شارح الدرس: التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية الكيمياء

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.

تعريف: العنصر الانتقالي

العنصر الانتقالي عنصرٌ يكون لذراته غلاف فرعي d غير مكتمل، أو يمكن أن يُكوِّن كاتيونات غلافُها الفرعي d غير مكتمل.

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: 1223343sspspsd وفضَّل علماء آخرون كتابة التوزيع الإلكتروني للسكانديوم على الصورة: 1223334.sspspds

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 3d. عناصر الفلزات الانتقالية الأخرى في الدورة الرابعة لها توزيعات إلكترونية مشابهة، لكنها جميعًا تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات في الغلاف الفرعي 3d. التوزيع الإلكتروني للتيتانيوم هو: 1223343.sspspsd

التوزيعان الإلكترونيان للسكانديوم والتيتانيوم متطابقان تقريبًا، لكن التيتانيوم يحتوي على إلكترون إضافي في الغلاف الفرعي 3d مقارنةً بالسكانديوم.

مثال ١: تحديد التوزيع الإلكتروني للتيتانيوم

أيٌّ من الآتي يُمثِّل التوزيع الإلكتروني لعنصر Ti؟

  1.  [Ar]4s3d13
  2.  [Ar]3s4d22
  3.  [Kr]4s3d22
  4.  [Kr]5s4d22
  5.  [Ar]4s3d22

الحل

يمكننا استخدام الجدول الدوري لتحديد أن التيتانيوم له التوزيع الإلكتروني الآتي: 1223343sspspsd. الكريبتون له التوزيع الإلكتروني 12233434sspspsdp، أما الأرجون فله التوزيع الإلكتروني 12233sspsp. هذا يعني أن علينا استخدام البادئة [Ar] لتمثيل التوزيع الإلكتروني للتيتانيوم. يحتوي التيتانيوم على إلكترونين إضافيين في الغلافين الفرعيين 4s و3d مقارنةً بالأرجون، وبذلك يمكننا تخمين أن الترميز المختصر للتيتانيوم هو [Ar]4s3d22، أو الإجابة هـ.

يوضِّح الجدول الآتي التوزيعات الإلكترونية لعناصر الفلزات الانتقالية الأخرى في الدورة الرابعة. يُستخدَم رمز الغاز النبيل [Ar] بين قوسين لتمثيل الرموز الخمسة الآتية للأغلفة الفرعية: 12233.sspsp

العنصرالتوزيع الإلكتروني4s3d3d3d3d3d
Sc[Ar]4s3d21
Ti[Ar]4s3d22
V[Ar]4s3d23
Cr[Ar]4s3d15
Mn[Ar]4s3d25
Fe[Ar]4s3d26
Co[Ar]4s3d27
Ni[Ar]4s3d28
Cu[Ar]4s3d110

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 3d دائمًا بأسهم موجَّهة لأعلى قبل أن تُملأ بأي أسهم ثانوية موجَّهة لأسفل.

تعريف: قاعدة هوند

يُملأ كل مدار في غلاف فرعي بإلكترون فردي أولًا قبل ازدواج الإلكترونات في نفس المدار.

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 (𝑛1)𝑛ds[Ar]؛ حيث 𝑛=4. 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 4s، لكن الكروم والنحاس يحتويان على إلكترون واحد في غلافهما الفرعي 4s. يَرِد فيما يلي التوزيعان الإلكترونيان للكروم والنحاس: ،اوماس[Ar]4s3d:[Ar]4s3d:15110.

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 4s، أو خمسة أو عشرة إلكترونات في الغلاف الفرعي 3d.

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: [Ar]. تُستخدَم البادئة [Ar] لتمثيل الإلكترونات 12233sspsp.

