اتجاهات طاقة التأين الأولى في كيمياء HSC
تعرّف كيف تفسّر الشحنة النووية، والمسافة بين الإلكترون والنواة، والحجب الإلكتروني، وبنية المستويات الفرعية اتجاهات طاقة التأين الأولى وأهم استثناءاتها.
يحتوي الصوديوم على 11 بروتونًا، بينما يحتوي النيون على 10 بروتونات فقط. فإذا كان ازدياد عدد البروتونات يعني زيادة قوة جذب الإلكترونات، فمن المفترض أن يمسك الصوديوم بإلكترونه الخارجي بقوة أكبر من النيون.
لكن هذا لا يحدث.
إزالة الإلكترون الخارجي من الصوديوم أسهل بكثير. وهذا التناقض الظاهري هو السبب في أهمية تعلّم اتجاهات طاقة التأين: فالشحنة النووية مهمة، لكن المسافة بين الإلكترون والنواة، والحجب الناتج عن الإلكترونات الأخرى، مهمان أيضًا.
قبل المتابعة، توقّع ما يلي: أي العنصرين يُفترض أن يمتلك طاقة التأين الأولى الأعلى، الصوديوم أم المغنيسيوم؟
يوجد الإلكترونان الخارجيان لكلا العنصرين في الغلاف الثالث. ويحتوي المغنيسيوم على بروتون إضافي واحد. وإذا لم تتغير العوامل الأخرى كثيرًا، فمن المفترض أن يمسك المغنيسيوم بإلكترونه الخارجي بقوة أكبر. وهذا التوقع صحيح.
والآن يمكننا صياغة القاعدة بصورة سليمة.
01ما الذي تقيسه طاقة التأين الأولى؟
تخيّل أنك تحاول انتزاع إلكترون واحد من ذرة. تجذب النواة هذا الإلكترون لأن شحنتها موجبة، بينما شحنة الإلكترون سالبة.
إذا كان التجاذب قويًا، فإن إزالة الإلكترون تتطلب طاقة أكبر. أما إذا كان التجاذب ضعيفًا، فإنها تتطلب طاقة أقل.
طاقة التأين الأولى هي الطاقة اللازمة لإزالة إلكترون واحد من كل ذرة في مول واحد من الذرات الغازية:
\[ \ce{X(g) -> X+(g) + e-} \]
تُقاس عادةً بوحدة \(\text{kJ mol}^{-1}\).
كلمة الأولى مهمة. فنحن نزيل الإلكترون الأول من ذرة متعادلة، وليس إلكترونًا من أيون.
وكلمة الغازية مهمة أيضًا. فبيانات طاقة التأين تصف ذرات غازية معزولة، ولذلك لا تدخل القوى بين الجسيمات المتجاورة في مادة صلبة أو سائلة ضمن هذا القياس.
02العوامل الثلاثة التي تتحكم في طاقة التأين الأولى
في كيمياء شهادة التعليم الثانوي العليا (HSC)، تبدأ معظم المقارنات بين طاقات التأين الأولى بثلاثة أسئلة:
- ما مدى قوة الشحنة النووية؟
- ما بُعد الإلكترون الخارجي عن النواة؟
- ما مقدار الحجب الواقع بين ذلك الإلكترون والنواة؟
تؤثر هذه العوامل جميعها في الوقت نفسه.
1. الشحنة النووية
يسهم كل بروتون بشحنة موجبة في النواة.
فالذرة التي تحتوي على 12 بروتونًا تمتلك نواة ذات شحنة موجبة أكبر من ذرة تحتوي على 11 بروتونًا. وإذا كانت الإلكترونات التي نقارن بينها على مسافات متشابهة وتتعرض لحجب متشابه، فإن الذرة التي تحتوي على بروتونات أكثر تجذب إلكترونها الخارجي بقوة أكبر.
إذًا:
تميل زيادة الشحنة النووية إلى زيادة طاقة التأين الأولى.
والعبارة «تميل إلى» مهمة، لأن الشحنة النووية ليست العامل الوحيد.
2. المسافة عن النواة
يضعف التجاذب الكهروستاتيكي كلما ازدادت المسافة بين جسيمين مشحونين.
يكون الإلكترون الموجود في مستوى الطاقة الرئيسي الرابع عمومًا أبعد عن النواة من إلكترون موجود في مستوى الطاقة الرئيسي الثالث. لذلك يتعرض الإلكترون الأبعد لتجاذب أضعف من النواة، إذا تشابهت العوامل الأخرى.
إذًا:
تميل زيادة المسافة إلى خفض طاقة التأين الأولى.
يمكنك تخيّل الأمر كما لو كنت تحاول الإمساك بكمّ شخص. إذا كان واقفًا بجانبك مباشرة، يمكنك الإمساك به بفاعلية معقولة. أما إذا أصبح طول ذراعك بطريقة ما ثلاثة أمتار، فستصبح الفكرة أقل إقناعًا بكثير.
لكن هذا التشبيه له حدود. فالتجاذب الذري كهروستاتيكي، وليس شخصًا يمسك إلكترونًا بيده مستخدمًا ذراعًا طويلة على نحو غير مألوف.
3. حجب الإلكترونات
لا ينجذب الإلكترون الخارجي إلى نواة عارية من الإلكترونات المحيطة بها؛ إذ توجد إلكترونات أخرى بينه وبين النواة.
تتنافر إلكترونات الأغلفة الداخلية مع الإلكترونات الخارجية، فتقلل من مدى تأثر الإلكترونات الخارجية بالشحنة النووية الموجبة. ويُسمّى هذا التأثير الحجب الإلكتروني.
يعني وجود أغلفة داخلية أكثر عادةً حدوث حجب أكبر.
إذًا:
تميل زيادة الحجب إلى خفض طاقة التأين الأولى.
يُوصَف هذا أحيانًا باستخدام مفهوم الشحنة النووية الفعالة، أي مقدار التجاذب الموجب الصافي الذي يتعرض له الإلكترون بعد أخذ تأثير الحجب في الحسبان. ولا تحتاج إلى افتراض أن الإلكترونات الداخلية تلغي تمامًا شحنات بروتونات معينة. فالحجب تأثير كهروستاتيكي، ونموذج الطرح المباشر هذا سيكون مبسطًا أكثر من اللازم.
03لماذا تزداد طاقة التأين الأولى عمومًا عبر الدورة؟
لنتأمل الصوديوم والمغنيسيوم.
التوزيع الإلكتروني لكل منهما هو:
- \(\ce{Na}\): \(2,8,1\)
- \(\ce{Mg}\): \(2,8,2\)
يفقد كلا العنصرين إلكترونًا من مستوى الطاقة الرئيسي الثالث.
عند الانتقال من الصوديوم إلى المغنيسيوم:
- تزداد الشحنة النووية من \(+11\) إلى \(+12\).
- يبقى الإلكترون الخارجي في الغلاف الثالث.
- يبقى عدد الأغلفة الداخلية الممتلئة كما هو.
لذلك يزيد البروتون الإضافي من التجاذب المؤثر في الإلكترونات الخارجية. كما تنكمش السحابة الإلكترونية قليلًا، فتُمسك الإلكترونات الخارجية بقوة أكبر.
وهذا يؤدي إلى الاتجاه العام الآتي:
تزداد طاقة التأين الأولى عمومًا من اليسار إلى اليمين عبر الدورة.
لا يبقى الحجب متطابقًا حرفيًا عبر الدورة، لأن إلكترونات إضافية تُضاف إلى الذرات. لكن هذه الإلكترونات الإضافية تدخل أساسًا مستوى الطاقة الرئيسي نفسه، ويكون حجبها بعضها لبعض أقل فاعلية من حجب الإلكترونات الداخلية. وعادةً ما يكون ازدياد الشحنة النووية هو التأثير الغالب.
مثال محلول: الصوديوم أم المغنيسيوم؟
توقّع أي العنصرين يمتلك طاقة التأين الأولى الأعلى، الصوديوم أم المغنيسيوم، واشرح منطقك.
الخطوة 1
يفقد كلا العنصرين إلكترونه الأول من مستوى الطاقة الرئيسي الثالث. كما يمتلك كلاهما الغلافين الداخليين نفسيهما المشغولين بالإلكترونات.
الخطوة 2
يحتوي الصوديوم على 11 بروتونًا، بينما يحتوي المغنيسيوم على 12 بروتونًا.
