الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12

23الطبقات الإلكترونية والجدول الدوري

يتوهج النيون بلون أحمر برتقالي في اللافتات؛ والصوديوم، الفلز اللين، يشتعل في الماء؛ والكلور غاز أصفر مخضرّ خانق. ومع ذلك لا تختلف ذراتها إلا ببروتون أو اثنين: للنيون 10، وللصوديوم 11، وللكلور 17. فلماذا يختلف الجاران في الجدول الدوري في سلوكهما إلى هذا الحد، بينما يتشابه الصوديوم والبوتاسيوم، المتباعدان في العدد الذري، إلى هذا الحد؟ يكمن الجواب في طريقة ترتيب إلكترونات الذرة.

ما تعرفه من قبل

في نواة الذرة $Z$ بروتونًا، وحولها، إذا كانت متعادلة، $Z$ إلكترونًا (الفصل 16). ويرتّب الجدول الدوري العناصر بحسب $Z$ في دورات (صفوف) وزمر (أعمدة)؛ وعناصر الزمرة الواحدة تتشابه في سلوكها (الفصل 20). وتكتسب الذرات إلكترونات أو تفقدها فتصير أيونات (الفصل 17).

23.1 التوزيع الإلكتروني

تعريف 23.1 (الطبقات والطبقات الفرعية والتوزيع الإلكتروني)

تترتب إلكترونات الذرة في طبقات، مرقّمة $n = 1, 2, 3, \ldots$ من النواة نحو الخارج؛ وكلما كبر $n$ ابتعدت الإلكترونات عن النواة وضعف ارتباطها بها. وتنقسم كل طبقة إلى طبقات فرعية يُرمز إلى كل منها بحرف: للطبقة 1 طبقة فرعية s، أي 1s، وللطبقة 2 طبقتان فرعيتان s وp، أي 2s و2p، وللطبقة 3 الطبقتان 3s و3p (و3d، التي سنلقاها لاحقًا). والطبقة الفرعية s تتسع لإلكترونين على الأكثر، والطبقة الفرعية p لستة. والتوزيع الإلكتروني لذرة يذكر طبقاتها الفرعية المشغولة مع أعداد إلكتروناتها أُسسًا: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ للأكسجين.

طريقة 23.2 (كتابة التوزيع الإلكتروني، حتى $Z = 20$ )

عُدّ الإلكترونات: $Z$ للذرة المتعادلة.
املأ الطبقات الفرعية بهذا الترتيب، كل واحدة حتى حدها الأقصى قبل البدء في التالية:

$1\mathrm{s} \to 2\mathrm{s} \to 2\mathrm{p} \to 3\mathrm{s} \to 3\mathrm{p} \to 4\mathrm{s}.$
تحقق من أن مجموع الأسس يساوي عدد الإلكترونات.

الصوديوم، $Z = 11$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^1$ . الكلور، $Z = 17$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ . الكالسيوم، $Z = 20$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6\,4\mathrm{s}^2$ .

ترتيب الملء حتى Z = 20. كل مربع صغير مكان لإلكترون واحد: للطبقة الفرعية s مكانان، وللطبقة الفرعية p ستة. — ترتيب الملء حتى $Z = 20$ . كل مربع صغير مكان لإلكترون واحد: للطبقة الفرعية s مكانان، وللطبقة الفرعية p ستة.

23.2 إلكترونات التكافؤ

تعريف 23.3 (إلكترونات التكافؤ والإلكترونات الداخلية)

إلكترونات الطبقة الخارجية المشغولة (الطبقة ذات أكبر $n$ ) هي إلكترونات التكافؤ؛ والأخرى هي الإلكترونات الداخلية. ولا يشارك في التفاعلات الكيميائية إلا إلكترونات التكافؤ.

مثال 23.4 (عدّ إلكترونات التكافؤ)

الأكسجين، $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ : الطبقة الخارجية $n = 2$ ، فله $2 + 4 = 6$ إلكترونات تكافؤ. الصوديوم، $\ldots 3\mathrm{s}^1$ : إلكترون تكافؤ واحد. الكلور، $\ldots 3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^5$ : 7. النيون، $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ : 8، أي طبقة ممتلئة.

