فيديو الدرس: المدارات الذرية الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على المدارات الذرية. وسنتعلم كيف نتعرف على المدارات الذرية بناء على شكلها، وكيف نحدد مدارات ذرية بعينها باستخدام أعداد الكم، وكيف نحدد أي المدارات تشغلها الإلكترونات في الذرة. في الماضي، ظن العلماء أن الإلكترون جسيم نقطي يدور حول نواة الذرة ويمكن أن يشغل مستويات طاقة مختلفة. يعرف هذا الوصف بنموذج بور للذرة، الذي طرحه الفيزيائي نيلز بور عام 1913. لكن بعد فترة قصيرة، في عشرينيات القرن التاسع عشر، ظهرت أدلة تجريبية أثبتت أن الإلكترونات والجسيمات الأساسية الأخرى لها خواص موجية. وأسهمت هذه الاكتشافات في تأسيس فرع جديد من فروع الفيزياء يسمى ميكانيكا الكم.

وكان اكتشاف وجود خواص موجية للإلكترون معناه أن نموذج بور للذرة غير صحيح. ولا يجوز لنا وصف الإلكترون بأنه جسيم يشغل نقطة ما في الفراغ ويدور حول النواة. بل على الأحرى، الإلكترون أشبه بسحابة منتشرة في الفراغ المحيط بنواة الذرة. وللأسف، ليس لهذه السحابة الإلكترونية موضع أو كمية حركة محددان مثل الجسيم. وجزء من كثافة هذه السحابة يقع بعيدًا عن النواة.

تمكن العلماء، من خلال استخدام الإطار الرياضي لميكانيكا الكم، من صياغة تعبيرات رياضية ثلاثية الأبعاد لوصف شكل هذه السحابة الإلكترونية. وهذه التعبيرات الرياضية، التي تسمى بالمدارات الذرية، لها أشكال تحتوي على الجزء الأكبر من الكثافة الإلكترونية حول النواة. وهكذا يمكن للمدارات الذرية أن تدلنا على الموضع الذي يرجح وجود الإلكترون فيه داخل الذرة. وبالنظر إلى هذا الرسم المبسط، يمكننا أن نرى أن الكثافة الإلكترونية التي يصفها المدار الذري ليست متماثلة في جميع المواضع. ويمكننا تجسيد ذلك على هذا التمثيل البياني. يوضح هذا التمثيل البياني الكثافة الإلكترونية على هيئة دالة للمسافة التي يبعدها الإلكترون عن النواة. يمكننا أن نرى أن الكثافة الإلكترونية تكون في أعلى مستوياتها بالقرب من النواة. وتتضاءل تدريجيًّا كلما ابتعدنا عن النواة.

يوضح لنا هذا التمثيل البياني الكثافة الإلكترونية لمدار ذري في مستوى الطاقة الأول. ويوضح هذا التمثيل البياني الكثافة الإلكترونية لمدار ذري في مستوى الطاقة الثاني. في مستوى الطاقة الثاني، يكون للإلكترون قمتان للكثافة الإلكترونية مع وجود مساحة بينهما لا توجد بها أي كثافة إلكترونية تسمى العقدة. وهكذا يمكن تمثيل مدار الطاقة الثاني هذا على هذا النحو. لدينا هنا المنطقة الأولى للكثافة الإلكترونية، وهي عبارة عن شكل كروي يحيط بالنواة، ثم عقدة كروية لا توجد بها كثافة إلكترونية، ثم كرة أخرى من الكثافة الإلكترونية تحيط بها. بالنظر إلى التمثيل البياني، سنلاحظ أيضًا أن الكثافة الإلكترونية لمدار الطاقة الثاني تمتد بعيدًا عن النواة أكثر من امتداد الكثافة الإلكترونية لمدار الطاقة الأول. ومن ثم فإن مدار الطاقة الثاني أكبر من مدار الطاقة الأول.