الخطوة 3
يتعرض الإلكترونان الخارجيان لحجب متشابه بفعل إلكترونات الأغلفة الداخلية. وتجذب الشحنة النووية الأكبر للمغنيسيوم سحابته الإلكترونية نحو الداخل بقوة أكبر، ولذلك يكون إلكترونه الخارجي أقرب قليلًا إلى النواة أيضًا.
الخطوة 4
يُفترض أن يمتلك المغنيسيوم طاقة التأين الأولى الأعلى، لأن إلكترونه الخارجي يتعرض لتجاذب أقوى من النواة.
تؤيد القيم المقاسة هذا الاستنتاج:
\[ \begin{aligned} \ce{Na}:&\quad 496\ \text{kJ mol}^{-1}\\ \ce{Mg}:&\quad 738\ \text{kJ mol}^{-1} \end{aligned} \]
يعني هذا الفرق أن إزالة مول واحد من الإلكترونات الخارجية من ذرات المغنيسيوم الغازية تتطلب طاقة أكبر من إزالة مول واحد من ذرات الصوديوم الغازية.
04لماذا تنخفض طاقة التأين الأولى عمومًا نزولًا في المجموعة؟
لنقارن الآن الليثيوم والصوديوم:
- \(\ce{Li}\): \(2,1\)
- \(\ce{Na}\): \(2,8,1\)
يحتوي الصوديوم على عدد أكبر بكثير من البروتونات. فهل يعني ذلك أن طاقة التأين الأولى للصوديوم لا بد أن تكون أعلى؟
لا.
يشغل إلكترونه الخارجي مستوى الطاقة الرئيسي الثالث بدلًا من الثاني. ولذلك يكون أبعد عن النواة، كما يتعرض للحجب بفعل غلاف إضافي مشغول بالإلكترونات.
ويتغلب هذان التأثيران على الزيادة في الشحنة النووية.
إذًا:
تنخفض طاقة التأين الأولى عمومًا نزولًا في المجموعة.
يمكن تلخيص النمط كما يلي:
| التغيّر | الشحنة النووية | المسافة بين الإلكترون الخارجي والنواة | الحجب | التأثير العام في طاقة التأين الأولى |
|---|---|---|---|---|
| عبر الدورة، من اليسار إلى اليمين | تزداد | تنخفض عمومًا انخفاضًا طفيفًا | تتغير بدرجة محدودة فقط | تزداد |
| نزولًا في المجموعة | تزداد | تزداد بدرجة كبيرة | يزداد بدرجة كبيرة | تنخفض |
| الانتقال إلى دورة جديدة | تزداد | يقفز الإلكترون إلى غلاف رئيسي جديد | يزداد | غالبًا ما تنخفض بشدة |
يوضح الصف الأخير اللغز الذي بدأنا به.
التوزيع الإلكتروني للنيون هو \(2,8\)، بينما التوزيع الإلكتروني للصوديوم هو \(2,8,1\).
على الرغم من أن الصوديوم يحتوي على بروتون إضافي واحد، فإن الإلكترون الذي تتم إزالته أصبح الآن في غلاف جديد تمامًا. وهو أبعد عن النواة ومحجوب بفعل الأغلفة الداخلية الممتلئة.
والنتيجة هي انخفاض كبير في طاقة التأين الأولى عند الانتقال من النيون إلى الصوديوم.
05طريقة مفيدة لاتخاذ القرار
عندما تقارن بين طاقتي تأين أوليين، لا تبدأ بالسؤال: «أي العنصرين يقع إلى اليمين أكثر؟» بل ابدأ بالإلكترونات.
اسأل:
1. أي إلكترون تتم إزالته؟
حدّد مستوى الطاقة الرئيسي الذي يشغله، وإذا لزم الأمر، حدّد المستوى الفرعي الذي ينتمي إليه.
2. كيف تتغير الشحنة النووية؟
زيادة عدد البروتونات تزيد التجاذب.
3. كيف تتغير المسافة؟
يكون الإلكترون الموجود في مستوى طاقة رئيسي أعلى أبعد عن النواة عادةً، ولذلك يسهل نزعه.
