المنقذ — منصة المرحلة الثانوية

أهداف الدرس

أذكر قواعد الترتيب الإلكتروني في تحت مستويات الطاقة: مبدأ أوفباو، وقاعدة مادلنج، وقاعدة هوند، ومبدأ الاستبعاد لباولي.
أوضّح نص كل قاعدة من قواعد الترتيب الإلكتروني بلغة الكتاب.
أطبّق قاعدة مادلنج في ترتيب تحت مستويات الطاقة تصاعديًا حسب أولوية امتلائها بالإلكترونات.
أرتب إلكترونات العناصر حسب تحت مستويات الطاقة وحسب الأفلاك.
أحدّد قيم أعداد الكم الأربعة لإلكترونين في تحت مستوى طاقة معيّن.
أستنتج عدد الإلكترونات المفردة وعدد الإلكترونات المزدوجة وعدد أزواج الإلكترونات من الترتيب الإلكتروني حسب الأفلاك.

الشرح خطوة بخطوة

1 / 450:00

المقطع 1 من 9الدرس [1-4]: قواعد الترتيب الإلكتروني في الذرات — Electrons Configuration in Atoms1:45

لا يوجد صوت عربي على هذا الجهاز. الشرح الصوتي المسجّل سيتوفر لهذا الدرس قريبًا

مقاطع الدرس

0 من 9 مكتمل

الدرس [1-4]: قواعد الترتيب الإلكتروني في الذرات — Electrons Configuration in Atoms(ص 46)

بناء من أربعة أدوار يمثل مستويات الطاقة الرئيسية: الدور الأول (n = 1) وفيه غرفة واحدة 1s، والدور الثاني (n = 2) وفيه 2s بغرفة واحدة و2p بثلاث غرف، والدور الثالث (n = 3) وفيه 3s و3p و3d، والدور الرابع (n = 4) وفيه 4s و4p و4d و4f، والنواة في أسفل البناء.(ص 46)

هل نستطيع الانتقال من الطابق الأول إلى الطابق الثالث في المنزل مباشرة دون المرور بالطابق الثاني باستخدام السلم؟ تتصرف الإلكترونات في الذرات بطريقة مشابهة لانتقالنا عبر السلالم إلى الطوابق العليا، فهي تشغل مستويات الطاقة الرئيسية الأقل أولًا، ثم تنتقل إلى مستويات الطاقة الرئيسية الأعلى، وهذه إحدى قواعد ترتيب الإلكترونات في الذرة.(ص 46)

انتبهماذا تتوقع أن تكون القواعد الأخرى لترتيب الإلكترونات في الذرات؟ ستتعلم في هذا الدرس قواعد الترتيب الإلكتروني في تحت مستويات الطاقة: مبدأ أوفباو، ومبدأ مادلنج، وقاعدة هوند، ومبدأ الاستبعاد لباولي، وستتعلم كيف ترتّب إلكترونات العناصر حسب قواعد الترتيب الإلكتروني.(ص 46)

نشاط: كيف توزّع الكرات على الكؤوس؟(ص 47)

ثلاثة كؤوس مختلفة الأحجام وخمس كرات معدنية تمثّل الإلكترونات، وهي أدوات نشاط الدرس.(ص 47)

مثاللديك ثلاثة كؤوس مختلفة الأحجام عليها بطاقات تحمل الأرقام 1، 2، 3، وخمسة كرات تمثّل الإلكترونات. المطلوب: وزّع الكرات داخل الكؤوس، واذكر الطريقة التي اتبعتها في التوزيع.(ص 47)

نستنتج أن الإلكترونات لا تتوزّع عشوائيًا، بل ترتّب في مستويات الطاقة الرئيسية وتحت مستويات الطاقة وفق قواعد ترتيبٍ محدّدةٍ تبدأ بالأقل طاقة فالأعلى. فما هي هذه القواعد؟(ص 47)

1 - مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي) — Aufbau Principle
2 - قاعدة مادلنج — Madelung's rule
3 - قاعدة هوند — Hund's Rule
4 - مبدأ الاستبعاد لباولي — Pauli's Exclusion Principle

1 - مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي) — Aufbau Principle(ص 47)

ينص مبدأ أوفباو على أن: «مستويات الطاقة الرئيسية ذوات الطاقة المنخفضة تملأ بالإلكترونات أولًا». فمستوى الطاقة الرئيسي الأول (n = 1) يملأ أولًا لأنه أقلها طاقة وهو أقرب المستويات إلى النواة، ثم يليه المستوى (n = 2) ثم المستوى (n = 3) وهكذا.(ص 47)

انتبهملاحظة: أوفباو كلمة باللغة الألمانية تعني البناء أو التركيب التدريجي (البناء التصاعدي).(ص 47)

2 - قاعدة مادلنج — Madelung's rule(ص 47)

تنص قاعدة مادلنج على أن: «تحت مستوى الطاقة الذي يكون مجموع قيمة عددي الكَمْ الرئيسي والزّاوي (n+ℓ) له أقل يملأ بالإلكترونات أولًا، فإذا تساوى تحت مستويين في مجموع قيمة (n+ℓ)، فتحت مستوى الطاقة الذي له أقل قيمة عدد كَمْ رئيسي (n) يملأ بالإلكترونات أولًا».(ص 47)

وهذه القاعدة توضّح حقيقة علمية وهي أن ميل الإلكترونات لشغل مستويات الطاقة الأقرب للنواة (الأقل طاقة) يؤدي إلى استقرار الذرات. فمثالًا على ذلك: يتم ترتيب الإلكترونات في تحت مستويات الطاقة كما في الجدول (10).(ص 48)

نلاحظ من الجدول (10):
1 - تحت مستوى الطاقة 2p يملأ بالإلكترونات أولًا. (علل) يرجع ذلك إلى قاعدة مادلنج، حيث مجموع قيمة (n+ℓ) له أقل فيملأ بالإلكترونات أولًا.
2 - يملأ تحت مستوى الطاقة 4s قبل تحت مستوى الطاقة 3d. (علل) لأن مجموع قيمة (n+ℓ) لتحت المستوى 4s أقل فيملأ أولًا بالإلكترونات.
3 - يملأ تحت مستوى الطاقة 3p قبل تحت مستوى الطاقة 4s. (علل) في حالة التساوي في مجموع قيمة (n+ℓ)، ولأن قيمة n لتحت المستوى 3p أقل فيملأ أولًا بالإلكترونات.

مثال (1): ترتيب تحت مستويات الطاقة تصاعديًا(ص 49)

مثالرتّب تحت مستويات الطاقة التالية تصاعديًا من حيث أولوية امتلائها بالإلكترونات: 6s , 4p , 3d , 4f الحـل: قيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 6s = 6 + 0 = 6 قيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 4p = 4 + 1 = 5 قيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 3d = 3 + 2 = 5 قيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 4f = 4 + 3 = 7 وبذلك يكون ترتيب امتلاء تحت مستويات الطاقة بالإلكترونات كالتالي: 3d ثم 4p ثم 6s ثم 4f(ص 49)

انتبهبناءً على ما سبق يتم ترتيب تحت مستويات الطاقة تصاعديًا تبعًا للطاقة كالتالي: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ , …(ص 49)

كتابة الترتيب الإلكتروني حسب تحت مستويات الطاقة(ص 50)

مثالمثال (2): اكتب الترتيب الإلكتروني حسب تحت مستويات الطاقة للعناصر التالية: الحـل: ₁₁Na : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ ₂₁Sc : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ ₃₆Kr : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶(ص 50)

انتبهإضاءات: ترتبط قواعد الترتيب الإلكتروني ارتباطًا وثيقًا بالعديد من العلوم الأخرى؛ إذ تعتمد على مبادئ فيزياء الكم التي تفسّر ترتيب الإلكترونات في مستويات الطاقة الرئيسية المختلفة. كما تسهم في فهم تكوين الروابط الكيميائية في الجزيئات الحيوية في علم الأحياء، وتفسّر آلية عمل كثير من الأدوية في الطب. كذلك تساعد في تفسير الأطياف الذرية المستخدمة في دراسة النجوم والمعادن في علوم الأرض والفضاء، وتُعد أساسًا في تطوير التقنيات الحديثة مثل أشباه الموصلات والليزر. لذلك يُعد الترتيب الإلكتروني نقطة التقاء مهمة بين الكيمياء والعلوم المختلفة.(ص 50)

3 - قاعدة هوند — Hund's Rule(ص 51)

هذه القاعدة خاصة بترتيب الإلكترونات في أفلاك تحت مستوى الطاقة الذي يتكوّن من عدّة أفلاك. وتنص قاعدة هوند على أنه: «لا يحدث تزاوج بين إلكترونين في فلك تحت مستوى طاقة معيّن يتكوّن من عدة أفلاك إلّا بعد أن تُشغل أفلاكه فرادى أولًا، ثم تبدأ الإلكترونات بالازدواج في الأفلاك تباعًا باتجاه غزل معاكس».(ص 51)

قواعد ملء تحت مستويات الطاقة بالإلكترونات، تبعًا لقاعدة هوند: 1 - يتتابع امتلاء الأفلاك لتحت مستوى الطاقة الواحد بالإلكترونات بشكلٍ فرديٍّ أولًا وتكون الحركة المغزلية في الاتجاه نفسه.(ص 51)

ثلاث حالات متتابعة لأفلاك تحت مستوى الطاقة p تبيّن امتلاءها فرادى: إلكترون واحد في px، ثم إلكترون في px وآخر في py، ثم إلكترون في كل من px وpy وpz، وجميعها بغزل في الاتجاه نفسه.(ص 51)

2 - يبدأ الازدواج في أفلاك تحت مستوى الطاقة الواحد بعد شغل جميع أفلاكه فرادى أولًا ويكون غزل إلكترونيَّ الفلك الواحد باتجاه معاكس.(ص 51)

