اتجاهات نصف القطر الذري والتوزيع الإلكتروني لكيمياء HSC
تعرّف كيف تفسّر ترتيبات أغلفة التكافؤ والحجب والتجاذب النووي اتجاهات نصف القطر الذري عبر الدورات وعند النزول إلى أسفل المجموعات في الجدول الدوري.
يمتلك كلٌّ من الصوديوم والمغنيسيوم إلكتروناته الخارجية في الغلاف الثالث. كما تحتوي ذرة المغنيسيوم على بروتون إضافي وإلكترون إضافي. فأي الذرتين يُفترض أن يكون حجمها أكبر؟
من التوقعات الشائعة أن تكون ذرة المغنيسيوم أكبر، لأن زيادة عدد الإلكترونات تعني بالضرورة وجود سحابة إلكترونية أكبر. لكن العكس هو الصحيح. ذرة المغنيسيوم أصغر من ذرة الصوديوم.
تكشف لنا هذه النتيجة أمرًا مهمًا: لا يتحدد نصف القطر الذري بعدد الإلكترونات وحده، بل ينتج عن التنافس بين مدى بُعد الإلكترونات الخارجية عن النواة ومدى قوة جذب النواة لهذه الإلكترونات.
01ما العوامل التي تتحكم فعليًا في حجم الذرة؟
تخيّل أن النواة تجذب الإلكترونات الموجودة في الغلاف الخارجي للذرة.
هناك عاملان أساسيان:
- عدد أغلفة الإلكترونات المشغولة: كلما زاد عدد الأغلفة، أصبحت الإلكترونات الخارجية أبعد عن النواة.
- قوة التجاذب بين النواة والإلكترونات الخارجية: يؤدي التجاذب الأقوى إلى سحب السحابة الإلكترونية نحو النواة.
يفسّر هذان العاملان الاتجاهات الأساسية لنصف القطر الذري في الجدول الدوري.
لكن قبل استخدامهما، علينا معرفة المواضع الفعلية للإلكترونات الخارجية.
02يوضّح التوزيع الإلكتروني أين تنتهي أغلفة الذرة المشغولة
يصف التوزيع الإلكتروني كيفية ترتيب الإلكترونات حول النواة.
على سبيل المثال، تحتوي ذرة الصوديوم على 11 إلكترونًا:
\[ \ce{Na}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1 \]
أعلى غلاف مشغول هو الغلاف الثالث، ولذلك فإن غلاف التكافؤ للصوديوم هو الغلاف الثالث.
تحتوي ذرة المغنيسيوم على 12 إلكترونًا:
\[ \ce{Mg}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2 \]
وغلاف التكافؤ لديها هو أيضًا الغلاف الثالث.
غلاف التكافؤ هو ببساطة أعلى غلاف إلكتروني رئيسي مشغول. وتُسمّى الإلكترونات الموجودة فيه إلكترونات التكافؤ.
يمكن أيضًا الاستفادة من ترميز الأغلفة لإجراء مقارنات سريعة:
| الذرة | ترتيب الأغلفة | غلاف التكافؤ |
|---|---|---|
| Li | 2, 1 | 2 |
| Na | 2, 8, 1 | 3 |
| K | 2, 8, 8, 1 | 4 |
| Mg | 2, 8, 2 | 3 |
| Cl | 2, 8, 7 | 3 |
لاحظ ما يحدث عند النزول إلى أسفل المجموعة الأولى. يمتلك الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم ترتيبات متشابهة في غلاف التكافؤ، لكن كل انتقال إلى أسفل المجموعة يضيف غلافًا مشغولًا آخر.
وهذه أول إشارة تساعدنا على فهم سبب ازدياد حجم الذرات عند النزول إلى أسفل المجموعة.
03يحجب تأثير الحجب جزءًا من جذب النواة للإلكترونات الخارجية
لنفترض أن النواة تحاول جذب إلكترون تكافؤ، لكن توجد عدة أغلفة مشغولة بينهما.
