آرایش الكترونی یون ها

آرایش الكترونی یون ها مشابه آرایش الكترونی اتم ها بدست می آید. آرایش الكترونی آنیون ها با اضافه كردن الكترون به پایدارترین اوربیتال خالی و آرایش الكترونی كاتیون ها با كندن الكترون از ناپایدارترین اوربیتال پر بدست می آید. بعنوان مثال داریم:

مثال: آرایش الکترونی یونهای زیر را بنویسید.

الف) ₇N^3-         ب) ₁₆S^2-         ج) ₂₀Ca²⁺         د) ₃₅Br^-         ه) ₅₀Sn²⁺         و) ₈₃Bi³⁺

حل:

الف) 1s²2s²2p⁶

ب) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶   or [₁₀Ne]3s²3p⁶

ج) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶   or [₁₀Ne]3s²3p⁶

د) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶   or [₁₈Ar] 3d¹⁰4s²4p⁶

ه) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²   or [₃₆Kr] 4d¹⁰5s²

و) 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹⁴5s²5p⁶5d¹⁰6s²   or [₅₄Xe] 4f¹⁴5d¹⁰6s²

*****

برای نوشتن آرایش الکترونی اتمها و کاتیونهای فلزات واسطه خارجی باید این مطلب را در نظر گرفت که در هنگام پركردن ابتدا اوربیتال های ns و سپس (n-1)d پر می شوند. اما در هنگام كندن ابتدا الكترون های ns و سپس (n-1)d كنده می شوند. بعنوان مثال داریم:

براساس آرایش الکترونی های یادشده می توان چنین نتیجه گیری نمود که در اتم فلزات واسطه خارجی بطور معمول اوربیتال های ns پایدارتر از اوربیتال های (n-1)d هستند و بهمین جهت الویت پرشدن با اوربیتال های ns است. در حالیکه در کاتیونهای فلزات واسطه خارجی اوربیتال های (n-1)d پایدارتر از اوربیتال های ns هستند و بهمین جهت الویت پرشدن با اوربیتال های (n-1)d است. با در نظر گرفتن یک سری نکات که در ادامه به آنها می پردازیم، می توان این مطلب را توجیه نمود.

سطح انرژی اوربیتال ها با افزایش عدد اتمی كاهش می یابد. مثلاً اوربیتال 1s در اتم لیتیم پایدارتر از اوربیتال 1s در اتم هیدروژن است. این مطلب را می توان بدین صورت توجیه كرد كه برای یک اوربیتال مشخص با افزایش عدد اتمی،معمولا S (اثر پوششی مابقی الکترونها) تغییر چندانی ندارد، درحالی كه Z (عدد اتمی) و در نتیجه بار موثر هسته (Z-S=Z^*) افزایش می یابد.

هرچه n یك اوربیتال كمتر باشد، كاهش سطح انرژی آن با افزایش عدد اتمی سریعتر خواهد بود. مثلا کاهش سطح انرژی اوربیتال 1s بیشتر از کاهش سطح انرژی اوربیتال 2s موقع تغییر اتم از سدیم به پتاسیم است. برای توجیه روابط زیر را در نظر بگیرید:

رابطه اول همان سطح انرژی لایه ها در سیستمهای تک الکترونی بر مبنای مدل اتمی بور است که توسط مدل اوربیتال اتمی نیز مورد تایید و قابل حصول است. رابطه دوم سطح انرژی لایه ها و اوربیتالها در سیستمهای چند الکترونی است که بر اساس تشابه با سیستمهای تک الکترونی و با در نظر گرفتن اثر دافعه الکترونها بر روی هم به صورت تغییر عدد اتمی به بارموثر هسته نوشته شده است (میتوان تعریف بار موثر هسته را بر اساس این رابطه فرض کرد یا معادلا میتوان فرض نمود بار موثر هسته به گونه ای تعریف شده که این رابطه صادق باشد). براساس این روابط میتوان نتیجه گیری نمود که اگر n كمتر باشد با افزایش مشابه در  كاهش سطح انرژی اوربیتال بیشتر خواهد بود. مثال بعدی این مطلب را نشان می دهد.

مثال: اختلاف سطح انرژی اوربیتالها را برای بار موثر هسته برابر یک و دو در دو حالت n=1 و n=2 بدست آورید و با هم مقایسه کنید.

حل:

در ابتدا از روی رابطه  سطح انرژی اوربیتالها در شرایط یادشده را می یابیم:

پس اختلاف سطح انرژی اوربیتالها برای بار موثر هسته یکبار برابر یک و یکبار برابر دو در حالت n=1 برابر خواهد بود با:

در حالیکه اختلاف سطح انرژی اوربیتالها برای بار موثر هسته یکبار برابر یک و یکبار برابر دو در حالت n=2 برابر خواهد بود با:

بنابراین با افزایش بار موثر هسته در هر دو حالت n=1 و n=2 سطح انرژی اوربیتالها کاهش می یابد، اما مقدار کاهش سطح انرژی برای اوربیتالها با n کمتر، بیشتر است.

*****

با افزایش عدد اتمی اختلاف سطح انرژی اوربیتال های با n یكسان به صورت نسبی كاهش می یابد. مثلاً اختلاف سطح انرژی اوربیتال های 2s و 2p به صورت نسبی در اتم سرب (₈₂Pb) كمتر از اتم سدیم (₂₃Na) است. این مطلب را می توان بدین صورت توجیه كرد كه در اتم سرب تفاوت قدرت نفوذ 2s و 2p تفاوت در احساس كردن یا احساس نكردن عمدتاً اثر پوششی دو الكترون داخلی است كه معادل تفاوت در احساس كردن یا احساس نكردن جاذبه حداکثردو پروتون در 82 پروتون كل است. در حالی كه در اتم سدیم بنابه این بحث تفاوت  2s و 2p معادل حداکثر دو پروتون در یازده پروتون كل است كه اهمیت آن بیشتر است و منجر به تفاوت نسبی بیشتر 2s و 2p دراتم سدیم نسبت به اتم سرب می شود. یعنی داریم:

با در نظر گرفتن نکات یاد شده می توانیم تغییر پایداری اوربیتال های ns و (n-1)d مثل 4s و 3d را با تغییر عدد اتمی بررسی کنیم. اوربیتال 4s به علت قدرت نفوذ بیشتر و احساس بار مؤثر هسته بیشتر در ابتدا یا در اعداد اتمی پایین تر پایدارتر از اوربیتال های 3d است. اما با افزایش عدد اتمی كاهش سطح انرژی اوربیتال های 3d به علت n كمتر سریع تر از اوربیتال 4s است و در اعداد اتمی به حد كافی بالا اوربیتال های 3d مشابه اوربیتال های  3s,3pپایدارتر از 4s هستند. هنگام پر شدن اوربیتال ها، اوربیتال 4s پایدارتر از 3d است و بنابراین در هنگام پر شدن اول 4s پر می شود. هنگام خالی شدن یا كندن الكترون اثر كندن الكترون و حذف دافعه های بین الكترون ها معادل اثر افزایش بار مؤثر هسته یا بار هسته است كه در اثر این افزایش، كاهش سطح انرژی اوربیتال های 3d بیشتر از 4s است و سطح انرژی 3d پایین تر از 4s قرار می گیرد. بعبارتی در كاتیون فلزات واسطه خارجی ، 3d پایدارتر از 4s است و آرایش الكترونی كاتیون در مقایسه با اتم خنثی به صورتی ست كه گویا الكترون های 4s از اتم كنده شده اند.

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

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

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

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

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

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