23.3 إعادة بناء الجدول من التوزيعات الإلكترونية

قضية 23.5 (الدورة والزمرة من التوزيع الإلكتروني)

للعناصر حتى $Z = 20$ :

دورة العنصر هي رقم طبقته الخارجية $n$ ؛
لعناصر الزمرة الواحدة العدد نفسه من إلكترونات التكافؤ — واحد في الزمرة 1، واثنان في الزمرة 2، ومن ثلاثة إلى ثمانية في الزمر من 13 إلى 18 (والهيليوم، بإلكترونيه، استثناء).

ويكوّن العمودان الأيسران، حيث تدخل الإلكترونات الأخيرة طبقة فرعية s، الفئة s؛ وتكوّن الزمر من 13 إلى 18 الفئة p.

العناصر العشرون الأولى، مع عدد الإلكترونات في كل طبقة تحت الرمز (2.8.1 للصوديوم: 2 في الطبقة 1، و8 في الطبقة 2، و1 في الطبقة 3). وتميّز الألوان الفئتين s وp. — العناصر العشرون الأولى، مع عدد الإلكترونات في كل طبقة تحت الرمز ( $2.8.1$ للصوديوم: 2 في الطبقة 1، و8 في الطبقة 2، و1 في الطبقة 3). وتميّز الألوان الفئتين s وp.

23.4 العائلات

تعريف 23.6 (العائلات الكيميائية)

العائلة الكيميائية زمرة من الجدول الدوري تشترك عناصرها في خصائصها الكيميائية الرئيسية. وثلاث عائلات لها أسماء: الفلزات القلوية (الزمرة 1 ما عدا الهيدروجين: الليثيوم، والصوديوم، والبوتاسيوم…)، وهي فلزات لينة تتفاعل بشدة مع الماء؛ والهالوجينات (الزمرة 17: الفلور، والكلور، والبروم، واليود)، وهي لافلزات ملونة نشيطة؛ والغازات النبيلة (الزمرة 18: الهيليوم، والنيون، والأرغون…)، وهي لا تكاد تتفاعل مع أي شيء.

قضية 23.7 (لماذا تتشابه العائلة في سلوكها)

لعناصر العائلة الواحدة العدد نفسه من إلكترونات التكافؤ، والكيمياء شأن إلكترونات التكافؤ: فلليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم كلها إلكترون واحد، وللهالوجينات سبعة، وللغازات النبيلة طبقة خارجية ممتلئة.

عائلات الجدول الدوري: الفلزات القلوية، والفلزات القلوية الترابية (الزمرة 2)، والهالوجينات، والغازات النبيلة.

الصوديوم، فلز قلوي، مقطوعًا بسكين: لين وفضي حين يُقطع حديثًا، ويبهت فورًا في الهواء. تصوير: Dnn87، CC BY-SA 3.0.

في المختبر — الصوديوم في الماء

خلف حاجز واقٍ يُسقط المعلم قطعة من الصوديوم بحجم حبة الأرز في وعاء كبير من الماء. فتطفو، وتنصهر فتصير كرة لامعة، وتجري هنا وهناك فائرة حتى تختفي؛ والغاز المنطلق هو الهيدروجين، والماء الباقي قاعدي.

السلامة

الصوديوم: يطلق مع الماء هيدروجينًا قابلًا للاشتعال (GHS02)، ويسبب حروقًا شديدة (GHS05). الكلور: غاز مؤكسد (GHS03)، سام إذا استُنشق (GHS06)، وهو أيضًا مهيّج وشديد السمية للأحياء المائية. ولا يتناولهما إلا المعلم.

23.5 الأيونات المستقرة وقاعدة الغاز النبيل

تعريف 23.8 (قاعدتا الثنائية والثمانية)

الغازات النبيلة، بطبقتها الخارجية الممتلئة، لا تكاد تتفاعل: فتوزيعها الإلكتروني مستقر على نحو خاص. وحين تكوّن ذرات العناصر الأولى أيونات فإنها تكتسب إلكترونات أو تفقدها لتبلغ التوزيع الإلكتروني لأقرب غاز نبيل: إلكترونين في الطبقة 1، مثل الهيليوم، لأخف الذرات — وهي قاعدة الثنائية — وثمانية إلكترونات في الطبقة الخارجية، مثل النيون أو الأرغون، للذرات الأخرى — وهي قاعدة الثمانية.