تقلّل الإلكترونات الداخلية قوة التجاذب التي يشعر بها الإلكترون الخارجي. ويُسمّى هذا التأثير الحجب أو التدريع.
يمكنك تخيّل النواة كشخص يحاول لفت انتباه صديق له عبر قاعة مدرسية مكتظة. كلما زاد عدد الأشخاص الواقفين بينهما، أصبح التفاعل بينهما أقل مباشرة.
لكن لهذا التشبيه حدودًا. فالإلكترونات لا تحجب التجاذب الكهروستاتيكي حرفيًا كما يحجب الأشخاص مجال رؤيتك. ينشأ الحجب من الطريقة التي يغيّر بها التنافر بين الإلكترونات صافي التجاذب الكهروستاتيكي الذي يؤثر في الإلكترون.
الفكرة الأساسية هي:
تؤدي زيادة عدد الأغلفة الداخلية المشغولة عمومًا إلى زيادة حجب إلكترونات التكافؤ.
وهذا يوضّح التنافس الأساسي بين العوامل:
- تؤدي زيادة عدد البروتونات في النواة إلى زيادة التجاذب؛
- تؤدي زيادة عدد الإلكترونات في الأغلفة الداخلية إلى زيادة الحجب؛
- يؤدي ارتفاع رقم غلاف التكافؤ إلى ابتعاد الإلكترونات عن النواة.
يمكننا الآن تفسير الاتجاهات الدورية.
04لماذا يتناقص نصف القطر الذري عبر الدورة؟
لنقارن بين الصوديوم والكلور.
توزيعهما الإلكتروني هو:
\[ \ce{Na}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1 \]
\[ \ce{Cl}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5 \]
توجد إلكترونات التكافؤ في كلتا الذرتين في الغلاف الثالث.
قبل المتابعة، توقّع أي الذرتين أكبر.
الصوديوم أكبر.
عند الانتقال من الصوديوم نحو الكلور عبر الدورة الثالثة، يزداد عدد البروتونات. إذ تحتوي ذرة الصوديوم على 11 بروتونًا، بينما تحتوي ذرة الكلور على 17 بروتونًا.
تُضاف الإلكترونات أيضًا، لكنها تُضاف أساسًا إلى الغلاف الرئيسي نفسه. فلا يظهر غلاف داخلي مشغول جديد.
ويظل التوزيع الإلكتروني للأغلفة الداخلية كما يلي:
\[ 1s^2\,2s^2\,2p^6 \]
لذلك، يتغير الحجب الناتج عن الإلكترونات الداخلية بدرجة أقل بكثير من تغير الشحنة النووية.
تحجب الإلكترونات الموجودة في غلاف التكافؤ بعضها بعضًا إلى حدٍّ ما أيضًا، لذا فإن القول إن الحجب ثابت تمامًا ليس دقيقًا. لكن الحجب الإضافي لا يكفي لمعادلة التجاذب المتزايد الناتج عن ازدياد الشحنة الموجبة للنواة.
والنتيجة هي زيادة صافي التجاذب بين النواة وإلكترونات التكافؤ.
فتُسحب السحابة الإلكترونية نحو الداخل.
لذلك، وبوجه عام:
يتناقص نصف القطر الذري من اليسار إلى اليمين عبر الدورة.
مثال محلول: أيهما أكبر، المغنيسيوم أم الكلور؟
قارن نصفي القطر الذري لذرتي المغنيسيوم والكلور المتعادلتين باستخدام توزيعيهما الإلكترونيين.
الخطوة 1
توزيع المغنيسيوم هو:
\[ \ce{Mg}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2 \]
وتوزيع الكلور هو:
\[ \ce{Cl}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5 \]
توجد إلكترونات التكافؤ لدى كلتيهما في الغلاف الثالث.
