فيديو الدرس: التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية ونصف تكوين أيوناتها. سنذكر التوزيعات الإلكترونية وحالات التأكسد للصف الأول من عناصر الفئة ‪d‬‏ وأيوناتها، وسنوضح العلاقة بينها، وسنستخدم التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية لمساعدتنا في تعريف الفلز الانتقالي.

يصف التوزيع الإلكتروني للذرة عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة، وكيفية ترتيب هذه الإلكترونات في الأغلفة الإلكترونية والأغلفة الإلكترونية الفرعية المختلفة. في الجدول الدوري تضم الدورة أو الصف الأفقي العناصر التي لها إلكترونات تكافؤ في نفس الغلاف الإلكتروني الأعلى المشغول. على سبيل المثال، يحتوي الصوديوم وكافة العناصر الموجودة في الدورة الثالثة على إلكترونات التكافؤ في الغلاف الإلكتروني الثالث. لكن ترتيب الإلكترونات في الأغلفة الإلكترونية أكثر تعقيدًا مما أوضحنا هنا. داخل الأغلفة الإلكترونية، توجد أغلفة فرعية ذات رمز حرفي حسب نوع المدارات التي تحتوي عليها. هناك الأغلفة الإلكترونية الفرعية ‪s‬‏ و‪p‬‏ و‪d‬‏ و‪f‬‏.

يمكن تقسيم الجدول الدوري إلى فئات تمثل هذه الأغلفة الفرعية. تحتوي العناصر الموجودة في نفس الفئة على إلكترونات التكافؤ في نفس نوع الغلاف الفرعي. العناصر الموجودة في الفئة ‪d‬‏، وهي العناصر الموجودة في المجموعات من ثلاثة إلى 12، تحتوي على إلكترون تكافؤ واحد أو أكثر في الغلاف الفرعي ‪d‬‏. يعتمد الترتيب الذي تملأ به الإلكترونات الأغلفة الفرعية للذرة على زيادة الطاقة. وفقًا لمبدأ «أوفباو» تملأ الإلكترونات الأغلفة الفرعية الأقل طاقة قبل أن تملأ الأغلفة الفرعية الأعلى طاقة. يمكن كتابة التوزيع الإلكتروني للذرة بالانتقال دورة تلو الأخرى عبر الجدول الدوري، بدءًا من الهيدروجين حتى نصل إلى العنصر الذي نريد كتابة توزيعه الإلكتروني.

دعونا نكتب التوزيع الإلكتروني للعنصر الأول في الفئة ‪d‬‏ الموجود في الدورة الرابعة، وهو السكانديوم. السكانديوم عدده الذري 21، وهو ما يعني أن عدد الإلكترونات الإجمالي في ذرة السكانديوم يساوي 21 إلكترونًا. لكتابة التوزيع الإلكتروني للسكانديوم، دعونا نبدأ من الهيدروجين ونتحرك خلال الدورة الأولى من الجدول الدوري التي تمثل الغلاف الفرعي ‪1s‬‏. في كل مرة ننتقل فيها إلى عنصر جديد نضيف إلكترونًا آخر إلى الغلاف الفرعي. لذلك علينا ملء الغلاف الفرعي ‪1s‬‏ بإلكترونين. عند كتابة التوزيع الإلكتروني نبدأ كل جزء بتسمية الغلاف الفرعي، ونستخدم رمزًا علويًّا للإشارة إلى عدد الإلكترونات في الغلاف الفرعي.

بالانتقال إلى الدورة الثانية، نملأ الغلاف الفرعي ‪2s‬‏ بإلكترونين، والغلاف الفرعي ‪2p‬‏ بستة إلكترونات. بالانتقال خلال الدورة الثالثة، نملأ الغلاف الفرعي ‪3s‬‏ بإلكترونين، والغلاف الفرعي ‪3p‬‏ بستة إلكترونات. وأخيرًا، بالانتقال خلال الدورة الرابعة، نملأ الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ بإلكترونين، والغلاف الفرعي ‪3d‬‏ بإلكترون واحد. عندما نكتب التوزيع الإلكتروني باستخدام الجدول الدوري نجد أن القيمة المستخدمة لتسمية الغلاف الفرعي تطابق بوجه عام رقم الدورة. ومع ذلك، عند ملء الأغلفة الفرعية ‪d‬‏ تكون القيمة المستخدمة أقل دائمًا من رقم الدورة بمقدار واحد.