التوزيع الإلكتروني للكروم هو 1223343sspspsd. يمكن كتابة التوزيع الإلكتروني بدلًا من ذلك على الصورة: [Ar]4s3d15؛ وذلك لأن البادئة [Ar] يمكن استخدامها بدلًا من التوزيع الإلكتروني 12233sspsp. 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 3d، وإلكترون واحد في الغلاف الفرعي 4s، وهذا يعني أن جميع الإلكترونات في الغلافين الفرعيين 3d و4s 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 4s، إلى جانب نوع واحد آخر على الأقل من الأيونات؛ نظرًا لفقدها مزيدًا من الإلكترونات من الغلاف الفرعي 3d. سيكوِّن الحديد في البداية أيون Fe2+ إذا فقد زوج الإلكترونات الموجود في غلافه الفرعي 4s، ثم يمكنه بعد ذلك تكوين أيون Fe3+ إذا فقد إلكترونًا واحدًا آخر من غلافه الفرعي 3d. فيما يلي التوزيع الإلكتروني لذرة Fe مع التوزيعين الإلكترونيين لأيونَي Fe2+ وFe3+: ،ذرة،أنأن[Ar]4s3d:Fe[Ar]3d:Fe[Ar]3d:Fe2662+53+.

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 3d و4s.

العنصرالتوزيع الإلكترونيحالات التأكسد ا والأقل شيوعًاأمثلة للمركبات
Sc[Ar]4s3d21+3ScO23
Ti[Ar]4s3d22+2+3+4TiO، TiO23، TiO2
V[Ar]4s3d23+2+3+4+5VO، VO23، VO2، VO25
Cr[Ar]4s3d15+2+3+4+5+6CrO، CrO23، CrO3
Mn[Ar]4s3d25+2+3+4+5+6+7MnO، MnO23، MnO2، KMnO24، KMnO4
Fe[Ar]4s3d26+2+3+4+5+6FeO، FeO23
Co[Ar]4s3d27+2+3+4+5CoCl2، CoCl3
Ni[Ar]4s3d28+2+3+4NiO، NiO23، NiO2
Cu[Ar]4s3d110+1+2+3CuO2، CuO

تُعَد ذرات الزنك من المواد المثيرة للاهتمام للغاية؛ وذلك لأنها من عناصر الفئة d التي عادةً ما تكوِّن نوع أيون واحد 2+ فقط بدلًا من مجموعة من أنواع مختلفة من الأيونات الموجبة الشحنة. فيما يلي التوزيعات الإلكترونية لذرة الزنك المتعادلة الشحنة، وأيون Zn2+ الموجب الشحنة: ،ذرةأن[Ar]4s3d:Zn[Ar]3d:Zn210102+.

يكوِّن الزنك عادةً نوعًا واحدًا فقط من الأيونات؛ نظرًا لأن غلافه الفرعي 3d 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 3d مكتمل تمامًا، ولا يكوِّن بوجهٍ عام أيونات لها أغلفة فرعية 3d غير مكتملة.

مثال ٣: تحديد العنصر الذي لا يعتبر فلزًّا انتقاليًّا

أيُّ عنصر في الدورة 4 من الجدول الدوري وفي الفئة d ليس فلزًّا انتقاليًّا عند النظر إلى توزيعه الإلكتروني؟

  1. الكروم
  2. السكانديوم
  3. النحاس
  4. الزنك
  5. الحديد

الحل

تحتوي الفلزات الانتقالية على ذرات لها أغلفة فرعية d غير مكتملة، أو ذرات يمكن أن تُنتج كاتيونات لها أغلفة فرعية d غير مكتملة. يجب أن يُعرَّف الكروم والسكانديوم باعتبارهما فلزين انتقاليين؛ نظرًا لتوزيعهما الإلكتروني [Ar]4s3d15 و[Ar]4s3d21، إلى جانب قدرتهما على تكوين أيونات لها أغلفة فرعية d غير مكتملة. كما يمكن تعريف النحاس والحديد باعتبارهما فلزين انتقاليين؛ نظرًا لتوزيعهما الإلكتروني [Ar]4s3d110 و[Ar]4s3d26، إلى جانب قدرتهما على تكوين أيونات لها أغلفة فرعية d غير مكتملة. لكن يجب ألَّا يُعرَّف الزنك على أنه فلز انتقالي؛ نظرًا لتوزيعه الإلكتروني [Ar]4s3d210، كما أنه يكوِّن الأيون Zn2+ الذي له التوزيع الإلكتروني [Ar]3d10. تحتوي ذرات الزنك المتعادلة الشحنة وأيونات الزنك الموجبة الشحنة (Zn2+) على غلاف فرعي d مكتمل أو ممتلئ تمامًا بالإلكترونات، وهذا يوضِّح أنها لا تتفق مع التعريف القياسي للفلز الانتقالي. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار (د) لا بد أنه الإجابة الصحيحة عن هذا السؤال.

