Back to chapter

7.14:

مبدأ أوفباو وقاعدة هوند

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
The Aufbau Principle and Hund’s Rule

Languages

Share

لنتذكر أن،المدارات الذرية لها طاقات مختلفة ويمكن أن تستوعب إلكترونين لكل منهما. يفرض مبدأ أوفباو توزيع الإلكترونات بين الأغلفة الفرعية للذرة،وقاعدة هوند للتعددية القصوى تشرح ملء المدارات في الأغلفة الفرعية. ينص مبدأ أوفباو على أنه في الحالة الأساسية،تملأ الإلكترونات المدارات الذرية من الأدنى إلى الأعلى طاقة لتحقيق التكوين الأقل طاقة.على الرغم من زيادة الطاقة بشكل عام مع زيادة رقم الغلاف،فإنّالاختراق الأكبر للمدارات s غالبًا ما يؤدي إلى أن تكون مدارات 4s و 5s ذات طاقات أقل من المدارات 4d و 5d،على التوالي. يمكن تذكر الترتيب باستخدام الرسوم البيانية مثل هذا،حيث مسار السهم يكشف عن تسلسل تعيين الإلكترونات للمدارات. لنضع في اعتبارنا كتابة تكوين الإلكترون للكربون و هو عنصر برقم ذري ستة.بالتأكيد،مدار 1s،الذي لديه أقل طاقة،يجب أن يمتلئ قبل المدار 2s. يمكن لكل مدار أن يحتوي على إلكترونين كحد أقصى. يدخل الإلكترون الخامس الي الغلاف الجزئي 2p.ولكن أي من المدارات الثلاثة التي تتكون من 2p يسكنها؟حسنا! المدارات،في أي غلاف فرعي،مفترض أن يكون متحلل،مما يعني أن لديهم نفس الطاقة. وهكذا،يمكن للإلكترون الخامس أن يدخل أيًا من الثلاث مدارات 2p المتحللة.ماذا عن الإلكترون السادس؟هل يدخل مدار 2p ذو الإلكترون أم واحد من مدارات 2p الشاغرة؟وفقًا لقاعدة Hund الخاصة بالتعددية القصوى،تحتل الإلكترونات المنفردة جميع مدارات طاقة معينة المستوى قبل بدء التزاوج،والإلكترونات غير المتزاوجة لا يمكن أن يكون لها دوران معاكس:يجب أن تكون دورانها متوازي. ومن ثم،بالنسبة للكربون،فإن الإلكترونين في 2p يجب أن تشغل مدارين مختلفين ويكون لها دوران متوازي. بهذه الطريقة،يمكن للإلكترونات أن تنتشر على مساحة أكبر.هذا يقلل من حماية بعضهم البعض،وبالتالي تقليل طاقة الذرة. بالنسبة للنيتروجين،كل من المدارات الثلاثة 2p مشغولة بالكترون مفرد. اما الأكسجين،عندما تكون المدارات 2p ممتلئة بالكترون مفرد،فإنّآخر إلكترون يجب أن يقترن مع إلكترون آخر في 2p.تحتوي الذرة على إلكترونين غير متزاوجين. التكوين الإلكتروني للنيون يكشف أن الغلاف الخارجي هو مملوء بسعته القصوى البالغة ثمانية إلكترونات. يحتوي النيون على إلكترونين،يُطلق عليهما الإلكترونان الأساسيان في الغلاف الداخلي،وثمانية إلكترونات،تسمى إلكترونات التكافؤ،في الغلاف الخارجي.

7.14:

مبدأ أوفباو وقاعدة هوند

لتحديد التوزيع الإلكتروني لأي ذرة معينة، يمكننا بناء البنى بترتيب الأعداد الذرية. نبدأ بالهيدروجين، ونواصل العمل عبر فترات الجدول الدوري، ونضيف بروتون واحد في كل مرة إلى النواة وإلكترون واحد إلى القشرة الفرعية المناسبة إلى أن نصفنا التوزيع الإلكتروني لجميع العناصر. ويطلق على هذا الإجراء مبدأ أوفباو، من الكلمة الألمانيةأوفباو (“لبناء up”). يشغل كل إلكترون مضاف أسفل أدنى طاقة متوفرة، مع مراعاة القيود المفروضة بواسطة الأرقام الكمية المسموح بها وفقًا لمبدأ استبعاد باولي. لا تدخل الإلكترونات في حاويات فرعية ذات طاقة أعلى إلا بعد ملء الحاويات الفرعية ذات الطاقة المنخفضة بالسعة. يوضح الشكل 1 الطريقة التقليدية لتذكر ترتيب ملء المدارات الذرية.  

Figure1

الصورة 1 يوضح هذا المخطط ترتيب الطاقة للمدارات الذرية ويكون مفيداً في تكوين التوزيع الإلكتروني لحالة الأرض.

فكر في كتابة التوزيع الإلكتروني للكربون— عنصر يحتوي على العدد الذري السادس. تملأ أربعة إلكترونات المدارات 1s و2s. يشغل الإلكترونات الباقيان الهيكل السفلي 2p. ولدينا الآن خيار ملء أحد المدارات ذات المستوى 2p وإقران الإلكترونات أو ترك الإلكترونات غير مقترنة في مدارين مختلفين، ولكن دون توليد مدارات p. يتم ملء المدارات كما هو موضح في قاعدة هوند’: إن أقل تكوين للطاقة بالنسبة لذرة تحتوي على إلكترونات ضمن مجموعة من المدارات التي تتسبب في انخفاض عدد الإلكترونات غير المقترنة. وبالتالي، فإن الإلكترونات الموجودة في المدارات p الكربونية لها n, l, و ms أعداد كمّية متطابقة وتختلف في ml أعدادها الكمّية (بما يتوافق مع مبدأ استبعاد باولي). المخطط المداري للكربون، مع التوزيع الإلكتروني 1s22s21p2 هو: 

Figure2

يملأ النيتروجين (العدد الذري 7) الهياكل الفرعية 1s و2s ويحتوي على إلكترون واحد في كل من المدارات 2p الثلاثة، وفقاً لقاعدة هوند’. تحتوي هذه الإلكترونات الثلاثة على مغازل غير مقترنة. يحتوي الأكسجين (العدد الذري 8) على زوج من الإلكترونات في أي من المدارات 2p (تحتوي الإلكترونات على مغازل متعاكسة) وإلكترون واحد في كل من المدارين الآخرين. يحتوي الفلورين (العدد الذري 9) على مدار 2p واحد فقط يحتوي على إلكترون غير مقترن. جميع الإلكترونات في الغاز النبيل نيون (العدد الذري 10) هي مقترنة، ويتم ملء جميع المدارات في الهياكل n = 1 و n = 2. 

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 6.4: Electronic Structure of Atoms.