سنرى في أحيان كثيرة أن التوزيع الإلكتروني للعناصر الانتقالية مكتوب بحيث يأتي الغلاف الفرعي ‪3d‬‏ قبل الغلاف الفرعي ‪4s‬‏. من المقبول كتابته بأي من الطريقتين. يمكن أن تكون التوزيعات الإلكترونية للعناصر التي تقع بعد الدورة الرابعة طويلة جدًّا. لذلك يبسط الكيميائيون التوزيع الإلكتروني باستخدام ترميز مختصر. يقع السكانديوم في الدورة الرابعة. جزء التوزيع الإلكتروني الذي يكتب قبل الوصول إلى الدورة الرابعة يناظر التوزيع الإلكتروني للأرجون. تحتوي الأغلفة الفرعية المتبقية على إلكترونات التكافؤ لذرة السكانديوم.

يتكون الترميز المختصر من غاز نبيل بين قوسين، يليه التوزيع الإلكتروني لإلكترونات التكافؤ. بعد الجمع بين هذين الجزأين يكون الترميز المختصر للسكانديوم هو الأرجون بين قوسين ‪4s2 3d1‬‏.

والآن، بعد أن كتبنا توزيعًا إلكترونيًّا للعنصر الأول في الفئة ‪d‬‏، سنلقي نظرة عن كثب على التوزيعات الإلكترونية للعناصر الانتقالية. العناصر الانتقالية هي الفلزات الموجودة في المجموعات من ثلاثة إلى 11 في الجدول الدوري. العناصر الموجودة في المجموعة الــ 12، وهي الزنك والكادميوم والزئبق والكوبرنيسيوم، لا تعتبر عمومًا فلزات انتقالية.

يعرف العنصر الانتقالي بأنه عنصر يكون لذراته غلاف فرعي ‪d‬‏ غير مكتمل، أو يمكن أن يكون كاتيونات أغلفتها الفرعية ‪d‬‏ غير مكتملة. سنركز على العناصر الانتقالية في الدورة الرابعة لأنها تحتوي على أبسط التوزيعات الإلكترونية لجميع العناصر الانتقالية. لنكتب التوزيعات الإلكترونية باستخدام الترميز المختصر للفلزين الانتقاليين اللذين يليان السكانديوم؛ وهما: التيتانيوم، والفاناديوم.

يمكن استخدام المخططات المدارية لتوضيح كيفية ترتيب الإلكترونات في أغلفة التكافؤ للذرات الفلزية الانتقالية الثلاث هذه. وفقًا لقاعدة «هوند» تملأ المدارات الإلكترونية في نفس الغلاف الفرعي بإلكترون واحد حالة دورانه لأعلى قبل إمكانية ملئها بإلكترون حالة دورانه لأسفل. عند ملء غلاف التكافؤ لذرة السكانديوم، نبدأ بملء الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ بإلكترونين بحالتي دوران متعاكستين. يحتوي الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ على مدار واحد فقط؛ لذا يمكننا ملؤه بإلكترونين. بعد ذلك، علينا ملء المدار الأول في الغلاف الفرعي ‪3d‬‏ بإلكترون واحد حالة دورانه لأعلى.

لإكمال المخطط المداري لغلاف التكافؤ للتيتانيوم، علينا ملء الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ بإلكترونين بحالتي دوران متعاكستين. بعد ذلك، في الغلاف الفرعي ‪3d‬‏، سنضع إلكترونًا واحدًا حالة دورانه لأعلى في كل من المدار الأول والمدار الثاني. لا نضع إلكترونين في المدار الأول في الغلاف الفرعي ‪3d‬‏ لأن هذا سيخالف قاعدة «هوند». نتبع عملية مماثلة لإكمال المخطط بالنسبة إلى الفاناديوم. في الغلاف الفرعي ‪3d‬‏ للفاناديوم سيحتوي كل مدار من المدارات الثلاثة الأولى على إلكترون واحد حالة دورانه لأعلى.

الآن، نحن جاهزون لإلقاء نظرة على التوزيعات الإلكترونية لما تبقى من العناصر الانتقالية في الدورة الرابعة. في كل توزيع من التوزيعات الإلكترونية المتتالية نتوقع أن نرى إلكترونًا واحدًا إضافيًّا في الغلاف الفرعي ‪d‬‏. ولكن في التوزيعين الإلكترونيين للكروم والنحاس، يحتوي الغلاف الخارجي ‪d‬‏ على إلكترون إضافي آخر عما نتوقع.

بالفحص الدقيق للتوزيعات الإلكترونية والمخططات المدارية للكروم والنحاس، نرى أن الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ يحتوي على إلكترون واحد فقط بدلًا من اثنين. النتيجة أن الغلافين الفرعيين ‪4s‬‏ و‪3d‬‏ في الكروم نصفا ممتلئين تمامًا. وفي النحاس، الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ نصف ممتلئ، والغلاف الفرعي ‪3d‬‏ ممتلئ تمامًا. السبب وراء ذلك موجود خارج نطاق هذا الفيديو. ولكن من المهم أن نعرف الكروم والنحاس باعتبارهما فلزين انتقاليين في الدورة الرابعة يمثلان حالتين استثنائيتين من قواعد كتابة التوزيعات الإلكترونية.

عند النظر إلى التوزيعات الإلكترونية لجميع العناصر الانتقالية في الدورة الرابعة، نلاحظ أن جميعها، باستثناء النحاس، يحتوي على غلاف فرعي ‪d‬‏ غير مكتمل. هذه إحدى السمات المميزة للعناصر الانتقالية.

يمكن أن تكون معظم الفلزات الانتقالية أكثر من نوع من الأيونات. في الواقع، يمكن لجميع الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة أن تكون ثلاثة أيونات مختلفة أو أكثر، باستثناء السكانديوم الذي يمكنه تكوين نوع واحد فقط من الأيونات. تكون الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة كاتيونات أو أيونات موجبة الشحنة عن طريق فقد إلكترونات التكافؤ من غلافيها الفرعيين ‪s‬‏ و‪d‬‏. تمثل حالة تأكسد الفلز الانتقالي عدد الإلكترونات التي فقدتها ذرة الفلز لتكوين أيون.

للنيكل ثلاث حالات تأكسد مختلفة: موجب اثنين وموجب ثلاثة وموجب أربعة. نظرًا لذلك التنوع في حالات التأكسد، يمكن أن يكون النيكل أكثر من نوع واحد من المركبات مع بعض العناصر. في حالة أكسيد النيكل الثنائي يتحد أيون النيكل اثنين الموجب بأيون الأكسيد، وفي حالة أكسيد النيكل الثلاثي يتحد أيون النيكل ثلاثة الموجب. إذن، كيف تتكون هذه الأيونات المختلفة بالضبط؟

لنبدأ بالنظر إلى التوزيع الإلكتروني والمخطط المداري لذرة النيكل. الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة تميل إلى فقد الإلكترونات من الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ قبل أن تفقد إلكترونات من الغلاف الفرعي ‪3d‬‏. لنفترض أن ذرة النيكل تفقد إلكترونين لتكوين أيون نيكل اثنين الموجب. نظرًا لفقد إلكتروني الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ لن يتضمن التوزيع الإلكتروني للأيون الغلاف الفرعي ‪4s‬‏. إذا فقدت ذرة نيكل ثلاثة إلكترونات لتكوين أيون النيكل ثلاثة الموجب، فإنه يمكن فقد الإلكترون الثالث من الغلاف الفرعي ‪3d‬‏.

بوجه عام، عند كتابة التوزيعات الإلكترونية للفلزات الانتقالية الموجودة في الدورة الرابعة، يملأ الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ بالإلكترونات قبل الغلاف الفرعي ‪3d‬‏. بالمقارنة، عند كتابة التوزيعات الإلكترونية لأيونات الفلزات الانتقالية، تفقد الإلكترونات من الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ قبل الغلاف الفرعي ‪3d‬‏. قبل أن نلخص ما تعلمناه عن الفلزات الانتقالية وتوزيعاتها الإلكترونية في هذا الفيديو، دعونا نلق نظرة على سؤال.

أي من الآتي يمثل التوزيع الإلكتروني لعنصر ‪Ti‬‏؟ (أ) ‪[Ar] 4s1 3d3‬‏، (ب) ‪[Ar] 3s2 4d2‬‏، (ج) ‪[Kr] 4s2 3d2‬‏، (د) ‪[Kr] 5s2 4d2‬‏، (هـ) ‪[Ar] 4s2 3d2‬‏.

لحل هذا السؤال، علينا تحديد خيار الإجابة الذي يوضح التوزيع الإلكتروني الصحيح لعنصر التيتانيوم. يصف التوزيع الإلكتروني للذرة عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة، وكيفية ترتيب هذه الإلكترونات في الأغلفة الإلكترونية والأغلفة الإلكترونية الفرعية المختلفة. العدد الذري للتيتانيوم 22، وهو ما يعني أن إجمالي عدد الإلكترونات في ذرة التيتانيوم يساوي 22 إلكترونًا.

عند النظر إلى خيارات الإجابة نلاحظ أن التوزيعات الإلكترونية المقدمة معطاة بالترميز المختصر. بوجه عام، الترميز المختصر يكون على صورة الرمز الكيميائي لغاز نبيل متبوعًا بالتوزيع الإلكتروني للأغلفة الفرعية التي تحتوي على إلكترونات التكافؤ. التيتانيوم هو العنصر الانتقالي الثاني في الدورة الرابعة في الجدول الدوري. دعونا نستخدم الجدول الدوري لملء الأغلفة الفرعية في ذرة التيتانيوم بالإلكترونات.

بدءًا من الهيدروجين وبالانتقال خلال الدورة الأولى، نملأ الغلاف الفرعي ‪1s‬‏ بإلكترونين. لذا نكتب ‪1s2‬‏. بالانتقال خلال الدورة الثانية، نملأ الغلاف الفرعي ‪2s‬‏ بإلكترونين، والغلاف الفرعي ‪2p‬‏ بستة إلكترونات. ومن ثم، يمكننا كتابة ‪2s2 2p6‬‏. بالانتقال خلال الدورة الثالثة، يكون النمط مماثلًا للدورة الثانية. سنملأ الغلاف الفرعي ‪3s‬‏ بإلكترونين، والغلاف الفرعي ‪3p‬‏ بستة إلكترونات. لذلك يمكننا كتابة ‪3s2 3p6‬‏. وأخيرًا، في الدورة الرابعة، نملأ الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ بإلكترونين، والغلاف الفرعي ‪3d‬‏ بإلكترونين. ومن ثم، يمكننا كتابة ‪4s2 3d2‬‏.

لكتابة التوزيع الإلكتروني الكامل للتيتانيوم، نرتب الأغلفة الفرعية من اليسار إلى اليمين. لتحديد الغاز النبيل الذي يجب استخدامه في الترميز المختصر، كل ما علينا فعله هو تحديد مكان الغاز النبيل الموجود في نهاية الدورة التي تسبق الدورة الموجود فيها العنصر الذي لدينا. نظرًا لأن التيتانيوم يقع في الدورة الرابعة، فإننا نبحث عن الغاز النبيل الموجود في نهاية الدورة الثالثة، وهو الأرجون. يمكننا اختصار التوزيع الإلكتروني الذي كتبناه بالنسبة إلى الدورة الأولى حتى الثالثة بكتابة الأرجون بين قوسين. بعبارة أخرى، الصورة المختصرة للتوزيع الإلكتروني للتيتانيوم يمكن كتابتها في صورة الأرجون بين قوسين متبوعًا بـ ‪4s2 3d2‬‏. إذن، الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ): الأرجون بين قوسين ‪4s2 3d2‬‏.

والآن، لنلخص ما تعلمناه. العناصر الانتقالية هي عناصر ذات أغلفة فرعية ‪d‬‏ غير مكتملة، أو تكون كاتيونات أغلفتها الفرعية ‪d‬‏ غير مكتملة. جميع الفلزات الانتقالية في الدورة الرابعة لها توزيعات إلكترونية تكون فيها الأغلفة الفرعية ‪4s‬‏ مكتملة والأغلفة الفرعية ‪3d‬‏ غير مكتملة، فيما عدا النحاس والكروم. في الكروم، يكون كل من الغلافين الفرعيين ‪4s‬‏ و‪3d‬‏ نصف ممتلئ. وفي النحاس يكون الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ نصف ممتلئ، ويكون الغلاف الفرعي ‪3d‬‏ ممتلئًا تمامًا.

عند كتابة التوزيعات الإلكترونية لذرات الفلزات الانتقالية الموجودة في الدورة الرابعة، تملأ الإلكترونات الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ قبل الغلاف الفرعي ‪3d‬‏. ومع ذلك، عند كتابة التوزيع الإلكتروني لأيونات الفلزات الانتقالية الموجودة في الدورة الرابعة، تفقد الإلكترونات من الغلاف الفرعي ‪4s‬‏ قبل الغلاف الفرعي ‪3d‬‏. نظرًا لأن معظم الفلزات الانتقالية لها حالات تأكسد متعددة، فإنها يمكنها تكوين أكثر من نوع واحد من الكاتيونات.