في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد إذا ما كان غلاف إلكتروني لذرة ما مكتملًا أو لا، وأي انتقالات إلكترونية ممكنة في ذرة معطاة.
تتكون الذرة من ثلاثة أنواع مختلفة من الجسيمات: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. تُكوِّن النيوترونات والبروتونات معًا النواة، بينما توجد الإلكترونات خارجها. يوضح الشكل التالي ذرة.
تمثل النقطة الوردية في هذا الشكل النواة بالكامل، بينما تمثل النقطتان الزرقاوان حولها إلكترونين. أبعاد هذا الشكل، وجميع الأشكال التالية، ليست واقعية؛ فالإلكترونات أصغر بكثير من نواة الذرة، والمسافة بينهما أكبر مما يمكن إيضاحه في هذه الصفحة.
وللتبسيط، هذه الأشكال متعادلة كهربيًّا ما لم يُذكَر غير ذلك. هذا يعني أن لكل إلكترون بروتونًا، الأمر الذي سيُمكِّنك من تحديد العنصر الذي تعبِّر عنه الذرة عن طريق مقارنة عدد الإلكترونات بالعدد الذري. على سبيل المثال، يحتوي الشكل أعلاه على إلكترونين؛ ومن ثَمَّ فهو عنصر عدده الذري 2، أي الهليوم.
لنلق نظرة على مثال.
مثال ١: تحديد عنصر عن طريق عدِّ إلكترونات ذرة متعادلة كهربيًّا
يوضِّح الشكل إلكترونات في أغلفة إلكترونية مختلفة في ذرةٍ ما. الذرة متعادلة كهربيًّا. ما العنصر الذي تعبِّر عنه هذه الذرة؟
الحل
هذه الذرة متعادلة كهربيًّا؛ ما يعني أن لكل إلكترون بروتونًا. ويوجد 3 إلكترونات؛ ما يعني أن الذرة بها 3 بروتونات؛ إذن فالعدد الذري للعنصر هو 3.
بالنظر إلى الجدول الدوري، نجد أن الليثيوم عدده الذري 3.
إذن، هذه الذرة هي ذرة الليثيوم.
إذا كانت الذرة في المثال المذكور أعلاه شحنتها بدلًا من أن تكون متعادلة كهربيًّا؛ فهذا يعني أن عدد الإلكترونات بها يزيد بمقدار واحد عن عدد البروتونات. وبما أن هناك ثلاثة إلكترونات؛ فهذا يعني أنها تحتوي على بروتونين، ما يجعلها ذرة هليوم لا ليثيوم.
في هذه الأشكال، نرى الإلكترونات في حلقات حول النواة. وفي الواقع، هذه الحلقات محددة جدًّا وتمثل الغلاف الذي توجد فيه الإلكترونات. فكل غلاف — وهو ما يُسمَّى أيضًا مستوى الطاقة — لا يستطيع استيعاب إلا كمية معينة من الإلكترونات قبل أن تنتقل هذه الإلكترونات إلى غلاف أبعد، كما هو موضح في الجدول التالي.
| الغلاف/ مستوى الطاقة | الإلكترونات |
|---|---|
| 1 | 2 |
| 2 | 8 |
| 3 | 18 |
| 4 | 32 |
تسمى الأغلفة الإلكترونية أيضًا مستويات طاقة الإلكترون؛ لأن طاقة الإلكترونات الموجودة فيها تتغير من غلاف إلى آخر. فالإلكترونات الموجودة في غلاف الطاقة الداخلي هي الأقل طاقة، بينما الإلكترونات الموجودة في غلاف الطاقة الخارجي هي الأكثر طاقة.
لنُلقِ نظرة على مثال.
مثال ٢: عدد الإلكترونات في الأغلفة الإلكترونية المختلفة
يوضِّح الشكل الإلكترونات في الأغلفة الإلكترونية المختلفة في ذرة ما. جميع الأغلفة الإلكترونية الأربعة الأولى في الذرة ممتلئة.