4. كيف يتغير الحجب؟
توفر الأغلفة الداخلية الإضافية حجبًا إضافيًا كبيرًا.
في معظم المقارنات الدورية المباشرة، تكفي هذه الأسئلة الأربعة.
لكن هناك استثناء.
06للاتجاه البسيط استثناءات
لنفترض أنك تقارن المغنيسيوم والألومنيوم.
يحتوي الألومنيوم على بروتون واحد أكثر من المغنيسيوم، لذا تتوقع القاعدة البسيطة للاتجاه عبر الدورة أن تكون طاقة التأين الأولى للألومنيوم أعلى.
لكن القيم الفعلية هي:
\[ \begin{aligned} \ce{Mg}:&\quad 738\ \text{kJ mol}^{-1}\\ \ce{Al}:&\quad 578\ \text{kJ mol}^{-1} \end{aligned} \]
تأيين الألومنيوم أسهل.
لم يصبح نموذج العوامل الثلاثة عديم الفائدة فجأة، بل إنه غير مكتمل فحسب. ولتفسير هذا الاستثناء الموضعي، نحتاج إلى النظر في المستويات الفرعية.
يمتلك المغنيسيوم التوزيع الإلكتروني الخارجي الآتي:
\[ \ce{Mg}: 3s^2 \]
أما الألومنيوم فيمتلك:
\[ \ce{Al}: 3s^2 3p^1 \]
الإلكترون الذي يُزال من الألومنيوم هو إلكترون \(3p\). ويكون إلكترون \(3p\) أعلى طاقةً، وأقل تعرضًا للتجاذب من النواة في المتوسط، مقارنةً بإلكترون \(3s\) الموجود في مستوى الطاقة الرئيسي نفسه. لذلك يسهل نزعه.
مثال محلول: لماذا يخالف الألومنيوم الاتجاه البسيط؟
تبلغ طاقة التأين الأولى للمغنيسيوم نحو \(738\ \text{kJ mol}^{-1}\)، بينما تبلغ للألومنيوم نحو \(578\ \text{kJ mol}^{-1}\). اشرح لماذا تكون قيمة الألومنيوم أقل، على الرغم من أن شحنته النووية أكبر.
الخطوة 1
تزداد الشحنة النووية عند الانتقال من المغنيسيوم إلى الألومنيوم. ولو كانت الإلكترونات التي تتم إزالتها متكافئة من الجوانب الأخرى، لوجب أن تكون طاقة التأين الأولى للألومنيوم أعلى.
الخطوة 2
يفقد المغنيسيوم إلكترون \(3s\):
\[ \ce{Mg}: 3s^2 \]
ويفقد الألومنيوم إلكترون \(3p\):
\[ \ce{Al}: 3s^2 3p^1 \]
الخطوة 3
يكون إلكترون \(3p\) في الألومنيوم أعلى طاقةً وأقل ارتباطًا بالنواة من إلكترون \(3s\) في المغنيسيوم.
الخطوة 4
إن سهولة إزالة إلكترون \(3p\) من الألومنيوم تفوق تأثير الزيادة في الشحنة النووية.
لذلك يمتلك الألومنيوم طاقة التأين الأولى الأقل.
الفكرة المهمة ليست التخلي عن الاتجاه الدوري، بل إدراك الحالات التي يختلف فيها العنصران المتجاوران في نوع الإلكترون الذي تتم إزالته.
07استثناء آخر: الفوسفور والكبريت
يحدث انخفاض شائع آخر عندما تبدأ الإلكترونات بالازدواج داخل مستوى فرعي \(p\).
التوزيعان الإلكترونيان الخارجيان المعنيان هما:
\[ \ce{P}: 3s^2 3p^3 \]
و
\[ \ce{S}: 3s^2 3p^4 \]
يمكن لإلكترونات \(3p\) الثلاثة في الفوسفور أن تشغل ثلاثة مدارات \(p\) منفصلة قبل حدوث أي ازدواج. أما في الكبريت، فيجب أن يقترن إلكترون \(3p\) الرابع بإلكترون آخر في أحد المدارات.
تتنافر الإلكترونات المقترنة. ويجعل هذا التنافر الإضافي بين الإلكترونات أحد إلكتروني الكبريت المقترنين أسهل قليلًا في الإزالة.