ونرى أمرًا مماثلًا لذلك في مدار الطاقة الثالث، إذ توجد به ثلاث مناطق للكثافة الإلكترونية وعقدتان. والمدار الذري في مستوى الطاقة الثالث يمتد بعيدًا عن النواة أكثر من المدارين في مستويي الطاقة الأول والثاني. وهذا يعني أنه الأكبر من بين المدارات الثلاثة. يسمى هذا النوع من المدارات الكروية الشكل بمدارات النوع ‪s‬‏. لكن هناك أنواعًا أخرى من المدارات لها أشكال وأحجام مختلفة. وفي الكيمياء، أكثر أنواع المدارات الذرية التي قد نصادفها شيوعًا هي المدارات ‪s‬‏، و‪p‬‏، و‪d‬‏، و‪f‬‏. ويرمز الحرف ‪s‬‏ إلى ‪sharp‬‏ في الإنجليزية، التي تعني «واضحًا»، والحرف ‪p‬‏ إلى كلمة ‪principal‬‏ أي «أساسي»، والحرف ‪d‬‏ إلى كلمة ‪diffuse‬‏ أي «منتشر»، والحرف ‪f‬‏ إلى كلمة ‪fundamental‬‏ أي «جوهري». وهذه أسماء قديمة. أطلقت هذه الأسماء على المدارات بناء على المظهر المرئي لخطوط الطيف المنبعثة من الفلزات القلوية.

تتميز مدارات النوع ‪s‬‏ بشكلها الكروي. توجد ثلاثة مدارات من النوع ‪p‬‏، لكل منها فصان من الكثافة الإلكترونية موجودان على جانبي النواة، مما يعطيها شكلًا يشبه الدمبل. وهناك عقدة عند المستوى الذي يلتقي فيه هذان الفصان. كل من مدارات النوع ‪p‬‏ موجه حول محور من محاور الإحداثيات الكارتيزية. وتوجد خمسة مدارات من النوع ‪d‬‏. أربعة منها بها أربعة فصوص من الكثافة الإلكترونية، مما يمنحها شكلًا يشبه زهرة البرسيم رباعية الأوراق. وكل منها له اتجاه مختلف عن الآخر في الفراغ. أما المدار من النوع ‪d‬‏ الخامس فيحتوي على فصين وتحيط بمركزه حلقة تشبه كعكة الدونات. وتوجد سبعة مدارات من النوع ‪f‬‏، لكنها معقدة للغاية بحيث يتعذر رسمها.

تشكل المدارات المندرجة تحت كل نوع، مجتمعة، غلافًا فرعيًّا. فهناك مدار ‪s‬‏ واحد في كل غلاف فرعي من النوع ‪s‬‏. وتشكل مدارات النوع ‪p‬‏ الثلاثة غلاف ‪p‬‏ فرعيًّا. ويمكن أن يحتوي كل مستوى طاقة، أو غلاف، على عدة أغلفة فرعية. في الغلاف الأول، لا يوجد سوى الغلاف الفرعي ‪s‬‏. وفي الغلاف الثاني، يوجد غلاف فرعي ‪s‬‏ وغلاف فرعي ‪p‬‏. ويستمر هذا النمط في التكرار بالنسبة للأغلفة ذات مستويات الطاقة الأعلى. ومن ثم فإنه كلما زاد مستوى الطاقة، زاد عدد المدارات داخل الغلاف. يمكننا الإشارة بسهولة إلى غلاف فرعي داخل غلاف محدد باستخدام ترميز الأغلفة الفرعية. يعتمد ترميز الأغلفة الفرعية على استخدام رقم الغلاف وحرف الغلاف الفرعي. وباستخدام ترميز الأغلفة الفرعية، سيكون رمز هذا الغلاف الفرعي هو 1s، وهذا سيكون رمزه 2s، وستشكل مدارات ‪p‬‏ الثلاثة تلك الغلاف الفرعي 2p وهكذا.

