اصل بناگذاری آفبا و آرایش الكترونی عناصر

آرایش الكترونی یك عنصر نحوه ی اشغال شدن اوربیتال ها توسط الكترون های آن عنصر را مشخص می كند. برای بدست آوردن آرایش الكترونی عناصر در حالت پایه الكترون ها را در اوربیتال ها به ترتیب سطح انرژی اوربیتال ها با رعایت ظرفیت آنها ، اصل طرد پاولی و قاعده هوند قرار می دهند. در اینصورت در واقع از اصل بناگذاری آفبا استفاده کرده ایم. اصل بناگذاری آفبا که به کلمه آلمانی AufBauprinzip ( به معنایBuilding-up Principle یا اصل بناگذاری) مربوط می شود، توسط نیلز بور و ولفگانگ پاولی در اوایل دهه 1920s ارائه شد و بیان می کند که در ابتدا اوربیتالها با سطح انرژی کمتر پر می شوند و بعد از آن پرشدن اوربیتالها با سطح انرژی بالاتر شروع می شود. این اصل اتمها را با تک تک اضافه کردن الکترونها به گونه ای که پایدارترین حالت ممکن بوجود آید، بنا می نهد. در این راستا، به الكترونی كه باعث تفاوت آرایش الكترونی دو عنصر متوالی می شود الكترون متمایز كننده می گویند. بعنوان مثال برای آرایش الكترونی عناصر با اعداد اتمی یک تا ده داریم:

متداول است كه برای ساده نویسی آرایش الكترونی هر عنصر به صورت تركیب آرایش الكترونی گاز نجیب ماقبل آن عنصر و الكترون های باقی مانده نوشته شود. گازهای نجیب عبارتنداز: هلیم (₂He)، نئون (₁₀Ne)، آرگون (₁₈Ar)، کریپتون (₃₆Kr)، زنون (₅₄Xe) و رادون (₈₆Rn). بعنوان مثال برای آرایش الكترونی عناصر با اعداد اتمی 11 تا 36 داریم:

با دقت در آرایش الكترونی های بالا درمی یابیم آرایش كروم و مس به ترتیب به جای  و مورد انتظار به صورت  و می باشد. برای درک علت این موضوع بایستی مطالب زیر را در نظر بگیریم.

اگر اختلاف سطح انرژی اوربیتال ها زیاد باشد پایدارترین آرایش الكترونی حتماً با پر شدن اوربیتال پایدارتر بدست می آید. اما اگر سطح انرژی اوربیتال ها به هم نزدیك باشد ممكن است اثرات دیگری نیز مهم شوند و هم ترتیب سطح انرژی اوربیتال ها و هم آرایش الكترونی حالت پایه را تحت تأثیر قرار دهند. بنابراین ممكن است پایدارترین آرایش الكترونی لزوماً آرایشی نباشد كه از پرشدن به ترتیب اوربیتال های در شروع پایدارتر بدست می آید. بعنوان مثال دو اوربیتال A و B را در نظر بگیرید که اوربیتال A پایدارتر از اوربیتال B است. الکترون اول قطعا وارد اوربیتال پایدارتر یعنی اوربیتال A خواهد شد. برای الکترون دوم اوربیتال A دارای این مزیت خواهد بود که قبل از ورود الکترون دوم سطح انرژی پایین تری از اوربیتال B خواهد داشت، اما در عوض دارای این عیب هم خواهد بود که قرارگرفتن همزمان دو الکترون در یک اوربیتال و ناحیه مشترک از فضا و دافعه کولنی آنها با هم منجر به افزایش سطح انرژی هر دو الکترون خواهد شد و نیازمند صرف انرژی خواهد بود. به انرژی لازم برای غلبه بر دافعه کولنی بین دو الکترون برای قرارگیری همزمان در یک اوربیتال و جفت شدن یا بطور معادل به افزایش سطح انرژی ناشی از دافعه کولنی بین دو الکترون در یک اوربیتال انرژی جفت شدن می گویند. در صورتیکه اختلاف سطح انرژی دو اوربیتال A و B یا به اصطلاح شکافتگی انرژی بین آنها از انرژی جفت شدن بیشتر باشد، از نظر سطح انرژی بهتر خواهد بود که الکترون دوم بجای قبول اوربیتال ناپایدارتر B، دافعه کولنی با الکترون اول را بپذیرد و وارد اوربیتال A شود. در صورتیکه اختلاف سطح انرژی دو اوربیتال A و B از انرژی جفت شدن کمتر باشد، از نظر سطح انرژی بهتر خواهد بود که الکترون دوم بجای قبول دافعه کولنی با الکترون اول در اوربیتال A،وارد اوربیتال ناپایدارتر B شود. شکل زیر را در نظر بگیرید.

در اتمها معمولا اختلاف سطح انرژی زیرلایه های مختلف زیاد است، از این رو اغلب اوقات عوامل دیگر مثل انرژی جفت شدن مهم یا تاثیرگذار نیستند و تا زمانیکه اوربیتالهای زیرلایه ها با سطح انرژی کمتر بطور کامل پر نشده باشند، پرشدن اوربیتالهای زیرلایه ها با سطح انرژی بالاتر شروع نمی شود. با این وجود سطح انرژی اوربیتال های ns ، (n-2)f و (n-1)d ( در صورت وجود) به هم نزدیك است، به همین علت موقع پرشدن آنها ممكن است اثرات دیگری علاوه بر ترتیب سطح انرژی اوربیتال ها مطلوب ترین آرایش الكترونی برای اتم را تحت تأثیر قرار دهند.

از اثرات دیگر می توان به انرژی تعویضی مربوط به الكترون های با اسپین همسو با هم اشاره كرد. بحث می شود اگر 2 یا چند الكترون با اسپین همسو در اوربیتال های همتراز وجود داشته باشند بین آنها جاذبه های مغناطیسی برقرار می شود و انرژی به نام انرژی تعویضی آزاد می شود. انرژی تعویضی متناسب با تعداد جفت الكترون هایی ست كه می تواند از بین آن الكترون های با اسپین همسو انتخاب شود. از این رو مقدار انرژی تعویضی و پایداری حاصله با افزایش تعداد الكترونها با اسپین همسو در اوربیتال های همتراز به سرعت افزایش می یابد. بیشترین انرژی تعویضی و پایداری ناشی از همسو بودن اسپین الكترون ها به طور كلی در آرایش نیمه پر یا پر برای یك زیر لایه مشاهده می شود كه به پایداری نیمه پر و پر معروف است. بعنوان مثال آرایش های f⁷,d¹⁰,d⁵,p⁶,p³ و f¹⁴ پایداری نیمه پر یا پر دارند.

مثلاً به همین علت پایدار بودن آرایش نیمه پر و پر در تركیب با نزدیك بودن ترازهای انرژی 3d و 4s است كه آرایش كروم و مس به ترتیب به جای  و  به صورت  و می باشد.

به طور كلی بایستی در نظر داشت كه پایدارترین آرایش الكترونی متناظر با پایدارترین آرایش با درنظر گرفتن كلیه ی ذرات است و گاهی اوقات ممكن است پایدارترین موقعیت برای یك الكترون یا الكترون متمایز كننده متناظر با پایدارترین آرایش برای كل اتم نباشد. تحت این شرایط ممكن است الكترون به ظاهر آرایش ناپایدار قبول كند.

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||