لذلك تكون طاقة التأين الأولى للكبريت أقل قليلًا من طاقة التأين الأولى للفوسفور، على الرغم من أن الشحنة النووية للكبريت أكبر.
وهذا ليس إخفاقًا في التفكير الكهروستاتيكي، بل تطبيق أكثر تفصيلًا له.
08أكثر المفاهيم الخاطئة إغراءً: «زيادة عدد البروتونات تعني ارتفاع طاقة التأين»
يبدو هذا التوقع منطقيًا لأن البروتونات تجذب الإلكترونات.
لكنه يتجاهل موقع الإلكترون.
قارن النيون بالصوديوم:
\[ \ce{Ne}: 2,8 \]
\[ \ce{Na}: 2,8,1 \]
يمتلك الصوديوم شحنة نووية أكبر، لكن الإلكترون الأول الذي يُزال منه يشغل غلافًا جديدًا أبعد عن النواة، ويحجبه بقوة عشرة إلكترونات داخلية.
لذلك، فإن القاعدة الأفضل هي:
تؤدي زيادة الشحنة النووية إلى زيادة طاقة التأين فقط عندما لا تتغلب التغيرات في المسافة والحجب والتوزيع الإلكتروني على تأثيرها.
ولهذا لا يكفي حفظ الأسهم التي تشير إلى اتجاهات الخواص في الجدول الدوري. فالأسهم تلخص النتيجة، أما التركيب الإلكتروني فيفسرها.
09قراءة نمط طاقة التأين
إذا أُعطيت جزءًا من الجدول الدوري أو رسمًا بيانيًا لطاقة التأين الأولى، فابحث عن ثلاثة مستويات من الأنماط.
أولًا، حدّد النمط العام الكبير:
- تزداد القيم عمومًا عبر الدورة.
- تنخفض القيم عمومًا نزولًا في المجموعة.
- تنخفض القيم بشدة عند بداية دورة جديدة.
ثم ابحث عن الانحرافات الموضعية الصغيرة.
في الدورتين الثانية والثالثة، تحدث انحرافات شائعة عندما:
- يتغير الإلكترون الذي تتم إزالته من مستوى فرعي \(s\) إلى مستوى فرعي \(p\) أعلى طاقةً.
- يبدأ ازدواج الإلكترونات في المستوى الفرعي \(p\).
وأخيرًا، فسّر النمط بدلًا من الاكتفاء بوصفه. تربط الإجابة القوية في اختبار HSC الملاحظة بالشحنة النووية، والمسافة بين الإلكترون والنواة، والحجب، وبنية المستويات الفرعية عند الحاجة.
10الأسئلة والحلول
السؤال 1
يقع البوتاسيوم والكالسيوم كلاهما في الدورة الرابعة. توقّع أيهما يمتلك طاقة التأين الأولى الأعلى، واشرح إجابتك باستخدام التركيب الإلكتروني.
الحل 1
يمتلك الكالسيوم طاقة التأين الأولى الأعلى.
التوزيع الإلكتروني الخارجي للبوتاسيوم هو \(4s^1\)، بينما التوزيع الخارجي للكالسيوم هو \(4s^2\). وفي كلتا الذرتين، يُزال الإلكترون من مستوى الطاقة الرئيسي الرابع، كما أن مقدار الحجب الناتج عن الإلكترونات الداخلية متشابه.
يحتوي الكالسيوم على 20 بروتونًا، مقارنةً بـ19 بروتونًا في البوتاسيوم. لذلك تجذب شحنته النووية الأكبر إلكترونات \(4s\) بقوة أكبر.
وبما أن المسافة والحجب متشابهان عمومًا، بينما تزداد الشحنة النووية، فإن إزالة الإلكترون الأول من الكالسيوم تتطلب طاقة أكبر.
يكمن الخطأ المحتمل في التركيز على أن العنصرين يقعان في الدورة نفسها فقط. أما التفسير المفيد فيوضح لماذا يؤدي الانتقال عبر تلك الدورة إلى زيادة التجاذب المؤثر في الإلكترون الخارجي.
السؤال 2
رتّب الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم من الأقل إلى الأعلى في طاقة التأين الأولى. واشرح الاتجاه.