- أيُّ غلاف إلكتروني يحتوي على أكبر عدد من الإلكترونات؟
- أيُّ غلاف إلكتروني يحتوي على أقل عدد من الإلكترونات؟
الحل
الجزء 1
يوضح لنا رقم الغلاف مدى قربه من النواة. فالغلاف 1 هو الأقرب، والغلاف 4 هو الأبعد. ويمكننا عدُّ الإلكترونات المنفردة لتحديد عددها، لكن يمكننا أيضًا ملاحظة أنه كلما ابتعدت الأغلفة عن النواة، زاد عدد الإلكترونات فيها.
فتحتوي الحلقة الداخلية، أو الغلاف 1، على إلكترونين. وتحتوي الحلقة التالية لها، أي الغلاف 2، على 8 إلكترونات، بينما يحتوي الغلاف 3 على 18 إلكترونًا، والغلاف 4 على 32 إلكترونًا.
إذن فالغلاف الإلكتروني الذي يحتوي على أكبر عدد من الإلكترونات هو الغلاف 4.
الجزء 2
الغلاف الإلكتروني الذي يحتوي على أقل عدد من الإلكترونات هو الأقرب إلى النواة، أي الغلاف 1.
تشغل الإلكترونات عادةً أدنى مستوى للطاقة، حيث تملأ الأغلفة من الأقرب للنواة إلى الأبعد. وعندما تملأ كل إلكترونات الذرة أدنى مستويات الطاقة الممكنة، نقول إن الذرة في الحالة الأرضية.
ويمكن جعل بعض الإلكترونات في مستوى طاقة أعلى بصورة مؤقتة عن طريق تعريضها للضوء. فعندما تكون الإلكترونات في مستوى طاقة أعلى من الحالة الأرضية، نقول إنها في حالة مثارة. وهذا يعني أنه يمكن للإلكترون أن يكون في غلاف أعلى قبل أن يمتلئ مستوى الطاقة الأدنى بالكامل. يوضح الشكل التالي ذرة هليوم متعادلة كهربيًّا في الحالتين الأرضية والمثارة.
لنُلقِ نظرة على مثال.
مثال ٣: الإلكترونات في الحالة المثارة حول ذرة نيون
يوضِّح الشكل ذرة نيون مُتعادِلة كهربيًّا. ما عدد الإلكترونات المُثارة في هذه الذرة؟
الحل
لنبدأ بحساب إجمالي عدد الإلكترونات والتفكير في عدد الإلكترونات الموجودة في الحالة الأرضية. يوجد إلكترونان في مستوى الطاقة الأول، و6 إلكترونات في المستوى الثاني، وإلكترونان في المستوى الثالث. إذن، فإجمالي عدد الإلكترونات هو 10.
ولكي تكون هذه الإلكترونات العشرة في الحالة الأرضية، يجب أولًا أن تملأ الغلاف الداخلي الذي يمكنه استيعاب إلكترونين. ومن ثَمَّ، يتبقى 8 إلكترونات.
تملأ هذه الإلكترونات الثمانية مستوى الطاقة الثاني بالكامل؛ ومن ثَمَّ يجب ألا تكون هناك إلكترونات في الغلاف الثالث في الحالة الأرضية. ومع ذلك نرى أنه يوجد إلكترونان في الغلاف الثالث؛ ومن ثَمَّ لا بد أن يكون هذان الإلكترونان مثارين.
إذن يوجد إلكترونان في الحالة المثارة، وهما الإلكترونان الموجودان في مستوى الطاقة الثالث.
في حالة عدم وجود إلكترونات مثارة، تُملأ مستويات الطاقة من المستوى الداخلي إلى الخارجي. هذا يعني أنه قبل أن يبدأ ملء الغلاف الثاني، لا بد أن يمتلأ الغلاف الأول بالكامل.
ولا يُعَد الغلاف ممتلئًا ما لم يحتو على أقصى عدد من الإلكترونات المسموح بها فيه. وهذا يعني أنه إذا كان الغلاف الأول يحتوي على إلكترون واحد فقط، فهو غير ممتلئ؛ لأنه يستوعب إلكترونين بحد أقصى.
لنُلقِ نظرة على مثال.
مثال ٤: مَلءُ الأغلفة الإلكترونية
يوضِّح الشكل الإلكترونات في الأغلفة الإلكترونية المختلفة في ذرة ما. الغلاف الخارجي غير ممتلئ. كم إلكترونًا يمكن أن يُضاف إلى الغلاف الخارجي للذرة ليكتمل؟
الحل
عندما يذكر السؤال الغلاف الخارجي، فهو يقصد فقط الغلاف الخارجي الذي به إلكترونات بالفعل. هذا يعني أننا لا نهتم بملء الغلاف الثالث أو الرابع.
نعلم أن الغلاف الأول يمكنه استيعاب إلكترونين، والغلاف الثاني يمكنه استيعاب 8 إلكترونات. بالنظر إلى هذا الشكل، نجد أن الغلاف الأول ممتلئ، ولكن الغلاف الثاني يحتوي على 7 إلكترونات فقط. لذا، فيمكنه استيعاب إلكترون واحد آخر فقط ليصبح ممتلئًا.
إذن، فالإجابة هي إلكترون واحد.
لكي يُثار الإلكترون، يمكنه أن يمتص فوتونًا، وهو جسيم الضوء. فتنتقل طاقة الفوتون إلى الإلكترون؛ ما يجعله ينتقل إلى مستوى طاقة مختلف. وتؤدي الفوتونات ذات الطاقة الأعلى إلى انتقال الإلكترون إلى مستويات طاقة أعلى.
للانتقال بين مستويين محددين من مستويات الطاقة، يجب أن تساوي طاقة الفوتون الفرق في الطاقة بين هذين المستويين. يوضح الشكل التالي إلكترونًا يمتص فوتونًا طاقته تساوي الفرق بين مستويي الطاقة الأول والثالث.
ويؤدي امتصاص الفوتون إلى انتقال الإلكترون من مستوى الطاقة الأول إلى المستوى الثالث. ولكن لا يمكن للإلكترونات أن تظل في الحالة المثارة لفترة طويلة؛ فهي تضمحل إلى الحالة الأرضية بعد مضي فترة من الوقت، كما هو موضح في الشكل التالي.
ينبعث فوتون عندما ينتقل الإلكترون من مستوى الطاقة الثالث إلى المستوى الأول. وطاقة هذا الفوتون المُنبعِث تطابق تقريبًا طاقة الفوتون الذي أثار الإلكترون في البداية.
لنُلقِ نظرة على بعض الأمثلة.
مثال ٥: الانتقال الإلكتروني في ذرة الهيدروجين
يوضِّح الشكل ذرة هيدروجين. ينتقل الإلكترون الموضَّح بين مستويَيْ طاقة في الذرة.
- أيُّ مستوى طاقة كان فيه الإلكترون في البداية؟
- أيُّ مستوى طاقة ينتقل إليه الإلكترون؟
الحل
الجزء 1
يكون عَدُّ مستويات الطاقة من الداخل إلى الخارج. نرى هنا أن الإلكترون كان في البداية في المستوى الخارجي، وهو الحلقة الرابعة من المركز.
إذن كان الإلكترون في البداية في مستوى الطاقة الرابع.
الجزء 2
يوضح السهم مستوى الطاقة الذي ينتقل إليه الإلكترون، وهو يشير إلى الحلقة الثانية من المركز.
إذن، ينتقل الإلكترون إلى مستوى الطاقة الثاني.
مثال ٦: تحديد أكبر طاقة للفوتون في الانتقال الإلكتروني
يوضح كل شكل من الأشكال الآتية ذرة هيدروجين توجد في البداية في حالة مثارة. في كل حالة، ينتقل الإلكترون من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أدنى، باعثًا فوتونًا. في أي حالة تكون طاقة الفوتون المنبعث أكبر ما يمكن؟
الحل
إن الإلكترونات الموجودة في مستويات الطاقة الأعلى يكون لها طاقة أكبر من تلك الموجودة في مستويات الطاقة الأدنى. وعندما ينتقل إلكترون إلى حالة أدنى، ينبعث فوتون طاقته تساوي فرق الطاقة بين مستويي الطاقة اللذين ينتقل بينهما الإلكترون.