الخطوة 2
يحتوي المغنيسيوم على 12 بروتونًا، بينما يحتوي الكلور على 17 بروتونًا.
لذلك، يمتلك الكلور شحنة نووية موجبة أكبر.
الخطوة 3
تمتلك الذرتان الأغلفة الداخلية الممتلئة نفسها، وهي \(1s^2\,2s^2\,2p^6\). ولذلك، يكون الحجب الناتج عن الإلكترونات الداخلية متشابهًا.
الخطوة 4
تؤدي الشحنة النووية الأكبر للكلور إلى تجاذب أقوى للإلكترونات الموجودة في الغلاف الرئيسي نفسه.
إذن:
\[ r(\ce{Mg}) > r(\ce{Cl}) \]
حيث يمثّل \(r\) نصف القطر الذري.
يمتلك المغنيسيوم نصف القطر الذري الأكبر. ولا يكمن السبب الأساسي في أن المغنيسيوم يحتوي على إلكترونات أقل، بل في أن إلكتروناته الموجودة في الغلاف الثالث تتعرض لتجاذب أضعف نحو النواة.
مثال محلول: رتّب الصوديوم والألومنيوم والكبريت حسب نصف القطر الذري
رتّب \(\ce{Na}\) و\(\ce{Al}\) و\(\ce{S}\) من أكبر نصف قطر ذري إلى أصغر نصف قطر ذري.
الخطوة 1
تقع الذرات الثلاث في الدورة الثالثة، ولذلك تشغل إلكترونات التكافؤ لديها الغلاف الثالث.
الخطوة 2
أعداد البروتونات هي:
- \(\ce{Na}\): 11
- \(\ce{Al}\): 13
- \(\ce{S}\): 16
تزداد الشحنة النووية الموجبة عبر الدورة.
الخطوة 3
لا يُضاف غلاف إلكتروني داخلي جديد عند الانتقال من الصوديوم إلى الكبريت. ويوفّر ازدياد عدد إلكترونات التكافؤ بعض الحجب الإضافي، لكنه لا يكفي لمعادلة الزيادة في التجاذب النووي.
الخطوة 4
يسحب التجاذب النووي المتزايد غلاف التكافؤ تدريجيًا نحو الداخل.
إذن:
\[ r(\ce{Na}) > r(\ce{Al}) > r(\ce{S}) \]
الصوديوم هو الأكبر، والكبريت هو الأصغر، ويقع الألومنيوم بينهما.
05لماذا يزداد نصف القطر الذري عند النزول إلى أسفل المجموعة؟
لنقارن الآن بين الليثيوم والبوتاسيوم.
توزيع الليثيوم هو:
\[ \ce{Li}: 1s^2\,2s^1 \]
وتوزيع البوتاسيوم هو:
\[ \ce{K}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1 \]
يحتوي البوتاسيوم على بروتونات أكثر بكثير من الليثيوم. ولو كانت الشحنة النووية هي العامل الوحيد، فقد نتوقع أن يجذب البوتاسيوم إلكتروناته نحو الداخل بقوة أكبر بكثير، وأن يكون أصغر حجمًا.
لكن هذا لا يحدث.
البوتاسيوم أكبر بكثير.
لماذا؟ يشغل إلكترون التكافؤ لديه الغلاف الرابع بدلًا من الغلاف الثاني. ولذلك يبدأ من مسافة أبعد بكثير عن النواة، وتوجد عدة أغلفة داخلية مشغولة بين النواة وهذا الإلكترون.
وتؤدي هذه الإلكترونات الداخلية إلى حجب كبير.
لذلك، على الرغم من ازدياد الشحنة النووية عند النزول إلى أسفل المجموعة، يزداد تأثير عاملين آخرين:
- يصبح غلاف التكافؤ أبعد عن النواة؛
- يزداد الحجب بسبب زيادة عدد الأغلفة الداخلية المشغولة.
