آرایش الکترونی اتم‌ها

مدل کوانتومی اتم

نظریه‌ی الکترونی ساختار اتم یا مدل ابر الکترونی جدیدترین مدل اتمی است که توسط اروین شرودینگر ارائه گریده است. شرودینگر، الکترون را در یک مدار معین محدود نداشت و از حضور الکترون در یک فضای سه بعدی خبر داد.

لایه‌های الکترونی: الکترون‌ها در یک اتم، در اطراف هسته، در لایه‌های الکترونی قرار گرفته‌اند. هرچه لایه از هسته دورتر باشد، الکترون‌های بیشتری می‌تواند در آن قرار گیرد؛ و الکترون‌ها انرژی بیشتری در آن خواهند داشت.

اولین لایه (نزدیک‌ ترین به هسته) ۲ الکترون می‌تواند نگه دارد. دومین لایه، می‌تواند ۸ الکترون در خود جای دهد. و لایه سوم، ۱۸ الکترون در خود جای می‌دهد.

زیرلایه‌های الکترونی: در میان لایه‌ها، الکترون‌ها در زیرلایه‌ها گروه بندی شده‌اند. چهار زیر لایه متفاوت s، p، d و f، به ترتیب افزایش انرژی، وجود دارد. اولین لایه فقط دارای زیرلایه s است. لایه دوم، دارای زیرلایه های s و p است. سومین زیرلایه، دارای زیرلایه‌های s، p و f و چهارمین لایه، دارای زیرلایه های s، p، d و f است.

شرودینگر برای هر زیرلایه دو مشخصه در نظر گرفت و آنها را عدد کوانتومی نامید؛ که وضعیت الکترون در اطراف هسته را مشخص می‌کنند.

• عدد کوانتومی اصلی (n): تراز اصلی انرژی را مشخص می‌کند. در این مدل به جای تراز انرژی، از واژه ی لایه الکترونی استفاده می‌شود.
• عدد کوانتومی فرعی (l): شکل و نوع زیرلایه را مشخص می‌کند.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

عدد کوانتومی اصلی

این عدد مشخص می‌کند که الکترون در کدام سطح انرژی قرار گرفته است؛ در واقع فاصله‌ی الکترون از هسته را مشخص می‌کند. هر چه n بزرگتر باشد، فاصله سطح انرژی از هسته دورتر است و در نتیجه، انرژی الکترون بیشتر است.

عدد کوانتومی فرعی

هر تراز اصلی به تعداد شماره‌ای که دارد (n) از زیرلایه تشکیل شده است. عدد کوانتومی را با l نشان می‌دهند و می‌توانند اعداد زیر را دارا باشد:

l: 0, 1, 2, 3, …., (n-1)

این مقادیر عددی را معمولا با حروف s (l=0)، p (l=1)، d (l=2) و f (l=3) نشان می‌دهند. زیرلایه‌های موجود در هر لایه در شکل زیر نشان داده شده است.

جدول زیر  زیرلایه‌ها و اعداد کوانتومی فرعی مربوط به آنها.

آرایش الکترونی اتم

در اتم‌های چند الکترونی، به دلیل برهم کنش میان الکترون‌ها، زیرلایه‌های درون هر لایه اصلی انرژی متفاوتی پیدا می‌کنند. بنابراین، علاوه بر عدد کوانتومی اصلی n، عدد کوانتومی l نیز در انرژی موثرند. در هر لایه مشخص، انرژی زیرلایه‌ها با افزایش عدد کوانتومی فرعی l افزایش می‌یابد.

اصل افبا نحوه پر شدن اتم‌ها از الکترون را مشخص می‌کند. هنگام پر شدن اتم از الکترون، الکترون در زیرلایه‌ای از زیر لایه‌های موجود جای می‌گیرد که پایین‌ترین سطح انرژی را دارا باشد؛ یعنی زیر لایه‌های نزدیک‌تر به هسته. بنابراین، نخست زیر لایه ۱s، سپس زیرلایه‌های ۲s و ۲p از اتم پر می‌شوند.بر این اساس، آرایش الکترونی برخی اتم‌ها در زیر نشان داده شده است:

_۴Be: 1s^۲   ۲s^۲

_۵B: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۱

_۶C: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۲

_۷N: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۳

_۸O: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۴

_۱۱Na: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۶  ۳s^۱

_۱۵P: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۶   ۳s^۲  ۳p^۳

_۲۰Ca: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۶   ۳s^۲  ۳p^۶   ۴s^۲

_۲۲Ti: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۶   ۳s^۲  ۳p^۶  ۳d^۲     ۴s^۲ 

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو

می‌توان آرایش الکترونی اتم‌ها را به شیوه‌ی خلاصه‌تری با استفاده از آرایش گاز نجیب موجود در دوره ماقبل اتم مورد نظر نوشت. به این شیوه نمایش آرایش الکترونی فشرده گفته می‌شود.

مثال ۱

آرایش الکترونی اتم‌های _۱۶S و _۲۸Ni را، به هر دو صورت گسترده و فشرده، بنویسید.

پاسخ:

_۱۶S: 1s^۲   ۲s^۲  ۲p^۶   ۳s^۲  ۳p^۴    =[Ne] 3s^۲  ۳p^۴

_۲۸Ni: 1s^۲  ۲s^۲  ۲p^۶  ۳s^۲  ۳p^۶  ۳d^۸   ۴s^۲  = [Ar] 3d^۸  ۴s^۲

اصل آفبا و جدول تناوبی عنصرها

اگر از اتم هیدروژن شروع کنیم و سپس یک به یک برتعداد پروتون‌های درون هسته و الکترون‌های پیرامون آن بیفزاییم، به این ترتیب، اتم عنصرهای سنگین‌تر از هیدروژن را به ترتیب افزایش عدد اتمی ساخته ایم. این شیوه دست یافتن از یک اتم به اتم دیگر را اصل بناگذاری یا آفبا می‌نامند. با این کار، اطلاعات بیشتری راجع به آرایش الکترونی عنصرها به دست می‌آوریم. دانستن آرایش‌های الکترونی به ما کمک می‌کند تا بتوانیم ویژگی‌های عنصرها را درک و پیش بینی کنیم.

عنصرهایی که زیرلایه s آنها در حال پر شدن است؛ عنصرهای اصلی دسته s و عنصرهایی که زیرلایه p آنها در حال پرشدن است؛ عنصرهای اصلی دسته p می‌نامند. به عنصرهایی که زیرلایه d آنها در حال پر شدن است؛ عنصرهای واسطه یا فلزهای واسطه می‌گویند.

مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو