المجالات الإلكترونية ومستويات الطاقة

المدارات الذرية

يطلق اسم “المدارات” على الأماكن التي تشغلها الإلكترونات في نموذج بور الذري، حيث أنه وجد لاحقا أن الذرات والمدارات لها أشكال ثلاثية الأبعاد.

النموذج الذري الحديث

• للذرة ثلاثة أبعاد موجودة في الفراغ وليست مسطحة كما افترضها العالم بور.

• في النموذج الذري الحديث تم استخدام فكرة مستويات الطاقة بدلا من استخدام المدارات.

• كل مستوى من مستويات الطاقة الرئيسية يقسم إلى مستويات فرعية، ويطلق على هذه المستويات بمجالات الطاقة.

• يمكن أن يتم تحديد أماكن الإلكترونات، كما ويتم تحديد خصائص الإلكترونات داخل الذرة من خلال أربعة أعداد يطلق عليها أعداد الكم.

أعداد الكم في الكيمياء

تعرف أعداد الكم (Quantum Numbers) في الكيمياء أنها عبارة عن أربعة أعداد، من خلالها يمكننا تحديد مواقع الإلكترونات في الذرة، كما ويمكننا أيضا العمل على تحديد الخصائص المختلفة لهذه الإلكترونات، ومن هذه الخصائص الطاقة والشكل والاتجاه بالنسبة لمحاور الذرة.

• أن نموذج بور يعمل على وصف مستويات طاقة الإلكترونات وذلك عن طريق رقم كمي يسمى العدد الكمي الرئيسي n.

• هناك عددان كميان آخران نحتاجهما أيضا حتى نقوم بتحديد المدار الذي يشغله الإلكترون بشكل كامل، وهما عبارة عن عدد الفلك الفرعي (l) والعدد الكمي المغناطيسي (ml).

• يتبقى لدينا عدد الكم المغزلي (ms)، والذي لا يمكن أن يمتلك إلكترونين في نفس الفلك نفس الرقم من عدد الكم المغزلي.

• ينص مبدأ استبعاد باولي: أنه “يجب أن يكون هناك لكل إلكترون مجموعة فريدة من الأعداد الكمية”، حيث أنه لو كان هناك تشابه في الأعداد الكمية الثلاثة الأولى للإلكترون، فإنه وبالتأكيد سيختلف في العدد المغزلي.

عدد الكم الرئيس (Principal Quantum Number n)

• عدد الكم الرئيسي يرمز له بالرمز n، يعمل على تحديد طاقة المدار، كما ويعمل على تحديد حجم المدار، يأخذ الأرقام من العدد واحد 1 إلى اللانهاية ∞.

• يكون عبارة عن الفلك أو المستوى الرئيسي (SHELL).

• تظهر قيم n المسموح بها عندما يتم حل الجزء الشعاعي من الدالة الموجية.

• عندما تكون عدد الكم الرئيس يساوي n = 1، فإنه يطلق عليه الحالة الأرضية أو (ground state).

• عندما يكون عدد الكم الرئيس يساوي n = 2، فإنه يطلق عليه الحالة المثارة الأولى أو (first excited state).

• عندما يكون عدد الكم الرئيس يساوي n = 3، فإنه يطلق عليه الحالة المثارة الأولى أو (second excited state).

• وهكذا بالنسبة لإي عدد كمي رئيسي آخر.

عدد الكم الفرعي (Orbital Quantum Number l)

• يرمز لعدد الكم المداري الفرعي برمز l، كما أنه قد يطلق عليه الزخم الزاوي السمتي أو قد يطلق عليه بالزخم الزاوي المداري.

• من خلاله نستطيع الاستدلال على نوع الفلك وعلى شكله أيضا.

• يأخذ عدد الكم الفرعي أو الجانبي القيم من صفر 0 إلى (n-1)، حيث أن n عو عبارة عدد الكم الرئيسي.

• عندما تكون قيمة  n تساوي 1، فإن قيمة l تساوي العدد 0 وذلك يعني أن الفلك الفرعي يكون الفلك s.

• عندما تكون قيمة  n تساوي 2، فإن قيمة l تساوي الأعداد التالية: (0 و 1) وذلك يعني أن الفلك الفرعي يكون الفلك s بالإضافة إلى الفلك p.

• عندما تكون قيمة  n تساوي 3، فإن قيمة l تساوي الأعداد التالية: (0 و 1 و 2)  وذلك يعني أن الفلك الفرعي يكون الفلك s بالإضافة إلى الفلك p وأيضا الفلك d.