ويتغلب تأثير هذين العاملين مجتمعين على تأثير زيادة الشحنة النووية.
لذلك:
يزداد نصف القطر الذري عمومًا عند النزول إلى أسفل المجموعة.
ولهذا السبب:
\[ r(\ce{Li}) < r(\ce{Na}) < r(\ce{K}) \]
مثال محلول: لماذا يكون البوتاسيوم أكبر من الصوديوم؟
قارن نصفي القطر الذري لذرتي الصوديوم والبوتاسيوم المتعادلتين.
الخطوة 1
ترتيب أغلفة الصوديوم هو \(2,8,1\)، بينما ترتيب أغلفة البوتاسيوم هو \(2,8,8,1\).
الخطوة 2
يوجد إلكترون التكافؤ للصوديوم في الغلاف الثالث.
ويوجد إلكترون التكافؤ للبوتاسيوم في الغلاف الرابع.
الخطوة 3
يمتلك البوتاسيوم غلافًا داخليًا مشغولًا إضافيًا. ولذلك، يتعرض إلكترون التكافؤ لديه لحجب أكبر عن النواة.
الخطوة 4
يمتلك البوتاسيوم بالفعل عددًا أكبر من البروتونات، لكن إلكترون التكافؤ لديه أبعد عن النواة ويتعرض لحجب أقوى في الوقت نفسه.
إذن:
\[ r(\ce{K}) > r(\ce{Na}) \]
يكون البوتاسيوم أكبر لأن إضافة غلاف مشغول آخر تؤثر في الحجم الذري بدرجة أكبر من تأثير الزيادة المصاحبة في الشحنة النووية.
06ينتج الاتجاهان عن موازنتين مختلفتين بين العوامل
من المفيد إبقاء التفسيرين منفصلين.
| الحركة في الجدول الدوري | أهم ما يتغير | التأثير في نصف القطر |
|---|---|---|
| عبر الدورة، من اليسار إلى اليمين | تزداد الشحنة النووية، بينما تبقى إلكترونات التكافؤ في الغلاف الرئيسي نفسه | يتناقص نصف القطر عمومًا |
| النزول إلى أسفل المجموعة | يُضاف غلاف مشغول جديد ويزداد الحجب | يزداد نصف القطر عمومًا |
من القواعد المفيدة لاتخاذ القرار:
- في الدورة نفسها: ركّز أساسًا على ازدياد التجاذب النووي.
- في المجموعة نفسها: ركّز أساسًا على إضافة الأغلفة وزيادة الحجب.
لا تحفظ عبارة «اليسار كبير، والأسفل كبير» من دون فهم الآلية. فقد تعرض أسئلة HSC توزيعات إلكترونية بدلًا من موضع مألوف في الجدول الدوري، وعندها تتيح لك الآلية استنتاج الاتجاه الصحيح من جديد.
07الخطأ المغري: زيادة عدد الإلكترونات تعني زيادة حجم الذرة
يبدو هذا الخطأ منطقيًا.
إذا احتوت الذرة على عدد أكبر من الإلكترونات، أفلا ينبغي أن تشغل حيزًا أكبر؟
ترتبط إضافة الإلكترونات أحيانًا بزيادة نصف القطر، لكن عدد الإلكترونات وحده لا يحدد حجم الذرة.
قارن الصوديوم والكلور مرة أخرى. يحتوي الكلور على ستة إلكترونات أكثر من الصوديوم، ومع ذلك فإن الكلور أصغر حجمًا.
لماذا؟ تُضاف تلك الإلكترونات الإضافية إلى غلاف التكافؤ نفسه، بينما تكتسب النواة ستة بروتونات إضافية. ويؤدي التجاذب النووي الأقوى إلى سحب الغلاف نحو الداخل.
