الهدف
بنهاية هذا الدرس، سيكون الطالب قادراً على كتابة التوزيع الإلكتروني لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى، وتفسير الاستثناءات في الكروم والنحاس.
شرح الدرس
يتبع التوزيع الإلكتروني لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى (من السكانديوم Sc إلى الخارصين Zn) النمط العام: [Ar]3dⁿ4s²، حيث تزداد قيمة n تدريجياً من 1 (عند Sc) إلى 10 (عند Zn).
يوجد استثناءان مهمان لهذا النمط: الكروم Cr: توزيعه [Ar]3d⁵4s¹ (وليس 3d⁴4s²)، والنحاس Cu: توزيعه [Ar]3d¹⁰4s¹ (وليس 3d⁹4s²). يعود هذان الاستثناءان إلى الاستقرار الإضافي الناتج عن مستوى فرعي d نصف ممتلئ تماماً (d⁵) أو ممتلئ تماماً (d¹⁰)، وهو استقرار أكبر مما لو بقي التوزيع على النمط العام.
عند تكوين الكاتيونات (الأيونات الموجبة) من هذه العناصر، تُفقد إلكترونات 4s أولاً، قبل فقد أي إلكترونات من 3d – على عكس الترتيب الذي امتلأت به هذه المستويات أصلاً.
أسئلة تدريبية
1. اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة التيتانيوم Ti (العدد الذري 22)، متبعاً النمط العام لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى.
عرض الإجابة
[Ar]3d²4s² (بما أن Ti هو العنصر الثالث في السلسلة بعد Sc وقبل V، فn=2).
2. اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة الكروم Cr (العدد الذري 24)، مع مراعاة الاستثناء المعروف لهذا العنصر.
عرض الإجابة
[Ar]3d⁵4s¹ (استثناء؛ وليس 3d⁴4s² كما يقترحه النمط العام، بسبب الاستقرار الإضافي لمستوى d نصف الممتلئ).
3. اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة النحاس Cu (العدد الذري 29)، مع مراعاة الاستثناء المعروف لهذا العنصر.
عرض الإجابة
[Ar]3d¹⁰4s¹ (استثناء؛ وليس 3d⁹4s² كما يقترحه النمط العام، بسبب الاستقرار الإضافي لمستوى d الممتلئ تماماً).
4. لماذا يُعد التوزيع [Ar]3d⁵4s¹ للكروم أكثر استقراراً من التوزيع [Ar]3d⁴4s² الذي يقترحه النمط العام؟
عرض الإجابة
لأن مستوى فرعي d نصف ممتلئ تماماً (بإلكترون واحد في كل من مداراته الخمسة) يمنح استقراراً إضافياً ناتجاً عن التماثل والتوزيع المتماثل للإلكترونات، وهذا الاستقرار يفوق ما كان سيُكتسب من ملء 4s بالكامل بدلاً من ذلك.
5. اكتب التوزيع الإلكتروني لأيون الحديد Fe³⁺ (العدد الذري للحديد = 26)، مع مراعاة أن إلكترونات 4s تُفقد أولاً.
عرض الإجابة
ذرة الحديد المتعادلة: [Ar]3d⁶4s²؛ عند تكوين Fe³⁺ (فقد 3 إلكترونات)، تُفقد إلكترونا 4s أولاً، ثم إلكترون واحد من 3d؛ فيصبح التوزيع النهائي [Ar]3d⁵.
6. اكتب التوزيع الإلكتروني لأيون النحاس Cu²⁺ (العدد الذري للنحاس = 29، والتوزيع الذري هو الاستثناء [Ar]3d¹⁰4s¹).
عرض الإجابة
عند تكوين Cu²⁺ (فقد إلكترونين)، يُفقد إلكترون 4s الوحيد أولاً، ثم إلكترون واحد من 3d؛ فيصبح التوزيع النهائي [Ar]3d⁹.
7. لماذا تُفقد إلكترونات 4s قبل إلكترونات 3d عند تكوين كاتيون عنصر انتقالي، رغم أن 4s امتلأ قبل 3d أثناء بناء الذرة أصلاً (وفق مبدأ أوفباو)؟
عرض الإجابة
لأنه بمجرد امتلاء المستوى الفرعي 3d جزئياً أو كلياً، تصبح إلكترونات 4s (الأبعد نسبياً عن النواة في الذرة المكتملة) أقل ارتباطاً بالنواة وأسهل إزالة من إلكترونات 3d، حتى لو كانت 4s قد امتلأت أولاً أثناء عملية البناء التصاعدي للذرة.
8. اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة المنجنيز Mn (العدد الذري 25)، متبعاً النمط العام (لا يوجد استثناء لهذا العنصر).
عرض الإجابة
[Ar]3d⁵4s² (المنجنيز يقع بعد الكروم مباشرة، ويتبع النمط العام دون استثناء).
9. اكتب التوزيع الإلكتروني لأيون الكروم Cr³⁺ (بالبدء من توزيع ذرة الكروم الاستثنائي [Ar]3d⁵4s¹).
عرض الإجابة
عند تكوين Cr³⁺ (فقد 3 إلكترونات)، يُفقد إلكترون 4s الوحيد أولاً، ثم إلكترونان من 3d؛ فيصبح التوزيع النهائي [Ar]3d³.
10. اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة الكوبالت Co (العدد الذري 27)، متبعاً النمط العام.
عرض الإجابة
[Ar]3d⁷4s².
11. عنصران انتقاليان متتاليان في السلسلة، أحدهما توزيعه ينتهي بـ3d³4s² والآخر يتبعه مباشرة بتوزيع استثنائي 3d⁵4s¹ بدلاً من 3d⁴4s² المتوقع. ما اسم العنصر الثاني على الأرجح؟
عرض الإجابة
الكروم Cr؛ لأنه العنصر الوحيد في هذه السلسلة الذي يُظهر هذا الاستثناء تحديداً (الانتقال من نمط 3d⁴4s² المتوقع إلى 3d⁵4s¹ الفعلي بسبب استقرار المستوى نصف الممتلئ).
12. اكتب التوزيع الإلكتروني لأيون الزنك Zn²⁺ (العدد الذري للزنك = 30، وتوزيعه الذري [Ar]3d¹⁰4s²).
عرض الإجابة
عند تكوين Zn²⁺ (فقد إلكتروني 4s)، يصبح التوزيع [Ar]3d¹⁰ (مستوى d يبقى ممتلئاً تماماً، دون أي تأثير على 3d في هذه الحالة).