ثلاث حالات متتابعة تبيّن بدء الازدواج في أفلاك p بعد شغلها فرادى: يزدوج px أولًا، ثم py، ثم pz، ويكون الإلكترون الثاني في كل فلك بغزل معاكس (السهم الأحمر).(ص 51)

مثال (3): الترتيب الإلكتروني لذرة النيتروجين حسب الأفلاك(ص 51)

مثالاكتب الترتيب الإلكتروني لذرة النيتروجين (₇N) حسب الأفلاك. الحـل: ذرة النيتروجين تحتوي على (7) إلكترونات، فعند ملء أفلاك تحت مستوى الطاقة 2p تُمْلأ أفلاكه الثلاثة px ، py ، pz فرادى كل منها بإلكترون.(ص 51)

الترتيب الإلكتروني لذرة النيتروجين حسب الأفلاك: فلك 1s² مزدوج، وفوقه فلك 2s² مزدوج، وفوقهما أفلاك 2px و2py و2pz وفي كل منها إلكترون مفرد في الاتجاه نفسه.(ص 51)

- عدد الإلكترونات المفردة (غير المزدوجة) = 3 (الإلكترون المفرد: إلكترون واحد في كل فلك)
- عدد أزواج الإلكترونات = 2 (أزواج الإلكترونات: عدد الأفلاك المكتملة)
- عدد الإلكترونات المزدوجة = 4 (عدد الإلكترونات المزدوجة: مجموع الإلكترونات في الأفلاك المكتملة)

ترتيبان مقترحان لذرة الأكسجين (₈O) حسب الأفلاك: الترتيب A فيه 2px و2py مزدوجان و2pz فارغ، والترتيب B فيه 2px مزدوج و2py و2pz في كل منهما إلكترون مفرد.(ص 52)

الترتيب الذي يمثل الترتيب الصحيح هو (B)؛ والسبب أن الإلكترونات لا تبدأ بالازدواج إلا بعد أن تُشغل أفلاك تحت المستوى فرادى أولًا، وهذا نص قاعدة هوند. أما الترتيب (A) فقد ازدوجت فيه الإلكترونات في فلكي 2px و2py وتُرك الفلك 2pz فارغًا، وهذا مخالف لقاعدة هوند.(ص 52)

4 - مبدأ الاستبعاد لباولي — Pauli's Exclusion Principle(ص 53)

ينص مبدأ الاستبعاد لباولي: «في ذرة ما لا يوجد إلكترونان لهما قيم أعداد الكَمْ الأربعة نفسها».(ص 53)

مثالمثال (4): حدد قيم أعداد الكم الأربعة للإلكترونين في تحت مستوى الطاقة 1s²(ص 53)

حل مثال (4): فلك 1s² وفيه إلكترونان متعاكسا الغزل، وجدول أعداد الكم الأربعة لهما؛ الإلكترون الأول: n = 1 ، ℓ = 0 ، mℓ = 0 ، ms = +½ ، والإلكترون الثاني: n = 1 ، ℓ = 0 ، mℓ = 0 ، ms = −½.(ص 53)

يتضح من الجدول أن إلكتروني تحت مستوى الطاقة 1s² يتفقان في قيم أعداد الكم (n ، ℓ ، mℓ) ويختلفان في قيمة عدد الكم المغزلي ms.(ص 53)

مثالمثال (5): حدد قيم أعداد الكم الأربعة للإلكترونين في تحت مستوى الطاقة 2p²(ص 53)

حل مثال (5): أفلاك 2p وفيها إلكترونان مفردان في px وpy، وجدول أعداد الكم الأربعة لهما؛ الإلكترون الأول: n = 2 ، ℓ = 1 ، mℓ = −1 ، ms = +½ ، والإلكترون الثاني: n = 2 ، ℓ = 1 ، mℓ = 0 ، ms = +½.(ص 53)

يتفق الإلكترونان في تحت مستوى الطاقة 2p² في قيم أعداد الكم (n ، ℓ ، ms) ويختلفان في عدد الكم المغناطيسي ورمزه mℓ.(ص 53)

دعنا نلخص ما سبق:
1 - إلكترونا فلك تحت مستوى الطاقة ns² يختلفان في قيمة عدد الكم المغزلي ms.
2 - إلكترونا فلك تحت مستوى الطاقة (npx² أو npy² أو npz²) يختلفان في قيمة عدد الكم المغزلي ms.
3 - إلكترونا تحت مستوى الطاقة np² يختلفان في قيمة عدد الكم المغناطيسي mℓ.

حل المسائل على السبورة

شاهد المعلم يكتب الحل سطرًا سطرًا، أوقفه، أعد الخطوة، واسأل «لماذا؟» — ثم حُلّ مسألة مشابهة بنفسك لتكسب نجمة.