والآن قارن الصوديوم والبوتاسيوم. يحتوي البوتاسيوم على إلكترونات أكثر ويكون أكبر حجمًا، لكن ليس لمجرد أنه يحتوي على إلكترونات أكثر. بل يكون أكبر لأن لديه غلافًا مشغولًا إضافيًا وحجبًا أكبر.
لذلك، لا يقتصر السؤال المفيد على:
كم عدد الإلكترونات الموجودة؟
بل اسأل:
في أي غلاف توجد إلكترونات التكافؤ، وما مقدار الحجب الموجود، وما مدى قوة جذب النواة لذلك الغلاف؟
08ليس لنصف القطر الذري حدّ خارجي حاد
تحدثنا حتى الآن كما لو أن الذرة كرة صغيرة ذات سطح محدد بوضوح.
هذا النموذج مفيد، لكنه ليس دقيقًا تمامًا.
يوصف الإلكترون بتوزيع احتمالي بدلًا من مدار دائري ثابت، ولذلك لا تمتلك الذرة حدًا خارجيًا حادًا تمامًا. ولهذا يستنتج العلماء أنصاف الأقطار الذرية من قياسات، مثل المسافات بين الأنوية في الذرات المرتبطة كيميائيًا.
يمكن أن تؤدي التعريفات المختلفة، بما فيها أنصاف الأقطار التساهمية والفلزية وفان دير فالس، إلى قيم عددية مختلفة.
أما في أسئلة الاتجاهات الدورية في منهج HSC، فالنقطة المهمة هي أن النمط العام يظل صحيحًا:
- يتناقص نصف القطر الذري عمومًا عبر الدورة.
- يزداد نصف القطر الذري عمومًا عند النزول إلى أسفل المجموعة.
كلمة «عمومًا» مهمة. فقد تحتوي البيانات التجريبية الفعلية على حالات غير منتظمة، ولا سيما عند استخدام أنواع مختلفة من أنصاف الأقطار أو عند التعامل مع تراكيب إلكترونية أكثر تعقيدًا.
09ماذا لو كانت الذرات متباعدة قطريًا في الجدول الدوري؟
لنفترض أن إحدى الذرتين تقع إلى اليمين وإلى الأسفل بالنسبة إلى الذرة الأخرى.
عندئذٍ يتنافس الاتجاهان البسيطان.
فالحركة إلى اليمين تميل إلى تقليل نصف القطر، بينما تميل الحركة إلى الأسفل إلى زيادته.
على سبيل المثال، إذا كانت الذرة X تقع في دورة أدنى، لكنها تقع في عدة مجموعات إلى يمين الذرة Y، فلا ينبغي لك أن تعلن بصورة عشوائية أن أحد الاتجاهين هو الأقوى، ما لم تكن التوزيعات الإلكترونية أو البيانات المعطاة أو المعلومات الأخرى تبرر ذلك.
وهذا يوضح أحد حدود النموذج:
تكون الاتجاهات الدورية أقوى قواعد للمقارنة عندما تقع الذرات في الدورة نفسها أو في المجموعة نفسها.
في المقارنات القطرية، ابدأ بالتفكير انطلاقًا من التوزيع الإلكتروني. وإذا تعارض تأثيران وكان السؤال يزوّدك ببيانات تجريبية، فاستخدم البيانات بدلًا من فرض اتجاه محفوظ لا يستطيع تقديم إجابة موثوقة في هذه الحالة.
10طريقة موثوقة للمقارنة في HSC
عند مقارنة أنصاف الأقطار الذرية للذرات المتعادلة، اتبع التسلسل الآتي.
- حدّد أعلى غلاف إلكتروني مشغول. يشير ارتفاع رقم الغلاف عادةً إلى ذرة أكبر حجمًا بدرجة ملحوظة.
- قارن الحجب. تؤدي زيادة عدد الأغلفة الداخلية المشغولة إلى زيادة حجب إلكترونات التكافؤ.