مثال 23.9 (أيونات تتنبأ بها القاعدة)

الصوديوم، $2.8.1$ ، يفقد إلكترون تكافئه الوحيد: $\ce{Na+}$ ، $2.8$ ، مثل النيون. والمغنيسيوم، $2.8.2$ ، يفقد اثنين: $\ce{Mg^{2+}}$ . والألومنيوم، $2.8.3$ ، يفقد ثلاثة: $\ce{Al^{3+}}$ . والكلور، $2.8.7$ ، يكتسب واحدًا: $\ce{Cl-}$ ، $2.8.8$ ، مثل الأرغون. والأكسجين، $2.6$ ، يكتسب اثنين: $\ce{O^{2-}}$ . والكبريت، $2.8.6$ : $\ce{S^{2-}}$ . والليثيوم، $2.1$ ، يفقد واحدًا فيبقى له $2$ ، مثل الهيليوم: $\ce{Li+}$ .

لأيون الصوديوم التوزيع الإلكتروني للنيون، أقرب غاز نبيل.

ملاحظة 23.10 (حدود القاعدة)

تصلح القاعدة جيدًا للعناصر العشرين الأولى وأيوناتها البسيطة. لكن عناصر كثيرة، مثل الحديد ( $\ce{Fe^{2+}}$ و $\ce{Fe^{3+}}$ )، لا تتبعها؛ والأسباب، ووصف أدق للإلكترونات، تأتي في كتاب السنة الجامعية الأولى.

23.6 تمارين

تمرين 23.1 ★

اكتب التوزيعات الإلكترونية للكربون ( $Z = 6$ )، والنيتروجين ( $Z = 7$ )، والمغنيسيوم ( $Z = 12$ ).

حل

حل التمرين 23.1.

C: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^2$ . N: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^3$ . Mg: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ .

تمرين 23.2 ★

كم إلكترون تكافؤ للكربون والنيتروجين والمغنيسيوم؟

حل

حل التمرين 23.2.

الكربون 4، والنيتروجين 5، والمغنيسيوم 2.

تمرين 23.3 ★

في أي دورة وأي زمرة يقع العنصر ذو التوزيع الإلكتروني $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3$ ؟

حل

حل التمرين 23.3.

الطبقة الخارجية $n = 3$ : الدورة 3. و $2 + 3 = 5$ إلكترونات تكافؤ: الزمرة 15 (الفوسفور).

تمرين 23.4 ★

سمِّ العائلات الثلاث في هذا الفصل وأعطِ عنصرين من كل منها.

حل

حل التمرين 23.4.

الفلزات القلوية (الليثيوم، والصوديوم، والبوتاسيوم)؛ والهالوجينات (الفلور، والكلور، والبروم، واليود)؛ والغازات النبيلة (الهيليوم، والنيون، والأرغون).

تمرين 23.5 ★

اذكر قاعدة الثمانية.

حل

حل التمرين 23.5.

تميل الذرات إلى اكتساب إلكترونات أو فقدها لتصير في طبقتها الخارجية ثمانية إلكترونات، مثل أقرب غاز نبيل.

تمرين 23.6 ★★

مستعينًا بقاعدة الغاز النبيل، أعطِ الأيون الذي يكوّنه البوتاسيوم ( $Z = 19$ ) والفلور ( $Z = 9$ )، مع توزيعيهما الإلكترونيين.

حل

حل التمرين 23.6.

K، $2.8.8.1$ ، يفقد واحدًا: $\ce{K+}$ ، $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6$ (الأرغون). F، $2.7$ ، يكتسب واحدًا: $\ce{F-}$ ، $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ (النيون).

تمرين 23.7 ★★

في الطبقة الثالثة لعنصر إلكترونان، وطبقته الثالثة هي طبقته الخارجية. أعطِ توزيعه الإلكتروني وعدده الذري واسمه.

حل

حل التمرين 23.7.

$1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2$ : $Z = 12$ ، المغنيسيوم.

تمرين 23.8 ★★

مستعينًا بالأيونات المستقرة، اكتب صيغة المركب الأيوني الذي يكوّنه المغنيسيوم والكلور، ثم الألومنيوم والأكسجين.

حل

حل التمرين 23.8.