هذا يعني أن الانتقال من مستوى طاقة أعلى إلى الحالة الأرضية (مثل الانتقال من الغلاف 3 إلى الغلاف 1) ينتج عنه فوتون ذو طاقة أعلى مقارنة بالانتقال من حالة أدنى (من الغلاف 2 إلى الغلاف 1).
في الحالة (أ) نرى فوتونًا ينبعث بعد أن ينتقل الإلكترون من مستوى الطاقة 3 إلى مستوى الطاقة 1. وتتضح طاقة الفوتون أيضًا من طوله الموجي؛ فالأطوال الموجية الأقصر تعني طاقة أكبر.
في الحالة (ب)، نرى فوتونًا ينبعث عند انتقال الإلكترون من الغلاف 2 إلى الغلاف 1. فينتج عن ذلك فوتون بطول موجي طويل وطاقة أقل من الحالة (أ)؛ لذا لا يمكن أن يكون هذا الفوتون هو الإجابة.
في الحالة (ج)، ينتقل الإلكترون من مستوى الطاقة 4 إلى مستوى الطاقة 1، وهو أبعد مستوى يمكنه الانتقال إليه. وللفوتون المنبعث طول موجي قصير وطاقة أكبر من الحالة (أ) التي يحدث فيها الانتقال من المستوى 3 إلى المستوى 1 فقط.
إذن فالحالة التي تكون فيها طاقة الفوتون المنبعث أكبر ما يمكن هي الحالة (ج).
الإلكترونات التي تُثار وتنتقل إلى مستويات طاقة أعلى تظل مقيّدة بالحد الأقصى لعدد الإلكترونات الذي يمكن للغلاف استيعابه.
لنُلقِ نظرة على مثال.
مثال ٧: الانتقال الإلكتروني في ذرة أغلفتها ممتلئة
يوضِّح الشكل ذرة متعادلة كهربيًّا. إذا امتص أحد إلكترونات مستوى الطاقة الداخلي للذرة فوتونًا وانتقل إلى مستوى إثارة، فإلى أيِّ غلاف من الأغلفة الإلكترونية الموضَّحة بالشكل يمكن أن ينتقل الإلكترون؟
الحل
يستطيع الإلكترون المثار أن ينتقل إلى أي مستوى غير ممتلئ من مستويات الطاقة الأعلى؛ لذلك نحتاج إلى معرفة الأغلفة الممتلئة وغير الممتلئة. دعونا نتذكر الجدول الذي يوضح عدد الإلكترونات المسموح بها في كل مستوى من مستويات الطاقة.
| الغلاف/ مستوى الطاقة | الإلكترونات |
|---|---|
| 1 | 2 |
| 2 | 8 |
| 3 | 18 |
| 4 | 32 |
ينتقل الإلكترون المُثار من الغلاف الداخلي الذي نلاحظ أنه ممتلئ بإلكترونين.
والغلاف 2، أي الحلقة الثانية من المركز، ممتلئ بثمانية إلكترونات. ولا يستطيع استيعاب أي إلكترونات أخرى.
أما الغلاف 3، فيحتوي على 10 إلكترونات فقط، وهذا أقل من سعته الكاملة التي تبلغ 18 إلكترونًا. وبما أن الغلاف 2 ممتلئ، يتعين على الإلكترون المثار في الغلاف 1 أن يتجاوز الغلاف 2 ليصل مباشرةً إلى الغلاف 3.
إذن، فالإجابة هي الغلاف 3.
لنلخص الآن ما تعلمناه في هذا الشارح.
النقاط الرئيسية
- توجد الإلكترونات حول النواة، وهي موزعة في أغلفة أو مستويات طاقة.
- مستويات طاقة الإلكترونات مرقمة، ويكون لمستويات الطاقة الأعلى طاقة أكبر.
- تكون الإلكترونات في أقل مستوى طاقة ممكن، ما لم تُثار عن طريق فوتون.
- لكل مستوى من مستويات الطاقة حد معين لعدد الإلكترونات التي يمكنه استيعابها، كما هو موضح في الجدول التالي.
الغلاف/ مستوى الطاقة الإلكترونات 1 2 2 8 3 18 4 32 - كلما زاد الفرق بين مستويي الطاقة، زادت طاقة الفوتون اللازمة للانتقال بين هذين المستويين.