يمكننا الإشارة بسهولة إلى مدار ذري معين باستخدام مجموعة من الأعداد تسمى أعداد الكم. وأول هذه الأعداد هو عدد الكم الرئيسي، الذي يرمز إليه بالحرف ‪𝑛‬‏. يدل عدد الكم هذا على مستوى الطاقة. في حالة مستوى الطاقة الأول ‪𝑛‬‏ يساوي واحدًا. وفي حالة مستوى الطاقة الثاني ‪𝑛‬‏ يساوي اثنين وهكذا. كما يدلنا عدد الكم هذا على حجم المدار نظرًا إلى أن حجم المدار يزداد بازدياد مستوى الطاقة.

عدد الكم التالي هو عدد الكم الثانوي، ويطلق عليه أيضًا عدد الكم السمتي، أو عدد الكم المداري، أو عدد كم العزم الزاوي للمدار. ويدلنا عدد الكم هذا على الغلاف الفرعي. وكل نوع من المدارات له قيمة مختلفة لـ ‪𝑙‬‏. بالنسبة لمدارات ‪s‬‏، قيمة ‪𝑙‬‏ تساوي صفرًا. ولمدارات ‪p‬‏، قيمة ‪𝑙‬‏ تساوي واحدًا. ولمدارات ‪d‬‏، قيمة ‪𝑙‬‏ تساوي اثنين. ولمدارات ‪f‬‏، قيمة ‪𝑙‬‏ تساوي ثلاثة. يمكن أن تتراوح قيمة ‪𝑙‬‏ من صفر إلى ‪𝑛‬‏ ناقص واحد. وتتوافق هذه القيمة مع الكيفية التي يزداد بها عدد الأغلفة الفرعية بالترافق مع زيادة مستوى الطاقة.

عدد الكم التالي هو عدد الكم المغناطيسي الذي يرمز إليه بـ ‪𝑚𝑙‬‏. يدل عدد الكم هذا على اتجاه المدار. بالنسبة لمدارات ‪p‬‏، سيدلنا عدد الكم ذلك على ما إذا كان المدار موجهًا على امتداد المحور ‪𝑥‬‏ أم ‪𝑦‬‏ أم ‪𝑧‬‏. يمكن أن تتراوح قيمة ‪𝑚𝑙‬‏ من سالب ‪𝑙‬‏ إلى موجب ‪𝑙‬‏. وهكذا، إذا كان ‪𝑙‬‏ يساوي صفرًا، لا يمكن أن يكون ‪𝑚𝑙‬‏ سوى صفر. لكن إذا كان ‪𝑙‬‏ يساوي واحدًا، فيمكن أن يكون ‪𝑚𝑙‬‏ سالب واحد، أو صفر، أو موجب واحد، وهكذا. لا داعي للاهتمام كثيرًا بمعرفة أي قيم ‪𝑚𝑙‬‏ تتوافق مع أي اتجاهات للمدارات. فللأسف ليس الأمر بالبساطة التي تجعلنا نقول إنه إذا كان ‪𝑚𝑙‬‏ يساوي واحدًا، فسيتوافق مع المدار ‪p𝑥‬‏ وإذا كان ‪𝑚𝑙‬‏ يساوي سالب واحد، فسيتوافق مع المدار ‪p𝑦‬‏.

تحتوي جميع المدارات، بغض النظر عن نوعها، على إلكترونين بحد أقصى. ونظرًا إلى أن كل غلاف فرعي يحتوي على عدد مختلف من المدارات، يمكن لكل غلاف أن يحتوي على عدد أقصى مختلف من الإلكترونات. تملأ الإلكترونات المدارات حسب الترتيب التصاعدي لمستويات الطاقة وفقًا لمبدأ أوفباو. يلخص هذا الشكل الترتيب الذي تمتلئ وفقه المدارات بالإلكترونات. ومن ثم الإلكترون الوحيد للهيدروجين سيكون في أدنى مدار للطاقة، وهو المدار 1s. ويمكننا الإشارة إلى وجود إلكترون واحد في المدار 1s باستخدام رمز علوي. يعطينا ذلك التوزيع الإلكتروني للهيدروجين، الذي يدلنا على الأغلفة الفرعية التي تشغلها الإلكترونات في الذرة.