$\ce{Mg^{2+}}$ و $\ce{Cl-}$ : $\ce{MgCl2}$ . $\ce{Al^{3+}}$ و $\ce{O^{2-}}$ : $\ce{Al2O3}$ .

تمرين 23.9 ★★

انظر إلى جدول العناصر العشرين الأولى. أي العناصر لها العدد نفسه من إلكترونات التكافؤ الذي للأكسجين؟

حل

حل التمرين 23.9.

الكبريت (6 إلكترونات تكافؤ، $2.8.6$ )، في الزمرة نفسها، 16.

تمرين 23.10 ★★

لماذا لا يكوّن النيون، خلافًا للصوديوم والكلور، أيونات في التفاعلات الكيميائية؟

حل

حل التمرين 23.10.

طبقته الخارجية ممتلئة أصلًا (ثمانية إلكترونات): فلا شيء يكسبه بفقد إلكترونات أو اكتسابها.

تمرين 23.11 ★★

للأيون $\ce{X^{2+}}$ التوزيع الإلكتروني للأرغون. جد $X$ .

حل

حل التمرين 23.11.

للأرغون 18 إلكترونًا؛ و $\ce{X^{2+}}$ فقد 2، فلذرة X عشرون إلكترونًا: إنه الكالسيوم.

تمرين 23.12 ★★★

للهيليوم إلكترونا تكافؤ لكنه يقع في الزمرة 18 لا في الزمرة 2. علّل بتوزيعه الإلكتروني.

حل

حل التمرين 23.12.

الهيليوم، $1\mathrm{s}^2$ ، طبقته الخارجية ممتلئة (فالطبقة 1 لا تتسع إلا لإلكترونين)، مثل الغازات النبيلة الأخرى؛ ولا يسلك سلوك فلزات الزمرة 2.

تمرين 23.13 ★★★

يتفاعل البوتاسيوم مع الماء بعنف أشد من الصوديوم. مستعينًا ببعد إلكترون التكافؤ عن النواة، اقترح سببًا لذلك.

حل

حل التمرين 23.13.

إلكترون تكافئه في الطبقة 4، أبعد عن النواة من إلكترون الصوديوم في الطبقة 3: فهو أضعف ارتباطًا، ويُفقد بسهولة أكبر.

تمرين 23.14 ★★★

أعطِ التوزيعات الإلكترونية للأيونات $\ce{S^{2-}}$ و $\ce{Cl-}$ و $\ce{K+}$ و $\ce{Ca^{2+}}$ . ما الذي تشترك فيه؟

حل

حل التمرين 23.14.

لكل الأيونات الأربعة 18 إلكترونًا والتوزيع الإلكتروني للأرغون:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^6.

تمرين 23.15 ★★★

عنصر من الدورة 3 يكوّن الأيون $\ce{Y^{3-}}$ . جد زمرته وتوزيعه الإلكتروني واسمه.

حل

حل التمرين 23.15.

يكتسب 3 إلكترونات ليبلغ الثمانية: فله 5 إلكترونات تكافؤ، الزمرة 15. وفي الدورة 3 هو الفوسفور:

1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^3.

23.7 مسألة: الياقوت الأحمر والياقوت الأزرق والكوراندوم

مسألة 23.1

مسألة نهاية الأسبوع — الإلكترونات وراء حجر كريم: من توزيعين إلكترونيين إلى عدد الإلكترونات المنقولة في غرام واحد

الياقوت الأحمر والياقوت الأزرق صورتان كريمتان للكوراندوم، وهو مركب أيوني من الألومنيوم والأكسجين؛ وأثر من فلزات أخرى يعطيهما لونيهما. والكوراندوم صلب إلى حد أنه يخدش كل شيء تقريبًا، ومسحوقه يُستعمل لصقل العدسات. خذ كتلة النوكليون $1.67 \times 10^{-27}\,\mathrm{kg}$ ؛ وذرة الألومنيوم 27 فيها 27 نوكليونًا، وذرة الأكسجين 16 فيها 16.

الجزء الأول — الذرات.

أعطِ عدد البروتونات والإلكترونات في ذرة الألومنيوم ( $Z = 13$ ) وفي ذرة الأكسجين ( $Z = 8$ ).
اكتب توزيعيهما الإلكترونيين.
كم إلكترون تكافؤ لكل منهما؟ وفي أي دورة وأي زمرة يقع كل منهما؟
هل الألومنيوم فلز أم لافلز؟ والأكسجين؟

الجزء الثاني — الأيونات.

