Physics
📄 اطبع pdf
00971504825082
نظرية الكم والذرة
⚛️ نموذج بور للهيدروجين
🔬 مستويات الطاقة الكمومية
تهتم نظرية الكم بدراسة سلوك المادة والطاقة على المستوى الذري، حيث لا يمكن تفسير الظواهر باستخدام الفيزياء الكلاسيكية فقط.
✨ الفكرة الأساسية: الإلكترونات لا يمكنها التواجد إلا في مستويات طاقة محددة وكمومية، تمامًا كما لا يمكنك الوقوف بين درجات السلم. طيف الانبعاث الذري للهيدروجين منفصل لأن الإلكترون ينتقل بين مدارات مسموحة فقط.
💡 اقترح بور (1913): الإلكترون يدور في مدارات دائرية محددة (مستويات طاقة ثابتة). عندما يكتسب الإلكترون طاقة، يقفز إلى مستوى أعلى (حالة مُثارة)، وعند عودته يُصدر فوتوناً بطاقة محددة وهذا ما يسبب خطوط طيف منفصلة.
🌀 طيف الهيدروجين الخطي (سلسلة بالمر المرئية)
🔴 أحمر 656nm 🔵 أزرق 486nm 🟣 بنفسجي 434nm 🔵 نيلي 410nm
📍 الخطوط الحمراء، الزرقاء، الخضراء، والبنفسجية ترددات ضوئية محددة وليست طيفاً مستمراً
🔬 الدقة العلمية: خطوط بالمر الأربعة الأكثر وضوحاً مع الأطوال الموجية الحقيقية، تثبت أن الإلكترون ينتقل بين مستويات طاقة محددة (n=3→2 , n=4→2 ...).
📐 الحالة الأرضية والمثارة (رسم متحرك)
الحالة الأرضية:طاقة منخفضة
حالة مثارة:طاقة أعلى
🔍 لماذا الطيف المنفصل؟ لأن الإلكترونات مسموح لها فقط بمستويات طاقة محددة
\[(n=1,2,3...)\]. انتقالاتها تعطي فروق طاقة محددة ← ترددات ضوئية معينة (بالمر: أحمر، أزرق، بنفسجي).
📊 الجدول 1: المدارات المسموحة في نموذج بور
المستوى n نصف القطر (nm) رقم المستوى الطاقة النسبية الأول n=1 0.0529 1 E₁ الثاني n=2 0.212 2 E₂ = 4E₁ الثالث n=3 0.476 3 E₃ = 9E₁ الرابع n=4 0.846 4 E₄ = 16E₁ الخامس n=5 1.32 5 E₅ = 25E₁
💡 نصف قطر بور الأول a₀ = 0.0529 nm | الطاقة النسبية E₁ تشير لأقل مستوى (أرضي)
🌈 طيف الانبعاث الخطي – قفزات الإلكترون (محاكاة تفاعلية)
في الحالة الأرضية الإلكترون عند \[n=1\]
عند إضافة طاقة ينتقل لمستوى أعلى (إثارة)، وعند العودة ينبعث فوتون طاقته
ΔE =Eمستوى الطاقة الأعلى - Eمستوى الطاقة الأدنى=hf
⚛️ اضغط على أي انتقال لمشاهدة المحاكاة
✨ اضغط على أي زر لمحاكاة الانتقال ✨
🔭 سلاسل الانبعاث حسب منطقة الطيف
⚡ سلسلة ليمانانتقالات n≥2 → n=1🔮 فوق بنفسجية (UV)Lyman
🌈 سلسلة بالمرانتقالات n≥3 → n=2👁️ المرئية (Balmer)Hα, Hβ, Hγ ...
🔥 سلسلة باشنانتقالات n≥4 → n=3🌡️ تحت الحمراء (Infrared)Paschen
📖 نتائج: الحالة الأرضية\[ (n=1)\] مستقرة، الإثارة تمتص طاقة → قفز الإلكترون. الانبعاث عند العودة لمستوى أقل ينتج فوتوناً.
⚡ مثال عددي: انتقال\[ n=3 → n=2 : E₃=9E₁ , E₂=4E₁ → ΔE = 5E₁\] (فوتون أحمر لخط هيدروجين ألفا).
🪜 تشبيه درجات السلم ومستويات الطاقة
🔹 "تخيل أنك تتسلق سلمًا وتحاول الوقوف بين الدرجات، لن تنجح". الإلكترونات في الذرة لا تستطيع امتلاك طاقات وسيطة، بل مستويات محددة (n=1,2,3...). كل قفزة بين المستويات تصدر أو تمتص فوتونًا بطاقة محددة.
n=1
الأرضية
→
n=2
أول مثارة
→
n=3
طاقة أعلى
⬆️ كل مستوى طاقة كمومي "درجة" منفصلة
🌌 مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين H
مسافات غير متساوية بين المستويات — انتقالات الإلكترون تفسر الأطياف المرئية و غير المرئية
📊 الشكل التوضيحي: انتقالات الإلكترون
✨ الشكل يوضح أن المسافات بين مستويات الطاقة غير متساوية (تتناقص مع زيادة n). الأسهم الملونة تمثل انتقالات الإلكترون لمختلف السلاسل.
📖 تفسير طيف الهيدروجين
💡 كما هو موضح في الشكل ، على عكس درجات السلم، المسافات بين مستويات الطاقة الذرية للهيدروجين غير متساوية.
انتقال الإلكترون من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل يصدر فوتوناً بطول موجة محدد.
🔹 الخطوط المرئية في طيف الهيدروجين تفسر بانتقال الإلكترونات إلى
المستوى n=2
مكونة سلسلة بالمر.
✨ الترتيب الإلكتروني في الحالة الأرضية ✨
مخطط أوفباو - قواعد باولي- قواعد هوند — شرح تفاعلي مع أسئلة وأزرار الحل
⚛️ مبدأ أوفباو
ينص على أن الإلكترونات تشغل الفلك الأقل طاقة أولاً. لذلك نتبع تسلسل الطاقة من الأدنى إلى الأعلى
(1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s ...).
🔹 يعرف هذا التسلسل بـ "مخطط أوفباو" (الشكل 18 في المرجع). كل مربع في الشكل يمثل فلكاً ذرياً (مدار).
❓ سؤال (مبدأ أوفباو): أي المستويات الفرعية يمتلئ أولاً:
3d ⟷ 4s
؟ رتبهما حسب زيادة الطاقة.
🔍 طريقة الحل: وفق مبدأ أوفباو ، الترتيب التصاعدي فإن طاقة :
\[4d>4s\]
\[ 3p → 4s →3d →4p → 5s.....\] إذاً
🚫 مبدأ باولي للاستبعاد
لا يمكن لأكثر من إلكترونين أن يشغلا نفس الفلك الذري، وعند وجود إلكترونين في مدار واحد يجب أن يكون في اتجاهين متعاكسين (↑↓).
➖ يحدد عدد الإلكترونات القصوى في كل مستوى فرعي
s (2), p (6), d (10), f (14).
❓ سؤال (باولي): كم عدد الافلاك في المستوى الفرعي
\[ 3d\]
؟ وما أقصى عدد للإلكترونات التي يمكن أن يستوعبها؟
🔍 طريقة الحل: المستوى الفرعي
d
يحتوي على 5 افلاك كل فلك يستوعب إلكترونين كحد أقصى إذن أقصى إلكترونات = 5 × 2 = 10 إلكترونات.
📏 قاعدة هوند
عند توزيع الإلكترونات في أفلاك متساوية الطاقة (مثل المستوى الفرعي )
p
فإن الإلكترونات تشغل مدارات منفردة أولاً مع حفظ الاتجاهات المتوازية، ثم تزدوج بعد ذلك.
🧲 هذا يزيد من استقرار الذرة ويقلل التنافر.
❓ سؤال (هوند): كيف يتم توزيع 4 إلكترونات في المستوى الفرعي
2 p> وفق قاعدة هوند؟
🔍 طريقة الحل:
2p
يحتوي 3 مدارات. نوزع الإلكترونات: أولاً نضع إلكتروناً في كل مدار منفرد (ثلاثة إلكترونات مفردة) ثم الإلكترون الرابع يزدوج في المدار الأول. التمثيل
: ↑↓ , ↑ , ↑ .
هذا يقلل التنافر ويعطي أقل طاقة.
📊 مخطط أوفباو (Aufbau) — تسلسل امتلاء المستويات الفرعية
🧬 ترتيب الأفلاك حسب زيادة الطاقة
مخطط أوفباو (الشكل 18)
1s
↑↓
أقل طاقة
2s
↑↓
2p
↑↓↑↓↑↓
3s
↑↓
3p
↑↓↑↓↑↓
4s
↑↓
✨ أقل طاقة من 3d
3d
↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓
4p
↑↓↑↓↑↓
5s
↑↓
4d
↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓
5p
↑↓↑↓↑↓
📌 ملاحظة هامة: طبقاً لمبدأ أوفباو، الترتيب التصاعدي للطاقة هو:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s ...
وكل "مربع" في الشكل الأصلي يمثل مداراً (فلكاً) يمكنه استيعاب إلكترونين كحد أقصى.
❓ سؤال (مخطط أوفباو): ما هو المستوى الفرعي الذي يمتلئ مباشرة بعد
3d
وما الذي يسبق
3d
مباشرة في الترتيب؟
🔍 طريقة الحل: من تسلسل أوفباو: ...
4s ⟶ 3d ⟶ 4p
📊 الجدول 3 · سمات مخطط أوفباو
✨ المثال
📖 السمة (الخاصية العلمية)
كل أفلاك
2p
الثلاث لها نفس الطاقة.
كافة الأفلاك المتعلقة بمستوى طاقة فرعي يكون لها نفس الطاقة.
الطاقة للأفلاك الثلاث
2p
أعلى من الفلك
2s
في الذرة متعددة الإلكترونات، تختلف طاقات المستويات الفرعية في مستوى الطاقة الرئيس.
بما أن يكون تسلسل المستويات الفرعية للطاقة هو
n = 4
4f⟵ 4d⟵4p⟵4s
من أجل زيادة الطاقة، يكون تسلسل مستويات الطاقة الفرعية ضمن مستوى الطاقة الرئيس هو
s, p, d, f.
يمتلك الفلك المتعلق بالمستوى الفرعي
4s
للذرة طاقة أقل من الأفلاك الخمسة المتعلقة بالمستوى الفرعي
3d
يمكن للأفلاك المتعلقة بالمستويات الفرعية للطاقة ضمن مستوى الطاقة الرئيس واحد أن تداخل مع الأفلاك المتعلقة بمستويات الطاقة الفرعية ضمن مستوى رئيس آخر.
🧪 ملاحظة: الجدول يوضح الخصائص الأساسية لتسلسل طاقة الأفلاك في الذرات متعددة الإلكترونات وتداخل المستويات.
❓ سؤال (مقارنة المستويات): أي المستويين له طاقة أعلى
4d ⟷ 5S
؟ وضح الترتيب الصحيح باستخدام قاعدة أوفباو.
🔍 طريقة الحل: الترتيب التصاعدي وفق أوفباو
4p⟶ 5s ⟶ 4d ⟶ 5p.
إذاً طاقته الفلك
4d>5s
❓ سؤال تطبيقي: ذرة الأرجون
(Ar)
عددها الذري 18. اكتب توزيعه الإلكتروني حتى المستوى
3p
وفق مبدأ أوفباو.
🔍 طريقة الحل: العدد الذري 18 → التوزيع: 1
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.
ينتهي عند
3p⁶
(غاز نبيل). تم تطبيق مبدأ أوفباو بامتلاء المستويات من الأدنى إلى الأعلى طاقة.
📖 شرح (المبادئ الأساسية)
🔹 مبدأ أوفباو : الإلكترونات تشغل الأفلاك ذات الطاقة الأدنى أولاً. يتم تحديد الترتيب الإلكتروني للحالة الأرضية بمعرفة تسلسل الأفلاك من الأقل إلى الأعلى طاقة، وهذا ما يسمى مخطط أوفباو.
🔹 مبدأ باولي للاستبعاد : لا يمكن لأكثر من إلكترونين أن يتواجدا في نفس الفلك، ويجب أن يكون لهما اتجاهين متعاكسين.
🔹 قاعدة هوند : في المستويات الفرعية المتعددة
يتم وضع إلكترون في كل مدار بشكل منفرد قبل ازدواجها، مما يعطي أقل طاقة وأكبر استقرار.
❓ سؤال (التمييز بين القواعد): وضح الفرق بين مبدأ أوفباو وقاعدة هوند، مع ذكر مثال ذري واحد تطبق فيه كل قاعدة.
🔍 طريقة الحل: مبدأ أوفباو يحدد ترتيب امتلاء المستويات (من الأقل طاقة للأعلى). قاعدة هوند تحدد كيفية توزيع الإلكترونات داخل المستوى الفرعي الواحد (تفرد ثم ازدواج). مثال: ذرة الكربون
(Z=6)
وفق أوفباو نملأ 1
1s² 2s² 2p²، ووفق هوند في
2p: ↑ , ↑
(مفردين).
🧩 سعة المستويات الفرعية (مبدأ باولي)
المستوى الفرعي عدد المدارات (الأفلاك) أقصى عدد للإلكترونات مثال من الترتيب الإلكتروني s 1 مدار 2 إلكترون 1s², 2s² p 3 مدارات 6 إلكترونات 2p⁶, 3p⁶ d 5 مدارات 10 إلكترونات 3d¹⁰ f 7 مدارات 14 إلكترونًا 4f¹⁴
❓ سؤال (السعة): ما عدد الأفلاك في المستوى الفرعي
4f
وما أقصى عدد للإلكترونات التي يمكن أن يحويها وفق مبدأ باولي؟
🔍 طريقة الحل: المستوى الفرعي
f
يحتوي على 7 أفلاك ( كل فلك يستوعب إلكترونين كحد أقصى) إذاً أقصى إلكترونات = 7 × 2 = 14 إلكتروناً.
⚛️ التوزيع الإلكتروني | الترميز & مخططات الأفلاك
مستويات الطاقة الرئيسة والفرعية · ترميز
1s² 2s² 2p⁶
📘 مفهوم ترميز الترتيب الإلكتروني
ترميز الترتيب الإلكتروني يحدد مستوى الطاقة الرئيس
(n)
ومستوى الطاقة الفرعي
(s, p, d, f)
المرتبط بكل إلكترون في الذرة، ويتضمن رقماً فوقياً يمثل عدد الإلكترونات في ذلك المستوى الفرعي
📌 مثال: ذرة الكربون في حالتها الأرضية (العدد الذري 6) تُكتب:
1s² 2s² 2p²
• 1s² : مستوى رئيسي أول، تحت مستوى يحتوي على إلكترونين.
• 2s² : مستوى ثاني، تحت مستوى إلكترونين.
• 2p² : مستوى ثاني، تحت مستوى به إلكترونين (طبقاً لقاعدة هوند).
(بالأسفل) الترتيب الإلكتروني ومخططات الأفلاك للعناصر من الدورة الأولى والثانية،
ينما يبين تداخل الأفلاك
1s, 2s, 2px, 2py, 2pz
في ذرة الكربون .
🧪 الجدول يبين الترتيب الإلكتروني ومخططات أفلاك العناصر (1-10)
📊 الجدول المرجعي: العناصر 1-10 (مخطط الفلك والترتيب الإلكتروني)
العنصر العدد الذري مخطط الفلك (1s, 2s, 2px, 2py, 2pz)
1s 2s 2p orbitals
الهيدروجين 1 ↑ الهيليوم 2 ↑↓ الليثيوم 3 ↑↓ ↑ البريليوم 4 ↑↓ ↑↓ البورون 5 ↑↓ ↑↓ ↑ الكربون 6 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ النيتروجين 7 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ الأكسجين 8 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ الفلور 9 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ النيون 10 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
❓ سؤال 1: أي من العناصر التالية يمتلك توزيعًا إلكترونيًا ينتهي بـ
2p3
ثلاث إلكترونات غير مزدوجة في مدارات
2p
سؤال 2: وفقًا لقاعدة هوند، لماذا في ذرة النيتروجين (العدد الذري 7) نرسم إلكترونات الـ
2p
بشكل منفرد (ثلاثة أسهم لأعلى) بدلاً من ازدواجها في مدار واحد؟
🧪 3. دراسة حالات خاصة: الكربون، الأكسجين، والنيون
ازدواج الإلكترونات واستقرار الغازات النبيلة
💠 الكربون (6 إلكترونات): الترتيب الإلكتروني
1s2 2s2 2p2.
مخططه يظهر إلكترونين متقابلين في
2 2s2
وإلكترونين منفردين في مدارين مختلفين من
2p (↑ px و ↑ py)
وهذا يفسر تكافؤه 4 وقدرته على تكوين روابط متعددة.
💠 الأكسجين (8 إلكترونات)
1s2 2s2 2p4
في مخطط
نرى زوجًا إلكترونيًا في أحد المدارات
2p ↑↓
وفلكين آخرين بإلكترون واحد. هذا يؤدي إلى خاصية مغناطيسية وضعف ازدواج.
(↑ في py و ↑ في pz)
💠 النيون (10 إلكترونات): غاز نبيل، 1
1s2 2s2 2p6
حيث جميع مدارات ممتلئة بشكل كامل
2p (↑↓ ↑↓ ↑↓)
وهذا يفسر خموله الكيميائي واستقراره العالي.
❓ سؤال 3: بالنظر إلى الجدول ومخططات الأفلاك، كم عدد الإلكترونات غير المزدوجة (المفردة) في ذرة الأكسجين (O)؟
❓ سؤال 4: أي من المخططات التالية يمثل الترتيب الإلكتروني الصحيح لذرة البريليوم (العدد الذري 4) وفق الجدول المعروض؟
الجدول 5: الترتيب الإلكتروني للعناصر 11-18
العنصر
العدد الذري
الترتيب الإلكتروني الكامل
الترتيب الإلكتروني المختصر
الصوديوم
11
1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
[Ne] 3s¹
المغنيسيوم
12
1s² 2s² 2p⁶ 3s²
[Ne] 3s²
الألمنيوم
13
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹
[Ne] 3s² 3p¹
السيليكون
14
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²
[Ne] 3s² 3p²
الفوسفور
15
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³
[Ne] 3s² 3p³
الكبريت
16
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴
[Ne] 3s² 3p⁴
الكلور
17
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
[Ne] 3s² 3p⁵
الأرجون
18
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
[Ar]
تمارين على الترتيب الإلكتروني
السؤال 1
ما هو الترتيب الإلكتروني المختصر لعنصر الكلور (Z = 17)؟
الحل:
الترتيب الكامل: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
نستبدل اللب بـ [Ne]
إذن الترتيب المختصر: [Ne] 3s² 3p⁵
السؤال 2
أي عنصر في الجدول يمتلك الترتيب الإلكتروني التالي: [Ne] 3s² 3p² ؟
الحل:
نحسب العدد الذري:
[Ne] = 10 إلكترونات
3s² = 2 إلكترونات
3p² = 2 إلكترونات
المجموع = 14
العنصر هو: السيليكون
تمارين الكيمياء
21) اكتب الترتيب الإلكتروني للعناصر التالية: Br, Sr, Sb, Re, Tb, Ti
Br: [Ar] 4s² 3d¹⁰ 4p⁵
Sr: [Kr] 5s²
Sb: [Kr] 5s² 4d¹⁰ 5p³
Re: [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d⁵
Tb: [Xe] 6s² 4f⁹
Ti: [Ar] 4s² 3d²
22) ذرة الكلور تمتلك 7 إلكترونات تكافؤ في المستوى الثالث. كم عدد إلكترونات p؟
التوزيع: 3s² 3p⁵
إذن إلكترونات p = 5
23) عند تفاعل الكبريت، كم عدد الإلكترونات في المستوى الثالث؟
التوزيع: 3s² 3p⁴
المجموع = 6 إلكترونات
24) الترتيب الإلكتروني: [Kr] 5s² 4d¹⁰ 5p¹، ما العنصر؟
العدد الذري = 49
العنصر هو: الإنديوم (In)
25) عنصر يحتوي على إلكترونين في مستوى n=6، ما هو؟
التوزيع: [Xe] 6s²
العنصر هو: الباريوم (Ba)
نظرية الكم والذرة |
تهتم نظرية الكم بدراسة سلوك المادة والطاقة على المستوى الذري، حيث لا يمكن تفسير الظواهر باستخدام الفيزياء الكلاسيكية فقط.
✨ الفكرة الأساسية: الإلكترونات لا يمكنها التواجد إلا في مستويات طاقة محددة وكمومية، تمامًا كما لا يمكنك الوقوف بين درجات السلم. طيف الانبعاث الذري للهيدروجين منفصل لأن الإلكترون ينتقل بين مدارات مسموحة فقط.
💡 اقترح بور (1913): الإلكترون يدور في مدارات دائرية محددة (مستويات طاقة ثابتة). عندما يكتسب الإلكترون طاقة، يقفز إلى مستوى أعلى (حالة مُثارة)، وعند عودته يُصدر فوتوناً بطاقة محددة وهذا ما يسبب خطوط طيف منفصلة.
🔬 الدقة العلمية: خطوط بالمر الأربعة الأكثر وضوحاً مع الأطوال الموجية الحقيقية، تثبت أن الإلكترون ينتقل بين مستويات طاقة محددة (n=3→2 , n=4→2 ...).
🔍 لماذا الطيف المنفصل؟ لأن الإلكترونات مسموح لها فقط بمستويات طاقة محددة \[(n=1,2,3...)\]. انتقالاتها تعطي فروق طاقة محددة ← ترددات ضوئية معينة (بالمر: أحمر، أزرق، بنفسجي).
| المستوى | n | نصف القطر (nm) | رقم المستوى | الطاقة النسبية |
|---|---|---|---|---|
| الأول | n=1 | 0.0529 | 1 | E₁ |
| الثاني | n=2 | 0.212 | 2 | E₂ = 4E₁ |
| الثالث | n=3 | 0.476 | 3 | E₃ = 9E₁ |
| الرابع | n=4 | 0.846 | 4 | E₄ = 16E₁ |
| الخامس | n=5 | 1.32 | 5 | E₅ = 25E₁ |
في الحالة الأرضية الإلكترون عند \[n=1\]
عند إضافة طاقة ينتقل لمستوى أعلى (إثارة)، وعند العودة ينبعث فوتون طاقته
ΔE =Eمستوى الطاقة الأعلى - Eمستوى الطاقة الأدنى=hf
⚛️ اضغط على أي انتقال لمشاهدة المحاكاة
🔭 سلاسل الانبعاث حسب منطقة الطيف
⚡ مثال عددي: انتقال\[ n=3 → n=2 : E₃=9E₁ , E₂=4E₁ → ΔE = 5E₁\] (فوتون أحمر لخط هيدروجين ألفا).
🔹 "تخيل أنك تتسلق سلمًا وتحاول الوقوف بين الدرجات، لن تنجح". الإلكترونات في الذرة لا تستطيع امتلاك طاقات وسيطة، بل مستويات محددة (n=1,2,3...). كل قفزة بين المستويات تصدر أو تمتص فوتونًا بطاقة محددة.
الأرضية
أول مثارة
طاقة أعلى
🌌 مستويات الطاقة في ذرة الهيدروجين H
مسافات غير متساوية بين المستويات — انتقالات الإلكترون تفسر الأطياف المرئية و غير المرئية
📊 الشكل التوضيحي: انتقالات الإلكترون
✨ الشكل يوضح أن المسافات بين مستويات الطاقة غير متساوية (تتناقص مع زيادة n). الأسهم الملونة تمثل انتقالات الإلكترون لمختلف السلاسل.
📖 تفسير طيف الهيدروجين
المستوى n=2
مكونة سلسلة بالمر.
✨ الترتيب الإلكتروني في الحالة الأرضية ✨
مخطط أوفباو - قواعد باولي- قواعد هوند — شرح تفاعلي مع أسئلة وأزرار الحل
⚛️ مبدأ أوفباو
ينص على أن الإلكترونات تشغل الفلك الأقل طاقة أولاً. لذلك نتبع تسلسل الطاقة من الأدنى إلى الأعلى
(1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s ...).
🔹 يعرف هذا التسلسل بـ "مخطط أوفباو" (الشكل 18 في المرجع). كل مربع في الشكل يمثل فلكاً ذرياً (مدار).
3d ⟷ 4s
؟ رتبهما حسب زيادة الطاقة.
🚫 مبدأ باولي للاستبعاد
لا يمكن لأكثر من إلكترونين أن يشغلا نفس الفلك الذري، وعند وجود إلكترونين في مدار واحد يجب أن يكون في اتجاهين متعاكسين (↑↓).
➖ يحدد عدد الإلكترونات القصوى في كل مستوى فرعي
s (2), p (6), d (10), f (14).
d
يحتوي على 5 افلاك كل فلك يستوعب إلكترونين كحد أقصى إذن أقصى إلكترونات = 5 × 2 = 10 إلكترونات.
📏 قاعدة هوند
عند توزيع الإلكترونات في أفلاك متساوية الطاقة (مثل المستوى الفرعي )
p
فإن الإلكترونات تشغل مدارات منفردة أولاً مع حفظ الاتجاهات المتوازية، ثم تزدوج بعد ذلك.
🧲 هذا يزيد من استقرار الذرة ويقلل التنافر.
2 p> وفق قاعدة هوند؟
2p
يحتوي 3 مدارات. نوزع الإلكترونات: أولاً نضع إلكتروناً في كل مدار منفرد (ثلاثة إلكترونات مفردة) ثم الإلكترون الرابع يزدوج في المدار الأول. التمثيل
: ↑↓ , ↑ , ↑ .
هذا يقلل التنافر ويعطي أقل طاقة.
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s ...
وكل "مربع" في الشكل الأصلي يمثل مداراً (فلكاً) يمكنه استيعاب إلكترونين كحد أقصى.
3d
وما الذي يسبق
3d
مباشرة في الترتيب؟
4s ⟶ 3d ⟶ 4p
| ✨ المثال | 📖 السمة (الخاصية العلمية) |
|---|---|
| كل أفلاك
2p الثلاث لها نفس الطاقة. |
كافة الأفلاك المتعلقة بمستوى طاقة فرعي يكون لها نفس الطاقة. |
| الطاقة للأفلاك الثلاث 2p أعلى من الفلك 2s |
في الذرة متعددة الإلكترونات، تختلف طاقات المستويات الفرعية في مستوى الطاقة الرئيس. |
| بما أن يكون تسلسل المستويات الفرعية للطاقة هو n = 4 4f⟵ 4d⟵4p⟵4s |
من أجل زيادة الطاقة، يكون تسلسل مستويات الطاقة الفرعية ضمن مستوى الطاقة الرئيس هو s, p, d, f. |
| يمتلك الفلك المتعلق بالمستوى الفرعي 4s للذرة طاقة أقل من الأفلاك الخمسة المتعلقة بالمستوى الفرعي 3d |
يمكن للأفلاك المتعلقة بالمستويات الفرعية للطاقة ضمن مستوى الطاقة الرئيس واحد أن تداخل مع الأفلاك المتعلقة بمستويات الطاقة الفرعية ضمن مستوى رئيس آخر. |
4d ⟷ 5S
؟ وضح الترتيب الصحيح باستخدام قاعدة أوفباو.
4p⟶ 5s ⟶ 4d ⟶ 5p.
إذاً طاقته الفلك
4d>5s
(Ar)
عددها الذري 18. اكتب توزيعه الإلكتروني حتى المستوى
3p
وفق مبدأ أوفباو.
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.
ينتهي عند 3p⁶
(غاز نبيل). تم تطبيق مبدأ أوفباو بامتلاء المستويات من الأدنى إلى الأعلى طاقة.
🔹 مبدأ أوفباو : الإلكترونات تشغل الأفلاك ذات الطاقة الأدنى أولاً. يتم تحديد الترتيب الإلكتروني للحالة الأرضية بمعرفة تسلسل الأفلاك من الأقل إلى الأعلى طاقة، وهذا ما يسمى مخطط أوفباو.
🔹 مبدأ باولي للاستبعاد : لا يمكن لأكثر من إلكترونين أن يتواجدا في نفس الفلك، ويجب أن يكون لهما اتجاهين متعاكسين.
🔹 قاعدة هوند : في المستويات الفرعية المتعددة يتم وضع إلكترون في كل مدار بشكل منفرد قبل ازدواجها، مما يعطي أقل طاقة وأكبر استقرار.
(Z=6)
وفق أوفباو نملأ 1
1s² 2s² 2p²، ووفق هوند في
2p: ↑ , ↑
(مفردين).
| المستوى الفرعي | عدد المدارات (الأفلاك) | أقصى عدد للإلكترونات | مثال من الترتيب الإلكتروني |
|---|---|---|---|
| s | 1 مدار | 2 إلكترون | 1s², 2s² |
| p | 3 مدارات | 6 إلكترونات | 2p⁶, 3p⁶ |
| d | 5 مدارات | 10 إلكترونات | 3d¹⁰ |
| f | 7 مدارات | 14 إلكترونًا | 4f¹⁴ |
4f
وما أقصى عدد للإلكترونات التي يمكن أن يحويها وفق مبدأ باولي؟
f
يحتوي على 7 أفلاك ( كل فلك يستوعب إلكترونين كحد أقصى) إذاً أقصى إلكترونات = 7 × 2 = 14 إلكتروناً.
⚛️ التوزيع الإلكتروني | الترميز & مخططات الأفلاك
1s² 2s² 2p⁶
(n)
ومستوى الطاقة الفرعي
(s, p, d, f)
المرتبط بكل إلكترون في الذرة، ويتضمن رقماً فوقياً يمثل عدد الإلكترونات في ذلك المستوى الفرعي
📌 مثال: ذرة الكربون في حالتها الأرضية (العدد الذري 6) تُكتب:
1s² 2s² 2p²
• 1s² : مستوى رئيسي أول، تحت مستوى يحتوي على إلكترونين.
• 2s² : مستوى ثاني، تحت مستوى إلكترونين.
• 2p² : مستوى ثاني، تحت مستوى به إلكترونين (طبقاً لقاعدة هوند).
(بالأسفل) الترتيب الإلكتروني ومخططات الأفلاك للعناصر من الدورة الأولى والثانية، ينما يبين تداخل الأفلاك
1s, 2s, 2px, 2py, 2pz
في ذرة الكربون .
🧪 الجدول يبين الترتيب الإلكتروني ومخططات أفلاك العناصر (1-10)
📊 الجدول المرجعي: العناصر 1-10 (مخطط الفلك والترتيب الإلكتروني)
| العنصر | العدد الذري | مخطط الفلك (1s, 2s, 2px, 2py, 2pz) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1s | 2s | 2p orbitals | ||||
| الهيدروجين | 1 | ↑ | ||||
| الهيليوم | 2 | ↑↓ | ||||
| الليثيوم | 3 | ↑↓ | ↑ | |||
| البريليوم | 4 | ↑↓ | ↑↓ | |||
| البورون | 5 | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ||
| الكربون | 6 | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ | |
| النيتروجين | 7 | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ | ↑ |
| الأكسجين | 8 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ | ↑ |
| الفلور | 9 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑ |
| النيون | 10 | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ | ↑↓ |
2p3
ثلاث إلكترونات غير مزدوجة في مدارات
2p
2p
بشكل منفرد (ثلاثة أسهم لأعلى) بدلاً من ازدواجها في مدار واحد؟
ازدواج الإلكترونات واستقرار الغازات النبيلة
💠 الكربون (6 إلكترونات): الترتيب الإلكتروني
1s2 2s2 2p2.
مخططه يظهر إلكترونين متقابلين في
2 2s2
وإلكترونين منفردين في مدارين مختلفين من
2p (↑ px و ↑ py)
وهذا يفسر تكافؤه 4 وقدرته على تكوين روابط متعددة.
💠 الأكسجين (8 إلكترونات)
1s2 2s2 2p4
في مخطط
نرى زوجًا إلكترونيًا في أحد المدارات
2p ↑↓
وفلكين آخرين بإلكترون واحد. هذا يؤدي إلى خاصية مغناطيسية وضعف ازدواج.
(↑ في py و ↑ في pz)
💠 النيون (10 إلكترونات): غاز نبيل، 1
1s2 2s2 2p6
حيث جميع مدارات ممتلئة بشكل كامل
2p (↑↓ ↑↓ ↑↓)
وهذا يفسر خموله الكيميائي واستقراره العالي.
الجدول 5: الترتيب الإلكتروني للعناصر 11-18
| العنصر | العدد الذري | الترتيب الإلكتروني الكامل | الترتيب الإلكتروني المختصر |
|---|---|---|---|
| الصوديوم | 11 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ | [Ne] 3s¹ |
| المغنيسيوم | 12 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² | [Ne] 3s² |
| الألمنيوم | 13 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ | [Ne] 3s² 3p¹ |
| السيليكون | 14 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p² | [Ne] 3s² 3p² |
| الفوسفور | 15 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³ | [Ne] 3s² 3p³ |
| الكبريت | 16 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴ | [Ne] 3s² 3p⁴ |
| الكلور | 17 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ | [Ne] 3s² 3p⁵ |
| الأرجون | 18 | 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ | [Ar] |
تمارين على الترتيب الإلكتروني
السؤال 1
ما هو الترتيب الإلكتروني المختصر لعنصر الكلور (Z = 17)؟
الحل:
الترتيب الكامل: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
نستبدل اللب بـ [Ne]
إذن الترتيب المختصر: [Ne] 3s² 3p⁵
السؤال 2
أي عنصر في الجدول يمتلك الترتيب الإلكتروني التالي: [Ne] 3s² 3p² ؟
الحل:
نحسب العدد الذري:
[Ne] = 10 إلكترونات
3s² = 2 إلكترونات
3p² = 2 إلكترونات
المجموع = 14
العنصر هو: السيليكون
تمارين الكيمياء
21) اكتب الترتيب الإلكتروني للعناصر التالية: Br, Sr, Sb, Re, Tb, Ti
Sr: [Kr] 5s²
Sb: [Kr] 5s² 4d¹⁰ 5p³
Re: [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d⁵
Tb: [Xe] 6s² 4f⁹
Ti: [Ar] 4s² 3d²
22) ذرة الكلور تمتلك 7 إلكترونات تكافؤ في المستوى الثالث. كم عدد إلكترونات p؟
إذن إلكترونات p = 5
23) عند تفاعل الكبريت، كم عدد الإلكترونات في المستوى الثالث؟
المجموع = 6 إلكترونات
24) الترتيب الإلكتروني: [Kr] 5s² 4d¹⁰ 5p¹، ما العنصر؟
العنصر هو: الإنديوم (In)
25) عنصر يحتوي على إلكترونين في مستوى n=6، ما هو؟
العنصر هو: الباريوم (Ba)
No comments:
Post a Comment