يحتوي الليثيوم على ثلاثة إلكترونات. يملأ الإلكترونان الأولان الغلاف الفرعي 1s. والإلكترون التالي سيملأ المدار التالي الأعلى طاقة وهو المدار 2s. يحتوي الكربون على ستة إلكترونات تملأ المدارين 1s و2s. والإلكترونات المتبقية ستنتقل إلى الغلاف الفرعي التالي الأعلى طاقة، وهو الغلاف الفرعي 2p. يحتوي النيون على 10 إلكترونات. تملأ الإلكترونات الأربعة الأولى الغلافين الفرعيين 1s و2s. والإلكترونات الستة المتبقية ستملأ الغلاف الفرعي 2p.

إذا رسمنا المدارات المملوءة على الجدول الدوري، فسنلاحظ أن العناصر التي تنتمي إلى نفس المجموعة يكون لها في المعتاد توزيعات إلكترونية متشابهة. على سبيل المثال، في حالة الهالوجينات، يمكننا أن نرى أن توزيع إلكترونات التكافؤ يحتوي على غلاف فرعي ‪s‬‏ ممتلئ وخمسة إلكترونات في الغلاف الفرعي ‪p‬‏. ولهذا السبب فإن العناصر المنتمية إلى نفس المجموعة يكون لها في المعتاد خواص كيميائية متشابهة. وغالبًا ما يكون الجدول الدوري مقسمًا إلى فئات تتوافق مع المدارات المملوءة بها.

حتى الآن، ألقينا نظرة على الإلكترونات داخل الذرات، ولكن ماذا عن الإلكترونات داخل الجزيئات؟ لنفترض أن لدينا المدارين 1s لذرتي هيدروجين. إذا تداخل هذان المداران، تتكون بينهما رابطة. عندما يحدث ذلك، فإن الدوال الرياضية الموصوفة بالمدارات الذرية يمكن أن تخضع لعمليتي جمع أو طرح. وينتج عن ذلك تكوين مدارات جديدة. وهذه المدارات الجديدة عبارة عن مدارات جزيئية تصف موضع تواجد الإلكترونات في الجزيء. هكذا قمنا بتغطية كل ما نحتاج إلى معرفته عن المدارات الذرية. وقبل أن نختتم هذا الفيديو، دعونا نحل بعض المسائل.

ماذا يطلق على مدار ذري بأعداد الكم ‪𝑛‬‏ يساوي اثنين، ‪𝑙‬‏ يساوي واحد، ‪𝑚𝑙‬‏ يساوي سالب واحد؟

المدارات الذرية هي تعبيرات رياضية تصف موضع الإلكترون حول نواة الذرة. المدارات الذرية لها أشكال وأحجام مختلفة. يمكننا الإشارة إلى مدار معين باستخدام أعداد الكم. عدد الكم الأول هو عدد الكم الرئيسي الذي يرمز إليه بالحرف ‪𝑛‬‏. ويدلنا عدد الكم ذلك على مستوى الطاقة الذي يوجد فيه المدار الذري. عدد الكم ‪𝑛‬‏ للمدار الوارد في هذا السؤال يساوي اثنين. وبهذا نعلم أن هذا المدار يقع في مستوى الطاقة الثاني.

عدد الكم التالي هو عدد الكم الثانوي الذي يرمز إليه بالحرف ‪𝑙‬‏. يدلنا عدد الكم هذا على نوع المدار أو الغلاف الفرعي الذي يقع فيه المدار. هذا المدار الكروي الشكل هو مدار من النوع ‪s‬‏، الذي يشكل الغلاف الفرعي ‪s‬‏. هذه المدارات الثلاثة هي مدارات من النوع ‪p‬‏، التي تشكل الغلاف الفرعي ‪p‬‏. بالنسبة إلى المدارات من النوع ‪s‬‏، فإن ‪𝑙‬‏ يساوي صفرًا. وبالنسبة إلى المدارات من النوع ‪p‬‏، فإن ‪𝑙‬‏ يساوي واحدًا. عدد الكم ‪𝑙‬‏ للمدار الذري الوارد في السؤال يساوي واحدًا. وبهذا نعلم أن هذا المدار من النوع ‪p‬‏.

آخر عدد كم موجود لدينا هو ‪𝑚𝑙‬‏ وهو عدد الكم المغناطيسي. يدلنا عدد الكم هذا على اتجاه المدار. بالنسبة لهذه المدارات من النوع ‪p‬‏، فإن ‪𝑚𝑙‬‏ يحدد لنا أي اتجاهات يتخذها المدار على امتداد محاور الإحداثيات الكارتيزية. ومع ذلك، فإننا لا نحتاج إلى معرفة الاتجاه لتسمية المدار الذري. فنحن نحتاج فقط إلى تحديد مستوى الطاقة ونوع المدار باستخدام رقم مستوى الطاقة والحرف الخاص بالمدار. إذن، اسم المدار الذري بأعداد الكم ‪𝑛‬‏ يساوي اثنين، و‪𝑙‬‏ يساوي واحدًا، و‪𝑚𝑙‬‏ يساوي سالب واحد هو 2p.

ما أعلى مدار مشغول في ذرة البورون؟

المدارات الذرية هي تعبيرات رياضية تصف موضع الإلكترون حول نواة الذرة. يطلب منا هذا السؤال تحديد أعلى مدار مشغول في ذرة البورون. تملأ الإلكترونات المدارات الذرية داخل الذرة حسب الترتيب التصاعدي لمستويات الطاقة، وهو ما يلخصه هذا الشكل. تحتوي الأغلفة الفرعية المختلفة على عدد أقصى مختلف من الإلكترونات. يمكن أن يحتوي الغلاف الفرعي ‪s‬‏ على إلكترونين بحد أقصى، والغلاف الفرعي ‪p‬‏ على ستة إلكترونات بحد أقصى، والغلاف الفرعي ‪d‬‏ على 10 إلكترونات، والغلاف الفرعي ‪f‬‏ على 14 إلكترونًا.

تحتوي ذرات البورون على خمسة إلكترونات. في هذه الحالة ستملأ الإلكترونات أولًا المدار الذري الأقل طاقة وهو المدار 1s. يمكن أن يحتوي المدار 1s على إلكترونين، وهو ما نشير إليه برمز علوي. المدار التالي الأعلى للطاقة هو المدار 2s، الذي يمكنه أيضًا استيعاب إلكترونين. وسيذهب إلكترون البورون الخامس والأخير إلى الغلاف الفرعي التالي الأعلى طاقة، وهو الغلاف الفرعي 2p. يمكننا أن نرى من خلال التوزيع الإلكتروني للبورون الذي توصلنا إليه للتو أن أعلى مدار مشغول هو المدار 2p.

حان الوقت الآن لنختتم هذا الفيديو باستعراض أهم النقاط التي تعلمناها عن المدارات الذرية. المدارات الذرية هي تعبيرات رياضية ثلاثية الأبعاد تصف الموضع الأكثر احتمالًا للإلكترون في الذرة. المدارات الذرية لها أشكال وأحجام مختلفة يمكننا تحديدها باستخدام أعداد الكم. تملأ الإلكترونات المدارات الذرية داخل الذرة حسب الترتيب التصاعدي لمستويات الطاقة وفقًا لمبدأ أوفباو. تتداخل المدارات الذرية لبناء روابط داخل الجزيئات.