7 مسائل تُحل أمامك خطوة خطوة، وبعد كل مسألة سؤال قصير تكسب به نجمة.0 من 7

المسألة · الكتاب ص 49
رتّب تحت مستويات الطاقة التالية تصاعديًا من حيث أولوية امتلائها بالإلكترونات: 6s , 4p , 3d , 4f
المعطيات
1. تحت مستويات الطاقة: 6s , 4p , 3d , 4fمن هنا
2. قيم ℓ : لتحت المستوى s تساوي 0 ، ولـ p تساوي 1 ، ولـ d تساوي 2 ، ولـ f تساوي 3من هنا
3. قاعدة مادلنج: الأقل في مجموع (n+ℓ) يملأ أولًا، وعند التساوي يملأ الأقل في (n) أولًا
1. قيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 6s = 6 + 0 = 6
  قاعدة مادلنج
المعلم: نَبْدَأُ كَما بَدَأَ الكِتابُ: نَحْسُبُ مَجْمُوعَ عَدَدَيِ الكَمِّ الرَّئِيسِيِّ وَالزّاوِيِّ لِكُلِّ تَحْتَ مُسْتَوًى عَلَى حِدَةٍ. فِي سِتَّةْ إِسْ، العَدَدُ الكَمِّيُّ الرَّئِيسِيُّ يُساوِي سِتَّةً، وَالعَدَدُ الكَمِّيُّ الزّاوِيُّ لِتَحْتَ المُسْتَوَى إِسْ يُساوِي صِفْرا، فَيَكُونُ المَجْمُوعُ سِتَّةً زائِدَ صِفْرٍ أَيْ سِتَّةً.
الخطوة 1 من 7

الملخص

الإلكترونات لا تتوزّع عشوائيًا، بل ترتّب في مستويات الطاقة الرئيسية وتحت مستويات الطاقة وفق قواعد ترتيبٍ محدّدةٍ تبدأ بالأقل طاقة فالأعلى.
مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي): مستويات الطاقة الرئيسية ذوات الطاقة المنخفضة تملأ بالإلكترونات أولًا.
قاعدة مادلنج: تحت مستوى الطاقة الذي مجموع (n+ℓ) له أقل يملأ بالإلكترونات أولًا، فإذا تساوى تحت مستويان في المجموع مُلئ صاحب أقل قيمة (n) أولًا.
ترتيب تحت مستويات الطاقة تصاعديًا تبعًا للطاقة: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ , …
قاعدة هوند: لا يحدث تزاوج بين إلكترونين في فلك تحت مستوى طاقة يتكوّن من عدة أفلاك إلّا بعد أن تُشغل أفلاكه فرادى أولًا، ثم يبدأ الازدواج باتجاه غزل معاكس.
مبدأ الاستبعاد لباولي: في ذرة ما لا يوجد إلكترونان لهما قيم أعداد الكَمْ الأربعة نفسها.
إلكترونا فلك ns² أو npx² يختلفان في قيمة عدد الكم المغزلي ms، وإلكترونا تحت مستوى الطاقة np² يختلفان في قيمة عدد الكم المغناطيسي mℓ.
الإلكترون المفرد: إلكترون واحد في كل فلك؛ وأزواج الإلكترونات: عدد الأفلاك المكتملة؛ وعدد الإلكترونات المزدوجة: مجموع الإلكترونات في الأفلاك المكتملة.

الأفكار الرئيسية

ترتيب الإلكترونات في الذرة يبدأ دائمًا بالأقل طاقة فالأعلى، ويحكمه أربع قواعد ثابتة: أوفباو، ومادلنج، وهوند، والاستبعاد لباولي.
قاعدة مادلنج (n+ℓ) هي التي تحدّد أي تحت مستوى يملأ قبل الآخر، وهي التي تفسّر ملء 4s قبل 3d و3p قبل 4s.
قاعدة هوند تنظّم توزيع الإلكترونات داخل أفلاك تحت المستوى الواحد فرادى قبل الازدواج، ومبدأ باولي يمنع تطابق أعداد الكم الأربعة لإلكترونين في الذرة نفسها.

الأسئلة المهمة

اذكر نص مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي).

«مستويات الطاقة الرئيسية ذوات الطاقة المنخفضة تملأ بالإلكترونات أولًا». فمستوى الطاقة الرئيسي الأول (n = 1) يملأ أولًا لأنه أقلها طاقة وهو أقرب المستويات إلى النواة، ثم يليه المستوى (n = 2) ثم المستوى (n = 3) وهكذا.

الكتاب صفحة 47

اذكر نص قاعدة مادلنج.

«تحت مستوى الطاقة الذي يكون مجموع قيمة عددي الكَمْ الرئيسي والزّاوي (n+ℓ) له أقل يملأ بالإلكترونات أولًا، فإذا تساوى تحت مستويين في مجموع قيمة (n+ℓ)، فتحت مستوى الطاقة الذي له أقل قيمة عدد كَمْ رئيسي (n) يملأ بالإلكترونات أولًا».

