛ حيث . كما يمكن استخدام تعبيرات مشابهة لوصف التوزيعات الإلكترونية لعناصر الفلزات الانتقالية من الفئة d في الدورة الخامسة والسادسة.

ليس من السهل دائمًا تحديد التوزيع الإلكتروني للعناصر الانتقالية في الصف الأول؛ وذلك لأن بعضها على ما يبدو له ترتيب شاذ لإلكترونات التكافؤ. تحتوي معظم الفلزات الانتقالية على إلكترونين في الغلاف الفرعي ، لكن الكروم والنحاس يحتويان على إلكترون واحد في غلافهما الفرعي . يَرِد فيما يلي التوزيعان الإلكترونيان للكروم والنحاس:

من الصعب للغاية تفسير الترتيب الشاذ للإلكترونات في ذرات النحاس والكروم منطقيًّا، دون التطرُّق إلى مفاهيم بعيدة عن نطاق موضوع هذا الشارح. من الأمور المقبولة اعتياديًّا لدى طلاب المدارس الثانوية أن ذرات الكروم والنحاس تكون أكثر استقرارًا عندما تحتوي على إلكترون واحد في الغلاف الفرعي ، أو خمسة أو عشرة إلكترونات في الغلاف الفرعي .

مثال ٢: تحديد التوزيع الإلكتروني لذرات الكروم من المخططات التوضيحية البسيطة للإلكترونات في الغلافين الفرعيين 3d و4s

أيُّ الأشكال الآتية يُمثِّل التوزيع الإلكتروني لذرة الكروم؟

الحل

يمكن التعبير عن التوزيع الإلكتروني لعنصرٍ ما على صورة سلسلة من الرموز الأساسية والعلوية، أو يمكن تمثيله تخطيطيًّا باستخدام مجموعة من الأسهم الموجَّهة لأعلى ولأسفل. كما يمكن أيضًا التعبير عن الأغلفة الداخلية للإلكترونات صراحةً، أو يمكن تمثيلها برموز الغازات النبيلة بين قوسين، على سبيل المثال البادئة: . تُستخدَم البادئة لتمثيل الإلكترونات .

التوزيع الإلكتروني للكروم هو . يمكن كتابة التوزيع الإلكتروني بدلًا من ذلك على الصورة: ؛ وذلك لأن البادئة يمكن استخدامها بدلًا من التوزيع الإلكتروني . كما يمكن أيضًا تمثيل هذا التوزيع الإلكتروني تخطيطيًّا باستخدام سلسلة من الأسهم. سيكون جميع الأسهم موجَّهًا لأعلى؛ لأن قاعدة هوند تنص على أن المدارات الذرية تُملأ أولًا بإلكترونات فردية حالة دورانها لأعلى قبل الازدواج بإلكترون في نفس المدار حالة دورانه لأسفل . لا يوجد سوى خمسة إلكترونات في الغلاف الفرعي ، وإلكترون واحد في الغلاف الفرعي ، وهذا يعني أن جميع الإلكترونات في الغلافين الفرعيين و يجب أن تكون حالة دورانهم لأعلى. يمكننا استخدام هذا المنطق لتحديد أن الخيار (أ) لا بد أنه الإجابة الصحيحة عن هذا السؤال.

يمكن لمعظم العناصر الانتقالية أن تكوِّن أنواعًا مختلفة من الأيونات خلال التفاعلات الكيميائية؛ وذلك لأنها يمكن أن تفقد إلكترونات من كلا الغلافين الفرعيين d وs. جميع العناصر الانتقالية في الدورة الرابعة تقريبًا يمكن أن تكوِّن نوعًا واحدًا من الأيونات؛ نظرًا لفقدها إلكترونات من الغلاف الفرعي ، إلى جانب نوع واحد آخر على الأقل من الأيونات؛ نظرًا لفقدها مزيدًا من الإلكترونات من الغلاف الفرعي . سيكوِّن الحديد في البداية أيون إذا فقد زوج الإلكترونات الموجود في غلافه الفرعي ، ثم يمكنه بعد ذلك تكوين أيون إذا فقد إلكترونًا واحدًا آخر من غلافه الفرعي . فيما يلي التوزيع الإلكتروني لذرة Fe مع التوزيعين الإلكترونيين لأيونَي و:

يوضِّح الجدول الآتي بعض حالات التأكسد الشائعة والأقل شيوعًا لعناصر الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة. يتضح من هذا الجدول أن معظم الفلزات الانتقالية يمكن أن تكوِّن أيونين مختلفين على الأقل خلال التفاعلات الكيميائية. بعض الفلزات الانتقالية تكوِّن ما يصل إلى ستة أنواع مختلفة من الأيونات خلال التفاعلات الكيميائية القياسية. من الجدير بالملاحظة في هذا الجدول أن بعض حالات التأكسد القصوى تُحدَّد ببساطة على أنها إجمالي عدد الإلكترونات في الغلافين الفرعيين و.

تُعَد ذرات الزنك من المواد المثيرة للاهتمام للغاية؛ وذلك لأنها من عناصر الفئة d التي عادةً ما تكوِّن نوع أيون واحد فقط بدلًا من مجموعة من أنواع مختلفة من الأيونات الموجبة الشحنة. فيما يلي التوزيعات الإلكترونية لذرة الزنك المتعادلة الشحنة، وأيون الموجب الشحنة:

يكوِّن الزنك عادةً نوعًا واحدًا فقط من الأيونات؛ نظرًا لأن غلافه الفرعي مكتمل تمامًا، وليس من المفضَّل من حيث الطاقة إزالة إلكترون واحد أو بضعة إلكترونات من غلاف فرعي مكتمل تمامًا. لا يعتبر الزنك فلزًّا انتقاليًّا من قِبَل الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (الأيوباك)؛ نظرًا لأن غلافه الفرعي مكتمل تمامًا، ولا يكوِّن بوجهٍ عام أيونات لها أغلفة فرعية غير مكتملة.

يمكن استخدام حالة التأكسد لأيون فلز انتقالي لتحديد توزيعه الإلكتروني؛ وذلك لأن أعداد التأكسد توضِّح عدد الإلكترونات التي فقدتها الذرة. فيما يلي حالات التأكسد ، ، ، للفاناديوم:

يحتوي الفاناديوم على خمسة إلكترونات تكافؤ، ويكوِّن أنواعًا مختلفة من الأيونات الموجبة الشحنة عندما يفقد الإلكترونات من غلافه الفرعي ، ثم من غلافه الفرعي . يتكوَّن أيون الفاناديوم عندما تفقد ذرة الفاناديوم إلكترونين من غلافها الفرعي . يتكوَّن أيون الفاناديوم عند فقد إلكترون آخر من غلافه الفرعي من أيون . يتكوَّن أيون الفاناديوم عندما تفقد ذرة الفاناديوم كل الإلكترونات الموجودة في غلافيها الفرعيين و.

يمكن دائمًا استخدام أعداد التأكسد لمعرفة عدد الإلكترونات التي فُقِدت من الغلافين الفرعيين و من ذرة عنصر انتقالي. كما يمكن بشكلٍ عام استنتاج حالة التأكسد القصوى لأيِّ عنصر انتقالي من إجمالي عدد إلكترونات التكافؤ له.