مستعينًا بقاعدة الثمانية، أي أيون يكوّنه الألومنيوم؟ اكتب توزيعه الإلكتروني.
أي أيون يكوّنه الأكسجين؟ اكتب توزيعه الإلكتروني.
أي غاز نبيل له التوزيع الإلكتروني نفسه الذي للأيونين؟
كم إلكترونًا تفقد ذرة الألومنيوم، وكم إلكترونًا تكتسب ذرة الأكسجين؟

الجزء الثالث — الصيغة.

جد صيغة الكوراندوم، المركب المتعادل المكوّن من هذين الأيونين.
في وحدة صيغة واحدة، كم إلكترونًا تفقد ذرات الألومنيوم؟ وكم تكتسب ذرات الأكسجين؟
لماذا يجب أن يتساوى هذان العددان؟
يحوي الياقوت الأحمر أثرًا من أيونات الكروم $\ce{Cr^{3+}}$ مكان بعض أيونات $\ce{Al^{3+}}$ . لماذا يستطيع أيون $\ce{Cr^{3+}}$ أن يحل محل أيون $\ce{Al^{3+}}$ دون أن يُخل بالشحنات؟

الجزء الرابع — غرام واحد من الكوراندوم.

كم نوكليونًا في وحدة صيغة واحدة من الكوراندوم؟
احسب كتلة وحدة صيغة واحدة (مع إهمال الإلكترونات).
كم وحدة صيغة في $1\,\mathrm{g}$ من الكوراندوم؟
كم أيون $\ce{Al^{3+}}$ وكم أيون $\ce{O^{2-}}$ يمثل ذلك؟
لماذا يجوز إهمال الإلكترونات في السؤال 14؟
كم إلكترونًا انتقل من الألومنيوم إلى الأكسجين لصنع $1\,\mathrm{g}$ من الكوراندوم؟

حل

حل المسألة 23.1.

1. الألومنيوم: 13 بروتونًا، و13 إلكترونًا. الأكسجين: 8 بروتونات، و8 إلكترونات.

2. Al: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6\,3\mathrm{s}^2\,3\mathrm{p}^1$ . O: $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^4$ .

3. Al: 3 إلكترونات تكافؤ، الدورة 3، الزمرة 13. O: 6، الدورة 2، الزمرة 16.

4. الألومنيوم فلز، والأكسجين لافلز.

5. $\ce{Al^{3+}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

6. $\ce{O^{2-}}$ : $1\mathrm{s}^2\,2\mathrm{s}^2\,2\mathrm{p}^6$ .

7. النيون.

8. الألومنيوم يفقد 3، والأكسجين يكتسب 2.

9. $2 \times (+3) + 3 \times (-2) = 0$ : $\ce{Al2O3}$ .

10. المفقودة: $2 \times 3 = 6$ . المكتسبة: $3 \times 2 = 6$ .

11. الإلكترونات لا تُخلق ولا تفنى: فالتي فقدها الألومنيوم هي نفسها التي اكتسبها الأكسجين، والمركب متعادل.

12. يحمل الشحنة نفسها، $+3$ : فتبقى شحنات البلورة متوازنة.

13. $2 \times 27 + 3 \times 16 = 102$ نوكليونًا.

14. $102 \times 1.67 \times 10^{-27} = 1.70 \times 10^{-25}\,\mathrm{kg}$ .

15. $10^{-3} / 1.70 \times 10^{-25} \approx 5.87 \times 10^{21}$ وحدة صيغة.

16. $2 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.17 \times 10^{22}$ أيون $\ce{Al^{3+}}$ ؛ و $3 \times 5.87 \times 10^{21} = 1.76 \times 10^{22}$ أيون $\ce{O^{2-}}$ .

17. الإلكترون أخف من النوكليون بنحو 1836 مرة؛ والإلكترونات الخمسون في وحدة الصيغة تزن أقل من ثلاثة أجزاء من مئة من نوكليون واحد.

18. $6 \times 5.87 \times 10^{21} \approx 3.5 \times 10^{22}$ إلكترون منقول لصنع $1\,\mathrm{g}$ من الكوراندوم.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد