استثناءات قاعدة اوفباو

الترتيب الإلكتروني للعناصر هو الطريقة التي يتم بها توزيع الإلكترونات داخل مسارات الطاقة المختلفة في الذرة ، وهناك ثلاثة قواعد تستخدم لتوزيع الناصر منها قاعدة هوند وقاعدة الاستبعاد لباولي وقاعدة أوف باو والتي تعرف أيضًا بمبدأ البناء التصاعدي ، وهي تعد أهم قاعدة للتوزيع الإليكتروني .

تاريخ مبدأ البناء التصاعدي (قاعدة أوف باو )

هذا المبدأ تمت صياغته بواسطة العالم الألماني نيلز بور في حوالي عام 1920م ، وهو يعتبر تطبيق لقوانين ميكانيكا الكم على خصائص الإليكترونات تبعًا للمجال الكهربائي الذي ينتج عن الشحنات الموجبة في نواة الذرة والشحنات السالبة في الإليكترونات الأخرى المرتبطة بالنواة .

نبذة عن العالم نيلز بور

العالم نيلز هنريك ديفيد بور هو فيزيائي دنماركي ، له مساهمات رئيسية في فهم تركيب الذرة ، وقد حصل بفضل أعماله على جائزة نوبل للفيزياء عام 1922م ، وقد اشتهر بتطوير نموذج بور للذرة ، والذي شرح فيه أن الإليكترونات تدور في مدارات للطاقة منفصلة ومستقرة حول النواة ، ولكنها تستطيع أن تنتقل من مستوى للطاقة إلى أخر .

وعلى الرغم من ظهور نماذج أخرى للذرة غير نموذج بور ، إلا أن نموذج بور مازال صالح للاستخدام ، وقد أسس العالم بور معهد الفيزياء النظرية بجامعة كوبنهاجن ، وهو الآن يعرف باسم معهد نيلز بور ، كما تعاون بور مع مجموعة من أشهر علماء الفيزياء منهم هانز كرامرز وأوسكار كلاين وجورج دي هفيسي ، كما توقع بور وجود عنصر جديد بجانب العناصر التي كانت معروفه في وقته وأطلق على هذا العنصر اسم الهافنيوم .

وبالرغم من شهرة بور إلا أنه كان على وشك الاعتقال بواسطة النازيين الألمان ، إلا أنه استطاع الفرار إلى السويد ، من هناك هاجر إلى بريطانيا ، حيث شارك في المشروعالنووي البريطاني المسمى British Tube Alloys ، كما أنه أصبح أول رئيس لمعهد الفيزياء النظرية لدول الشمال عام 1957 .

ما هو مبدأ البناء التصاعدي (قاعدة أوف باو )

هي طريقة يتم فيها ملء مستويات الطاقة الفرعية الأقل طاقة بالإليكترونات أولًا ثم يتم ملء المستويات الأعلى طاقة ، فيملأ المستوى الفرعي s أولًا ، ثم المستوى الفرعي p ، يليه المستوى d ثم المستوى الفرعي F ، إن المستويات الفرعية هنا تحل محل المستويات الرئيسية (الوهمية) حول نواة الذرة ، بترتيب من الأقل طاقة إلى الأعلى طاقة كما يلي :

1S

 2S 2P

3S 3P

4S 3d 4P

5S 4d 5P

6S 4F 5d 6P

7S 5F 6d 7p

من الملاحظ بالرغم من المستوى 3d يقع في المستوى الثالث إلا أنه يملأ بعد المستوى 4s وذلك لأنه أعلى منه في الطاقة تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي ، وكذلك المستوى 4f , 5f .

يتشبع كل مستوى من المستويات الفرعية بعدد محدد من الإليكترونات لا يمكن تجاوزها ، فيمتليء المستوى s بعدد 2 إليكترون ، لأنه يحتوي على أوربيتال 1 ، ويمتليء المستوى p بستة إليكترونات لأنه يحتوي على 3 أوربيتالات ، ويمتلء المستوى الفرعي d بعشر إليكترونات ، أنه يتكون من 5 أوربيتالات ، ويمتليء المستوى الفرعي f بعدد 14 إليكترون ، لأنه يحتوي على 7 أوربيتالات  .

مثال للتوزيع الإليكتروني تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي :

توزيع الصوديوم

Na→ 1s² 2s²2p⁶3s¹  ₁₁

الحالات الأكثر استقرارًا للذرة عندما يكون المستوى الفرعي في حالة امتلاء تام أو في حالة  نصف امتلاء .

على سبيل المثال إذا انتهى التوزيع الإليكتروني للعنصر ، في المستوى الفرعي d فإن الحالات الأكثر استقرار عندما يكون المستوى تام الامتلاء d¹⁰ أو في حالة نصف امتلاء d⁵ .

شواذ قاعدة أوف باو

يتم توزيع الإليكترونات في مستويات الطاقة تبعًا لقاعدة أوف باو كما ذكرنا سابقًا ، ولكن في بعض الحالات تختلف طريقة التوزيع عن القاعدة السابقة ، وذلك لأن الذرة تسعى للوصول لحالة الاستقرار ، فينتقل إليكترون من مستوى إلى مستوى أخر ليجعله يصل لحالة الامتلاء ، وهذا الإليكترون يسمى الإليكترون الحائر .

ومن شواذ هذه القاعدة عنصر الكروم وكل العناصر الموجودة في مجموعته ، وعنصر النحاس وكل العناصر الموجودة في مجموعته .

أولًا الكروم Cr₂₄

تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي يكون توزيعه الإليكتروني

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S²3d⁴

ولكن هذا التوزيع غير صحيح بالرغم من أنه يتبع مبدأ البناء التصاعدي ، أما التوزيع الصحيح فيكون بانتقال إليكترون من المستوى 4s إلى المستوى 3d ليصبح 3d⁵ ويصل لحالة نصف الامتلاء ،ويكون أكثر استقرارًا ، وبذلك يكون التوزيع الصحيح هو

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S¹3d⁵

ثانيًا عنصر النحاس  Cu₂₉

تبعًا لمبدأ البناء التصاعدي يكون التوزيع الإليكتروني

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S²3d⁹

ولكن هذا التوزيع أيضًا غير صحيح ، ويشذ التوزيع الإليكتروني للنحاس ، بانتقال إليكترون من المستوى 4S إلى المستوى الفرعي 3d حتى يصل المستوى الفرعي 3d لحالة الامتلاء التام التي تكون أكثر استقرارًا .

فيكون التوزيع الصحيح لعنصر النحاس هو

1s²2s²2p⁶3s²3P⁶4S¹3d¹⁰