الكتاب صفحة 47

علّل: تحت مستوى الطاقة 2p يملأ بالإلكترونات أولًا.

يرجع ذلك إلى قاعدة مادلنج، حيث مجموع قيمة (n+ℓ) له أقل (2 + 1 = 3) فيملأ بالإلكترونات أولًا.

الكتاب صفحة 48

علّل: يملأ تحت مستوى الطاقة 4s قبل تحت مستوى الطاقة 3d.

لأن مجموع قيمة (n+ℓ) لتحت المستوى 4s أقل (4 + 0 = 4) من مجموع قيمة (n+ℓ) لتحت المستوى 3d (3 + 2 = 5) فيملأ أولًا بالإلكترونات.

الكتاب صفحة 48

علّل: يملأ تحت مستوى الطاقة 3p قبل تحت مستوى الطاقة 4s.

في حالة التساوي في مجموع قيمة (n+ℓ) — فمجموعهما معًا يساوي 4 — ولأن قيمة n لتحت المستوى 3p أقل فيملأ أولًا بالإلكترونات.

الكتاب صفحة 48

اذكر نص قاعدة هوند.

«لا يحدث تزاوج بين إلكترونين في فلك تحت مستوى طاقة معيّن يتكوّن من عدة أفلاك إلّا بعد أن تُشغل أفلاكه فرادى أولًا، ثم تبدأ الإلكترونات بالازدواج في الأفلاك تباعًا باتجاه غزل معاكس».

الكتاب صفحة 51

اذكر نص مبدأ الاستبعاد لباولي.

«في ذرة ما لا يوجد إلكترونان لهما قيم أعداد الكَمْ الأربعة نفسها».

الكتاب صفحة 53

قارن بين إلكتروني فلك تحت مستوى الطاقة ns² وإلكتروني تحت مستوى الطاقة np² من حيث عدد الكم الذي يختلفان فيه.

إلكترونا فلك تحت مستوى الطاقة ns² يختلفان في قيمة عدد الكم المغزلي ms لأنهما في فلك واحد، أما إلكترونا تحت مستوى الطاقة np² فيختلفان في قيمة عدد الكم المغناطيسي mℓ لأن كلًّا منهما في فلك مستقل تطبيقًا لقاعدة هوند.

الكتاب صفحة 54

الواجب

أسئلة تطبيقية لتحلها في البيت. يمكنك طباعتها من الأعلى.

اكتب الترتيب الإلكتروني لذرة الفلور (₉F) حسب الأفلاك.

متوسط

قام أحد المتعلمين بكتابة الترتيب الإلكتروني لعنصر التيتانيوم ₂₂Ti على النحو التالي: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴. مستعينًا بقواعد الترتيب الإلكتروني، اكتشف الخطأ العلمي في هذا الترتيب، ثم حدّد القاعدة التي خالفها المتعلّم، واكتب الترتيب الإلكتروني الصحيح.

صعب

في ذرة الألومنيوم (₁₃Al): اكتب الترتيب الإلكتروني حسب تحت مستويات الطاقة، ثم حسب الأفلاك، ثم حدّد عدد الإلكترونات المفردة وعدد الإلكترونات المزدوجة وعدد أزواج الإلكترونات.

صعب

رتّب تحت مستويات الطاقة التالية تصاعديًا من حيث أولوية امتلائها بالإلكترونات: 5s , 4d , 4p , 5p

صعب

أي الترتيبين التاليين يمثل الترتيب الإلكتروني الصحيح حسب الأفلاك لذرة عنصر الأكسجين (₈O)؟ مع ذكر السبب.

متوسط

مصطلحات الدرس

مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي) — Aufbau Principle: مستويات الطاقة الرئيسية ذوات الطاقة المنخفضة تملأ بالإلكترونات أولًا.
قاعدة مادلنج — Madelung's rule: تحت مستوى الطاقة الذي يكون مجموع قيمة عددي الكَمْ الرئيسي والزّاوي (n+ℓ) له أقل يملأ بالإلكترونات أولًا، فإذا تساوى تحت مستويين في مجموع قيمة (n+ℓ) فتحت مستوى الطاقة الذي له أقل قيمة عدد كَمْ رئيسي (n) يملأ بالإلكترونات أولًا.
قاعدة هوند — Hund's Rule: لا يحدث تزاوج بين إلكترونين في فلك تحت مستوى طاقة معيّن يتكوّن من عدة أفلاك إلّا بعد أن تُشغل أفلاكه فرادى أولًا، ثم تبدأ الإلكترونات بالازدواج في الأفلاك تباعًا باتجاه غزل معاكس.
مبدأ الاستبعاد لباولي — Pauli's Exclusion Principle: في ذرة ما لا يوجد إلكترونان لهما قيم أعداد الكَمْ الأربعة نفسها.
الإلكترون المفرد: إلكترون واحد في كل فلك.
أزواج الإلكترونات: عدد الأفلاك المكتملة.
عدد الإلكترونات المزدوجة: مجموع الإلكترونات في الأفلاك المكتملة.