يمكن استخدام حالة التأكسد لأيون فلز انتقالي لتحديد توزيعه الإلكتروني؛ وذلك لأن أعداد التأكسد توضِّح عدد الإلكترونات التي فقدتها الذرة. فيما يلي حالات التأكسد +2، +3، +4، +5 للفاناديوم: ،ذرة،أن،أن،أنأن[Ar]3d4s:V[Ar]3d:V[Ar]3d:V[Ar]3d:V[Ar]:V3232+23+14+5+.

يحتوي الفاناديوم على خمسة إلكترونات تكافؤ، ويكوِّن أنواعًا مختلفة من الأيونات الموجبة الشحنة عندما يفقد الإلكترونات من غلافه الفرعي 4s، ثم من غلافه الفرعي 3d. يتكوَّن أيون الفاناديوم 2+ عندما تفقد ذرة الفاناديوم إلكترونين من غلافها الفرعي 4s. يتكوَّن أيون الفاناديوم 3+ عند فقد إلكترون آخر من غلافه الفرعي 3d من أيون V2+. يتكوَّن أيون الفاناديوم 5+ عندما تفقد ذرة الفاناديوم كل الإلكترونات الموجودة في غلافيها الفرعيين 3d و4s.

يمكن دائمًا استخدام أعداد التأكسد لمعرفة عدد الإلكترونات التي فُقِدت من الغلافين الفرعيين 4s و3d من ذرة عنصر انتقالي. كما يمكن بشكلٍ عام استنتاج حالة التأكسد القصوى لأيِّ عنصر انتقالي من إجمالي عدد إلكترونات التكافؤ له.

مثال ٤: تحديد حالة التأكسد القصوى للمنجنيز من توزيعه الإلكتروني

إذا كان التوزيع الإلكتروني للمنجنيز هو [Ar]4s3d25، فما حالة التأكسد القصوى للفلز الانتقالي؟

الحل

يشير عدد التأكسد إلى عدد الإلكترونات التي فقدتها الذرة أو اكتسبتها. عناصر الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة عادةً ما تفقد إلكترونات من غلافيها الفرعيين 3d و4s. تحتوي ذرات المنجنيز على سبعة إلكترونات يمكن أن تُفقَد من غلافيها الفرعيين 4s و3d. وبذلك يمكننا تحديد أن المنجنيز قادر على تكوين أيون بحالة تأكسد +7.

النقاط الرئيسية

  • عناصر الفلزات الانتقالية في الصف الأول لها توزيعات إلكترونية متماثلة مع أغلفة فرعية 4s مكتملة تمامًا.
  • يحتوي الغلاف الفرعي 3d على مزيد من الإلكترونات عند الانتقال من السكانديوم إلى النحاس.
  • الكروم والنحاس لهما توزيعات إلكترونية غير معتادة مع مدارات 4s نصف ممتلئة.
  • توضِّح أعداد التأكسد عدد الإلكترونات التي فقدها العنصر الانتقالي أو اكتسبها.
  • العناصر من التيتانيوم إلى النحاس لها حالات تأكسد متعدِّدة.
  • جميع مدارات الأغلفة الفرعية تُملأ بإلكترونات فردية أولًا قبل ازدواج الإلكترونات في نفس المدار.
  • يمكن التعبير عن التوزيعات الإلكترونية للفلزات الانتقالية تخطيطيًّا باستخدام مجموعة من الأسهم الموجَّهة لأعلى () والموجَّهة لأسفل ().

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.