الحل 2
الترتيب من الأقل إلى الأعلى في طاقة التأين الأولى هو:
\[ \ce{K < Na < Li} \]
تنتمي العناصر الثلاثة إلى المجموعة الأولى، ولذلك يفقد كل منها إلكترونًا خارجيًا واحدًا من المستوى الفرعي \(s\).
عند الانتقال من الليثيوم إلى الصوديوم ثم إلى البوتاسيوم، يُضاف في كل مرة مستوى طاقة رئيسي جديد مشغول بالإلكترونات. ولذلك يصبح الإلكترون الخارجي أبعد عن النواة، ويتعرض لحجب أكبر بفعل الإلكترونات الداخلية.
تزداد الشحنة النووية أيضًا نزولًا في المجموعة، لكن الزيادة في المسافة والحجب لها تأثير أكبر. فتجذب النواة الإلكترون الخارجي بقوة أقل، ولذلك تقل الطاقة اللازمة لإزالته.
من الأخطاء الشائعة القول إن البوتاسيوم لا بد أن يمتلك أعلى طاقة تأين لأنه يحتوي على أكبر عدد من البروتونات. فهذا يأخذ الشحنة النووية في الحسبان من دون النظر إلى الموقع الفعلي للإلكترون الخارجي.
السؤال 3
كتب أحد الطلاب ما يلي:
«لا بد أن تزداد طاقة التأين الأولى من المغنيسيوم إلى الألومنيوم لأن الألومنيوم يحتوي على بروتون إضافي واحد، والعنصران يقعان في الدورة الثالثة».
اشرح لماذا يفشل هذا التوقع.
الحل 3
يفشل التوقع لأن الإلكترون الذي تتم إزالته من الألومنيوم ينتمي إلى مستوى فرعي مختلف عن المستوى الفرعي للإلكترون الذي تتم إزالته من المغنيسيوم. وتمتلك ذرة الألومنيوم طاقة تأين أولى أقل من ذرة المغنيسيوم.
التوزيعان الإلكترونيان الخارجيان هما:
\[ \ce{Mg}: 3s^2 \]
\[ \ce{Al}: 3s^2 3p^1 \]
صحيح أن الألومنيوم يمتلك شحنة نووية أكبر. لكن إلكترونه الأول يُزال من المستوى الفرعي \(3p\) بدلًا من المستوى الفرعي \(3s\).
يكون إلكترون \(3p\) أعلى طاقةً وأقل تعرضًا للتجاذب من النواة مقارنةً بإلكترون \(3s\). لذلك يسهل نزعه.
وهكذا، فإن التغير في المستوى الفرعي يفوق تأثير البروتون الإضافي في الألومنيوم.
الاتجاه العام الذي ذكره الطالب مفيد، لكن تطبيقه من دون التحقق من التوزيع الإلكتروني يحجب استثناءً مهمًا.
السؤال 4
العنصر X والعنصر Y عنصران متتاليان في الدورة نفسها. يحتوي Y على بروتون واحد أكثر من X، ولا يبدأ عند Y مستوى طاقة رئيسي جديد. ومع ذلك، فإن طاقة التأين الأولى لـY أقل قليلًا من طاقة التأين الأولى لـX.
اذكر تغيرين مختلفين في التوزيع الإلكتروني يمكن أن يؤديا إلى هذه النتيجة.
الحل 4
من التفسيرات المحتملة الانتقال من إزالة إلكترون \(s\) إلى إزالة إلكترون \(p\)، أو بدء ازدواج الإلكترونات داخل مستوى فرعي \(p\).
في الحالة الأولى، قد يمتلك X مستوى فرعيًا \(s\) ممتلئًا، بينما يحتوي Y على أول إلكترون له في المستوى الفرعي \(p\). يكون إلكترون \(p\) أعلى طاقةً وأقل ارتباطًا بالنواة، ولذلك قد يكون تأيين Y أسهل رغم امتلاكه شحنة نووية أكبر. ويُظهر المغنيسيوم والألومنيوم هذا النوع من السلوك.
في الحالة الثانية، قد يمتلك X مستوى فرعيًا \(p\) نصف ممتلئ، بينما يمتلك Y إلكترون \(p\) إضافيًا يجب أن يقترن بإلكترون في مدار مشغول بالفعل. ويجعل التنافر بين الإلكترونين المقترنين أحدهما أسهل في الإزالة. ويُظهر الفوسفور والكبريت هذا النوع من السلوك.
