التوزيع الالتكروني للذرّات متعدّدة الالكترونات

يحتوي المعدن القلوي الصوديوم (العدد الذري 11) على إلكترون واحد أكثر من ذرة النيون. يجب أن يدخل هذا الإلكترون في الهيكل الفرعي المتاح الأدنى طاقة، وهو مدار3s، مما يعطي تكوين 1s²2s²2p⁶3s¹. تسمى الإلكترونات التي تشغل المدارات الهيكلية الأكثر بعداً (أعلى قيمة لـ n) بالكترونات التكافؤ، ويُطلق على الالكترونات التي تشغل المدارات الهيكلية الداخلية بالإلكترونات الأساسية. بما أن هياكل الإلكترون الأساسية تتوافق مع التوزيع الإلكتروني للغاز النبيل، يمكننا اختصار التوزيع الإلكتروني بكتابة الغاز النبيل الذي يطابق التوزيع الإلكتروني الأساسي، مع إلكترونات التكافؤ في صيغة مكثفة. بالنسبة إلى الصوديوم، يمثل الرمز [Ne] إلكترونات أساسية، (1s²2s²2p⁶)، والتكوين المختصر أو المكثف هو [Ne]3s¹.

وبالمثل، يمكن تمثيل تكوين الليثيوم المختصر بـ He]2s¹، حيث يمثل [HE] تكوين ذرة الهليوم، وهو مماثل لتكوين الغلاف الداخلي الممتلئ من الليثيوم. إن كتابة التكوينات بهذه الطريقة تؤكد على تشابه تكوينات الليثيوم والصوديوم. تحتوي الذرتان، وهما في عائلة المعدن القلوي، على إلكترون واحد فقط في غلاف تكافؤ s فرعي خارج مجموعة مملوءة من الهياكل الداخلية.

Li: [He]2s¹

Na: [Ne]3s¹

إن المعدن الأرضي القلوي الماغنسيوم (العدد الذري 12)، الذي يحتوي على 12 إلكترون في تكوين [Ne]3s²، يشبه عضواً آخر من عائلته البيريليوم، [He]2s². تحتوي الذرتان على هيكل فرعي مملوء خارج الهياكل الداخلية المملوءة. الألومنيوم (العدد الذري 13)، مع 13 إلكتروناً وتكوين الإلكترون [Ne]3s²3p¹، يشبه عنصر آخر من عائلته هو البورون، [He]2s²2p¹.

إن التوزيع الإلكتروني للسليكون (14 إلكتروناً)، والفسفور (15 إلكتروناً)، والكبريت (16 إلكتروناً)، والكلور (17 إلكتروناً)، والأرغون (18 إلكتروناً) مماثل في التوزيع الإلكتروني للأصداف الخارجية لأفراد عائلتها من الكربون والنيتروجين والأكسجين والفلوراين والنيون، على التوالي، باستثناء أن العدد الكمي الرئيسي للقذيفة الخارجية للعناصر الأثقل قد زاد بمقدار واحد إلى n = 3.

عندما نأتي إلى العنصر التالي في الجدول الدوري، البوتاسيوم المعدني القلوي (رقم الذرة 19)، قد نتوقع أن نبدأ في إضافة الإلكترونات إلى الغلاف الفرعي 3d. ومع ذلك، فإن جميع الأدلة الكيميائية والفيزيائية المتاحة تشير إلى أن البوتاسيوم مثل الليثيوم والصوديوم، وأن الاختيارات التالية لا تضاف إلى المستوى 3d، بل تضاف إلى المستوى 4s. كما سبق أن نوقش، فإن المستوى 3d الذي لا توجد به عقد شعاعية هو أعلى في الطاقة لأنه له قدرة أقل على اختراق النواة ومحمي منها بشكل أكبر مقارنة بالمستوى 4s، والذي يحتوي على ثلاث عقد شعاعية. وبالتالي، يكون للبوتاسيوم تكوين إلكترون [Ar]4s¹. وبالتالي، فإن البوتاسيوم يتوافق مع Li وNa في تكوين غلاف التكافؤ الخاص به. تتم إضافة الإلكترون التالي لإكمال الغلاف الفرعي الرابع أما الكالسيوم فله تكوين إلكتروني [Ar]4s². وهذا يعطي الكالسيوم تكوين إلكترون خارجي من الغلاف يطابق مواصفات البيريليوم والماغنسيوم.

وفي حالة Cr وCu، نجد أن الغلافات الفرعية نصف المملوءة بالكامل تبدو وكأنها تمثل ظروف الاستقرار المفضل. وهذا الاستقرار هو أن الإلكترون ينتقل من المدار 4s إلى المدار 3d للحصول على الاستقرار الإضافي لغلاف فرعي 3d نصف ممتلئ (في Cr) أو غلاف فرعي 3d مملوء (في Cu). وهناك استثناءات أخرى أيضاً. على سبيل المثال، من المتوقع أن يكون نيوبيوم (Nb، الرقم الذري 41) له تكوين إلكترون [Kr]5s²4d³. من الناحية التجريبية، نلاحظ أن التوزيع الإلكتروني في الحالة الأرضية هو بالفعل [Kr]5s¹4d ⁴. يمكننا تعليل هذه الملاحظة بقول إن التنافر الالكتروني الذي يتم جربته عن طريق إقران الإلكترونات في مدار 5s هو أكبر من الفرق في الطاقة بين المدارات 5s و4d. لا توجد طريقة بسيطة لتوقع استثناءات الذرات عندما يكون حجم التنافر بين الإلكترونات أكبر من الاختلافات الصغيرة في الطاقة بين الغلافات الفرعية.

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