تمارين الكتاب كاملة

كل سؤال ونشاط وتمرين ورد في صفحات هذا الدرس، بنصه وإجابته النموذجية. 20 تمرينًا.

سؤال افتتاحيهل نستطيع الانتقال من الطابق الأول إلى الطابق الثالث في المنزل مباشرة دون المرور بالطابق الثاني باستخدام السلم؟(ص 46)

لا نستطيع؛ فالانتقال بالسلم يكون بالمرور على الطوابق بالترتيب طابقًا بعد طابق. وتتصرف الإلكترونات في الذرات بطريقة مشابهة لانتقالنا عبر السلالم إلى الطوابق العليا، فهي تشغل مستويات الطاقة الرئيسية الأقل أولًا، ثم تنتقل إلى مستويات الطاقة الرئيسية الأعلى، وهذه إحدى قواعد ترتيب الإلكترونات في الذرة.

ماذا تتوقع؟ماذا تتوقع أن تكون القواعد الأخرى لترتيب الإلكترونات في الذرات؟(ص 46)

إرشاد الإجابة: القواعد الأخرى هي قواعد الترتيب الإلكتروني في تحت مستويات الطاقة، وهي أربع: مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي)، وقاعدة مادلنج، وقاعدة هوند، ومبدأ الاستبعاد لباولي. وهي تحدّد أيّ تحت مستوى يملأ أولًا، وكيف توزّع الإلكترونات داخل أفلاك تحت المستوى الواحد، وأن إلكترونين في الذرة لا يتشابهان في أعداد الكَمْ الأربعة كلها.

نشاطلديك ثلاثة كؤوس مختلفة الأحجام عليها بطاقات تحمل الأرقام 1، 2، 3، وخمسة كرات تمثّل الإلكترونات. المطلوب: وزّع الكرات داخل الكؤوس، واذكر الطريقة التي اتبعتها في التوزيع.(ص 47)

إرشاد الإجابة: أبدأ بالكأس رقم (1) وهو الأصغر والأقرب، فأملؤه أولًا، ثم أنتقل إلى الكأس رقم (2)، ثم إلى الكأس رقم (3)، ولا أترك كأسًا فارغًا وأقفز فوقه. الطريقة المتَّبعة إذن هي البدء بالأقل ثم الانتقال إلى الأعلى بالترتيب. ونستنتج من النشاط أن الإلكترونات لا تتوزّع عشوائيًا، بل ترتّب في مستويات الطاقة الرئيسية وتحت مستويات الطاقة وفق قواعد ترتيبٍ محدّدةٍ تبدأ بالأقل طاقة فالأعلى.

مثال (1)رتّب تحت مستويات الطاقة التالية تصاعديًا من حيث أولوية امتلائها بالإلكترونات: 6s , 4p , 3d , 4f(ص 49)

قيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 6s = 6 + 0 = 6، ولتحت مستوى الطاقة 4p = 4 + 1 = 5، ولتحت مستوى الطاقة 3d = 3 + 2 = 5، ولتحت مستوى الطاقة 4f = 4 + 3 = 7. وبما أن 3d و4p تساويا في المجموع فيُقدَّم صاحب أقل قيمة (n) وهو 3d. وبذلك يكون ترتيب امتلاء تحت مستويات الطاقة بالإلكترونات كالتالي: 3d ثم 4p ثم 6s ثم 4f.

تمرين (1)أي من تحت مستويات الطاقة التالية يملأ بالإلكترونات أولًا، مع ذكر السبب: 6p أم 5f(ص 49)

يملأ 6p أولًا. السبب: قيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 6p = 6 + 1 = 7، وقيمة مجموع (n + ℓ) لتحت مستوى الطاقة 5f = 5 + 3 = 8. وحسب قاعدة مادلنج فإن تحت مستوى الطاقة الذي مجموع (n + ℓ) له أقل يملأ بالإلكترونات أولًا، وهو 6p.

مثال (2)اكتب الترتيب الإلكتروني حسب تحت مستويات الطاقة للعناصر التالية: ₁₁Na ، ₂₁Sc ، ₃₆Kr(ص 50)

₁₁Na : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹ ₂₁Sc : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹ ₃₆Kr : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶

تمرين (2)اكتب الترتيب الإلكتروني حسب تحت مستويات الطاقة للعناصر التالية: ₁₂Mg ، ₁₉K ، ₂₆Fe ، ₃₅Br(ص 50)

₁₂Mg : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² ₁₉K : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ ₂₆Fe : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶ ₃₅Br : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁵ ويُلاحظ في K وFe وBr أن تحت مستوى الطاقة 4s يملأ قبل 3d تطبيقًا لقاعدة مادلنج.