• عندما تكون قيمة  n تساوي 4، فإن قيمة l تساوي الأعداد التالية: (0 و 1 و 2 و 3) وذلك يعني أن الفلك الفرعي يكون الفلك s بالإضافة إلى الفلك p وأيضا الفلك d بالإضافة إلى الفلك f.

• وبهذه الطريقة نتبع لبقية الأعداد الفرعية.

• تظهر القيم المسموح بها لـ l عندما يتم حل الجزء الزاوي من الدالة الموجية.

• يمكنك ملاحظة أن لكل رقم من أرقام العدد الكمي الفرعي حرف أو رمز معين، وذلك يكون دلالة على اسم هذا الفلك:

العدد 0، يأخذ الرمز s.

العدد 1، يأخذ الرمز p.

العدد 2، يأخذ الرمز d.

العدد 3، يأخذ الرمز f.

عدد الكم المغناطيسي (Magnetic Quantum Number ml)

• نستطيع من خلال عدد الكم المغناطيسي أن نستدل على الاتجاه الفراغي للفلك في الفضاء.

• تظهر القيم المسموح بها لـ ml عندما يتم حل الجزء الزاوي من الدالة الموجية.

• يأخذ عدد الكم المغناطيسي القيم من +l إلى القيم -l.

• عدد الأفلاك في المستوى الفرعي يساوي قيمة (2l + 1).

• مثلا فإنه عندما تكون قيمة l تساوي 0، فإن قيم ml تتراوح بين (2l + 1)، ويعني ذلك أن هناك احتمالية لرقم واحد فقط، وهذا الرقم هو 0.

• عندما تكون قيمة l تساوي 1، فإن قيم ml تتراوح بين (2l + 1)، ويعني ذلك أنه هناك احتمالية ثلاثة أعداد وهي (-1، 0، 1).

• عندما تكون قيمة l تساوي 2، فإن قيم ml تتراوح بين (2l + 1)، ويعني ذلك أنه هناك احتمالية خمسة أعداد وهي (-2، -1، 0، 1، 2).

• وهكذا تباعا لما تبقى.

عدد الكم المغزلي (Spin Quantum Number ms)

• يدل عدد الكم المغزلي على اتجاه حركة الإلكترون بالفلك.

• يأخذ العدد المغزلي فقط قيمتين (½- أو ½+).

• حيث أن العدد ½+ تكون حركة الإلكترون فيه مع عقارب الساعة (clock wise)، بينما العدد ½- تكون حركة الإلكترون فيه عكس عقارب الساعة (counter clock wise).

• يجب أن يكون الإلكترونان اللذان في نفس المدار يدوران بشكل معاكس.

المجالات الإلكترونية وطاقتها

• أظهرت الدراسات أن الإلكترونات ضمن مستوى الطاقة الواحد، لا تحتوي على نفس مقدار الطاقة وإنما تتوزع في مجالات إلكترونية مختلفة في كل من الشكل والطاقة، نستثني من ذلك مستوى الطاقة الأول فقط.

• يشار إلى المجالات الإلكترونية بالرموز التالية: (s ،p ،d ،f).

• كلما ازداد رقم المستوى الرئيسي n، فإن طاقة المدار تزداد.

• كما وأنه ضمن مستوى طاقة معين فإن ترتيب ازدياد الطاقة في المجالات الإلكترونية يكون تصاعديا ضمن الترتيب التالي: f ← d ← p ← s.

• للمجالات الإلكترونية مجالات فرعية تحدد من خلال حركة الإلكترون في الفراغ، فمثلا عندما يكون:

1. المستوى رقم واحد 1، المجالات الإلكترونية الموجودة عبارة عن المجال s.
2. المستوى رقم اثنين 2، المجالات الإلكترونية الموجودة عبارة عن المجال s والمجال p.
3. المستوى رقم ثلاثة 3، المجالات الإلكترونية الموجودة عبارة عن المجال s والمجال p والمجال d.
4. المستوى رقم أربعة 4، المجالات الإلكترونية الموجودة عبارة عن المجال s والمجال p والمجال d والمجال f.

وهكذا تباعا لما تبقى، كما وأنه يمكننا كتابة رمز المجال الإلكتروني ويسبقه عدد يدل على رقم مستوى الطاقة الذي يوجد به، فمثلا المجال 3p ذلك يعني أننا بمستوى الطاقة الثالث في المجال p، ونتبع نفس الطريقة لبقية المجالات الإلكترونية.