الفكرة الأساسية هي أن المعلومة «يمتلك Y بروتونات أكثر» لا تكفي وحدها. فقد تؤدي هوية الإلكترون الذي تتم إزالته وترتيبه إلى انخفاض موضعي ضمن الاتجاه العام المتزايد.
السؤال 5
يقارن طالبان بين طاقتي التأين الأوليين لعنصرين مجهولين من عناصر المجموعات الرئيسية.
يحتوي العنصر A على 16 بروتونًا، وتشغل إلكتروناته الخارجية مستوى الطاقة الرئيسي الثالث.
ويحتوي العنصر B على 17 بروتونًا، وتشغل إلكتروناته الخارجية أيضًا مستوى الطاقة الرئيسي الثالث.
يرى الطالب 1 أن B لا بد أن يمتلك طاقة التأين الأولى الأعلى لأن شحنته النووية أكبر.
ويرى الطالب 2 أنه لا يمكن إجراء أي توقع ما لم تُعطَ قيم طاقات التأين المقاسة بدقة.
حدّد ما يمكن توقعه بصورة معقولة من المعلومات المعطاة، واشرح أي قيد على هذا التوقع.
الحل 5
يمكن التوقع بصورة معقولة أن العنصر B يمتلك طاقة التأين الأولى الأعلى، مع ضرورة التحقق من التوزيعات الدقيقة للمستويات الفرعية قبل اعتبار الاتجاه عبر الدورة قاعدة لا استثناء لها.
العنصران هما الكبريت، الذي يحتوي على 16 بروتونًا، والكلور، الذي يحتوي على 17 بروتونًا.
التوزيعان الإلكترونيان الخارجيان هما:
\[ \ce{S}: 3s^2 3p^4 \]
\[ \ce{Cl}: 3s^2 3p^5 \]
يفقد كلا العنصرين إلكترونًا من المستوى الفرعي \(3p\). وعند الانتقال من الكبريت إلى الكلور، تزداد الشحنة النووية من دون إضافة مستوى طاقة رئيسي جديد. ويكون الحجب الناتج عن الإلكترونات الداخلية متشابهًا، كما تنجذب السحابة الإلكترونية للكلور بقوة أكبر نحو نواته.
لذلك يؤدي التجاذب النووي الأكبر في الكلور إلى ارتفاع طاقة التأين الأولى لديه.
توصل الطالب 1 إلى التوقع الصحيح، لكن الاستدلال القائل «زيادة عدد البروتونات تعني ارتفاع طاقة التأين» تعميم مفرط. إذ يفشل هذا الاستدلال في مقارنة مثل المغنيسيوم والألومنيوم.
أما الطالب 2 فهو مفرط في الحذر. فليس من الضروري توافر بيانات دقيقة كلما كانت التوزيعات الإلكترونية توفر معلومات كافية لإجراء توقع مبرر.
والعادة المفيدة هي التحقق من الشحنة النووية، والمسافة، والحجب، ونوع الإلكترون الذي تتم إزالته قبل تحديد التأثير الغالب.
11إلى أين تقودنا هذه الفكرة بعد ذلك؟
توضح طاقة التأين الأولى مدى قوة تمسّك الذرة المتعادلة بأسهل إلكترون يمكن نزعه منها. وبمجرد ترسيخ هذه الفكرة، يصبح تفسير طاقات التأين المتتالية أسهل بكثير.
تؤدي إزالة الإلكترون الثاني أو الثالث أو الرابع إلى تغيير النوع الكيميائي في كل مرة، وفي نهاية المطاف يجب إزالة إلكترون من غلاف داخلي. ويمكن للقفزة الهائلة في الطاقة عند تلك النقطة أن تكشف عدد إلكترونات التكافؤ التي كانت الذرة تمتلكها في الأصل.
وهكذا تستمر الأفكار نفسها في تفسير الظواهر: التجاذب النووي، والمسافة، والحجب، والتوزيع الإلكتروني. لكن الفرق هو أن الذرة نفسها تتغير الآن بعد كل إلكترون تزيله منها.