مثال (3)اكتب الترتيب الإلكتروني لذرة النيتروجين (₇N) حسب الأفلاك.(ص 51)

ذرة النيتروجين تحتوي على (7) إلكترونات، فعند ملء أفلاك تحت مستوى الطاقة 2p تُمْلأ أفلاكه الثلاثة px ، py ، pz فرادى كل منها بإلكترون. فيكون الترتيب: 1s² 2s² 2px¹ 2py¹ 2pz¹. - عدد الإلكترونات المفردة (غير المزدوجة) = 3 (الإلكترون المفرد: إلكترون واحد في كل فلك) - عدد أزواج الإلكترونات = 2 (أزواج الإلكترونات: عدد الأفلاك المكتملة) - عدد الإلكترونات المزدوجة = 4 (عدد الإلكترونات المزدوجة: مجموع الإلكترونات في الأفلاك المكتملة)

تمرين (3)أي الترتيبين التاليين يمثل الترتيب الإلكتروني الصحيح حسب الأفلاك لذرة عنصر الأكسجين (₈O) مع ذكر السبب. 1 - الشكل الذي يمثل الترتيب الصحيح هو (A-B) ......... 2 - السبب: .........(ص 52)

1 - الشكل الذي يمثل الترتيب الصحيح هو (B). 2 - السبب: تطبيقًا لقاعدة هوند لا يحدث تزاوج بين إلكترونين في فلك تحت مستوى الطاقة 2p إلا بعد أن تُشغل أفلاكه الثلاثة فرادى أولًا؛ ففي (B) شُغلت الأفلاك فرادى ثم بدأ الازدواج في 2px فصار 2px² 2py¹ 2pz¹. أما في (A) فقد ازدوج الإلكترونان في 2px و2py وتُرك الفلك 2pz فارغًا، وهذا مخالف لقاعدة هوند.

تمرين (4)في ذرة الألومنيوم (₁₃Al) ، المطلوب: 1 - اكتب الترتيب الإلكتروني حسب تحت مستويات الطاقة. 2 - اكتب الترتيب الإلكتروني حسب الأفلاك. 3 - عدد الإلكترونات المفردة (غير المزدوجة). 4 - عدد الإلكترونات المزدوجة. 5 - عدد أزواج الإلكترونات.(ص 52)

1 - الترتيب حسب تحت مستويات الطاقة: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ 2 - الترتيب حسب الأفلاك: 1s² 2s² 2px² 2py² 2pz² 3s² 3px¹ 3 - عدد الإلكترونات المفردة (غير المزدوجة) = 1 4 - عدد الإلكترونات المزدوجة = 12 5 - عدد أزواج الإلكترونات = 6 (وهي عدد الأفلاك المكتملة: 1s ، 2s ، 2px ، 2py ، 2pz ، 3s)

مثال (4)حدد قيم أعداد الكم الأربعة للإلكترونين في تحت مستوى الطاقة 1s²(ص 53)

الإلكترون الأول: n = 1 ، ℓ = 0 ، mℓ = 0 ، ms = +½ الإلكترون الثاني: n = 1 ، ℓ = 0 ، mℓ = 0 ، ms = −½ يتضح من الجدول أن إلكتروني تحت مستوى الطاقة 1s² يتفقان في قيم أعداد الكم (n ، ℓ ، mℓ) ويختلفان في قيمة عدد الكم المغزلي ms.

مثال (5)حدد قيم أعداد الكم الأربعة للإلكترونين في تحت مستوى الطاقة 2p²(ص 53)

الإلكترون الأول: n = 2 ، ℓ = 1 ، mℓ = −1 ، ms = +½ الإلكترون الثاني: n = 2 ، ℓ = 1 ، mℓ = 0 ، ms = +½ يتفق الإلكترونان في تحت مستوى الطاقة 2p² في قيم أعداد الكم (n ، ℓ ، ms) ويختلفان في عدد الكم المغناطيسي ورمزه mℓ.

تمرين (5)رتب إلكتروني فلك تحت مستوى الطاقة 2px² حسب الأفلاك، وحدد قيم أعداد الكم الأربعة لها. يتفق الإلكترونان في فلك تحت مستوى الطاقة 2px² في قيم أعداد الكم ......... ويختلفان في عدد الكم ......... ورمزه ......... .(ص 54)

يُرسم الفلك 2px صندوقًا واحدًا فيه سهمان متعاكسان (إلكترونان بغزل متعاكس). الإلكترون الأول: n = 2 ، ℓ = 1 ، mℓ = −1 ، ms = +½ الإلكترون الثاني: n = 2 ، ℓ = 1 ، mℓ = −1 ، ms = −½ يتفق الإلكترونان في فلك تحت مستوى الطاقة 2px² في قيم أعداد الكم (n ، ℓ ، mℓ) ويختلفان في عدد الكم المغزلي ورمزه ms.

تمرين (6)اختر الإجابة الصحيحة لكل عبارة من العبارات الآتية وذلك بوضع علامة (✓) في المربع المقابل لها: أقصى عدد من الإلكترونات التي لها الغزل نفسه في مستوى الطاقة الرئيسي الثاني (n = 2) — (وضح إجابتك بكتابة تحت مستويات الطاقة حسب الأفلاك) : 3 ، 4 ، 5 ، 6(ص 54)

الإجابة الصحيحة: 4. وضح إجابتك: مستوى الطاقة الرئيسي الثاني (n = 2) يتكوّن من تحت المستويين 2s و2p، أي أربعة أفلاك: 2s ، 2px ، 2py ، 2pz. وتُشغل هذه الأفلاك فرادى أولًا وتكون الحركة المغزلية في الاتجاه نفسه (2s¹ 2px¹ 2py¹ 2pz¹)، فيكون أقصى عدد من الإلكترونات التي لها الغزل نفسه = 4.

تحقق مما تعلمت — السؤال الأوللديك عنصر افتراضي ₁₂X والمطلوب: 1 - الترتيب الإلكتروني حسب تحت مستويات الطاقة. 2 - الترتيب الإلكتروني حسب الأفلاك. 3 - عدد الإلكترونات المفردة (غير المزدوجة). 4 - عدد الإلكترونات المزدوجة. 5 - يختلف الإلكترونان في آخر تحت مستوى طاقة يملأ بالإلكترونات في قيمة عدد الكم .........(ص 55)

1 - الترتيب حسب تحت مستويات الطاقة: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 2 - الترتيب حسب الأفلاك: 1s² 2s² 2px² 2py² 2pz² 3s² 3 - عدد الإلكترونات المفردة (غير المزدوجة) = صفر (لا يوجد إلكترون مفرد) 4 - عدد الإلكترونات المزدوجة = 12 5 - يختلف الإلكترونان في آخر تحت مستوى طاقة يملأ بالإلكترونات (وهو 3s²) في قيمة عدد الكم المغزلي ms؛ لأنهما في الفلك نفسه فيتفقان في (n ، ℓ ، mℓ).

تحقق مما تعلمت — السؤال الثانياكتب الترتيب الإلكتروني لذرة الفلور (₉F) حسب الأفلاك.(ص 55)

ذرة الفلور تحتوي على (9) إلكترونات: يُملأ 1s² ثم 2s²، فيبقى خمسة إلكترونات لأفلاك تحت مستوى الطاقة 2p الثلاثة؛ تُشغل فرادى أولًا ثم يبدأ الازدواج تباعًا، فيكون الترتيب: 1s² 2s² 2px² 2py² 2pz¹. وعدد الإلكترونات المفردة = 1.

أنت الكيميائي — السؤال الأول (1)اكتب المصطلح العلمي الذي تدل عليه العبارة الآتية: مستويات الطاقة الرئيسية ذوات الطاقة المنخفضة تملأ بالإلكترونات أولًا.(ص 56)

مبدأ أوفباو (البناء التصاعدي) — Aufbau Principle.

أنت الكيميائي — السؤال الأول (2)اكتب المصطلح العلمي الذي تدل عليه العبارة الآتية: لا يحدث تزاوج بين إلكترونين في فلك تحت مستوى طاقة معين يتكون من عدة أفلاك إلا بعد أن تشغل أفلاكه فرادى أولًا، ثم تبدأ الإلكترونات بالازدواج في الأفلاك تباعًا باتجاه غزل معاكس.(ص 56)

قاعدة هوند — Hund's Rule.

أنت الكيميائي — السؤال الثانيضع علامة (✓) أمام العبارة الصحيحة وعلامة (×) أمام العبارة غير الصحيحة فيما يلي: 1 - عدد الإلكترونات المفردة (غير المزدوجة) في ذرة الفوسفور (₁₅P) يساوي 2. ( )(ص 56)

(×) العبارة غير صحيحة. الترتيب الإلكتروني للفوسفور: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³، وحسب الأفلاك: 1s² 2s² 2px² 2py² 2pz² 3s² 3px¹ 3py¹ 3pz¹؛ فأفلاك 3p الثلاثة تُشغل فرادى تطبيقًا لقاعدة هوند، فيكون عدد الإلكترونات المفردة = 3 وليس 2.

أنت الكيميائي — السؤال الثالثقام أحد المتعلمين بكتابة الترتيب الإلكتروني لعنصر التيتانيوم ₂₂Ti على النحو التالي: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁴ . مستعينًا بقواعد الترتيب الإلكتروني، اكتشف الخطأ العلمي في هذا الترتيب، ثم حدّد القاعدة التي خالفها المتعلّم، واكتب الترتيب الإلكتروني الصحيح.(ص 56)

الخطأ العلمي: ملأ المتعلّم تحت مستوى الطاقة 3d بالإلكترونات قبل تحت مستوى الطاقة 4s. القاعدة التي خالفها: قاعدة مادلنج؛ لأن مجموع قيمة (n+ℓ) لتحت المستوى 4s = 4 + 0 = 4 وهو أقل من مجموع قيمة (n+ℓ) لتحت المستوى 3d = 3 + 2 = 5، فيملأ 4s بالإلكترونات أولًا. الترتيب الإلكتروني الصحيح: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d²