- قارن الشحنة النووية. تؤدي زيادة عدد البروتونات إلى تجاذب أقوى للإلكترونات.
- حدّد ما إذا كانت الذرات في الدورة نفسها أم في المجموعة نفسها. يساعدك ذلك على تحديد العامل الذي يُرجّح أن يكون تأثيره أكبر.
- اذكر الآلية، وليس اتجاه التغير فقط. وضّح سبب سحب السحابة الإلكترونية نحو الداخل أو امتدادها إلى الخارج.
الخطوة الأخيرة مهمة. فعبارة «يتناقص نصف القطر عبر الدورة» تصف نمطًا. أما عبارة «تجذب الشحنة النووية المتزايدة الإلكترونات الموجودة في الغلاف الرئيسي نفسه بقوة أكبر، بينما يتغير الحجب بدرجة قليلة نسبيًا» فتفسّر سبب حدوثه.
11الأسئلة والحلول
السؤال 1
تقع ذرتا الفوسفور المتعادلة والألومنيوم المتعادلة كلتاهما في الدورة الثالثة. أيهما تمتلك نصف القطر الذري الأكبر؟ وضّح استدلالك باستخدام التوزيع الإلكتروني والحجب والشحنة النووية.
الحل 1
يمتلك الألومنيوم نصف القطر الذري الأكبر.
توجد إلكترونات التكافؤ لدى كلتا الذرتين في الغلاف الثالث:
\[ \ce{Al}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1 \]
\[ \ce{P}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^3 \]
ترتيب الإلكترونات في الأغلفة الداخلية متماثل لدى الذرتين، ولذلك يكون الحجب الناتج عن الإلكترونات الداخلية متشابهًا.
يحتوي الفوسفور على 15 بروتونًا، بينما يحتوي الألومنيوم على 13 بروتونًا. وتجذب الشحنة النووية الأكبر للفوسفور الإلكترونات الموجودة في الغلاف الثالث بقوة أكبر.
لذلك تُسحب السحابة الإلكترونية للفوسفور نحو النواة بدرجة أكبر:
\[ r(\ce{Al}) > r(\ce{P}) \]
يكمن الخطأ المحتمل في الاستدلال بأن الفوسفور لا بد أن يكون أكبر لأنه يحتوي على إلكترونات أكثر. فعبر الدورة، يكون تأثير زيادة التجاذب النووي أهم من تأثير زيادة عدد الإلكترونات.
السؤال 2
لدى ذرتين متعادلتين التوزيعان الإلكترونيان الآتيان:
\[ \text{X}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1 \]
\[ \text{Y}: 1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1 \]
أي الذرتين تمتلك نصف القطر الذري الأكبر؟ وما الخاصية في التوزيعين الإلكترونيين التي تقدّم أقوى دليل على ذلك؟
الحل 2
تمتلك Y نصف القطر الذري الأكبر لأن إلكترون التكافؤ لديها يشغل غلافًا رئيسيًا أعلى.
يوجد إلكترون التكافؤ لدى X في الغلاف الثالث، بينما يوجد إلكترون التكافؤ لدى Y في الغلاف الرابع.
تمتلك Y أيضًا غلافًا داخليًا مشغولًا إضافيًا. وهذا يزيد حجب إلكترون التكافؤ عن النواة الموجبة.
وعلى الرغم من امتلاك Y شحنة نووية أكبر، فإن إلكترونها الخارجي أبعد عن النواة ويتعرض لحجب أقوى.
إذن:
\[ r(\text{Y}) > r(\text{X}) \]
أقوى دليل هو انتقال إلكترون التكافؤ من الغلاف الثالث إلى الغلاف الرابع. فهذا يدل على إضافة غلاف مشغول آخر.
السؤال 3
يقدّم أحد الطلاب الادعاء الآتي:
«لا بد أن يكون السيليكون أكبر من الألومنيوم لأن السيليكون يحتوي على إلكترون إضافي، ولذلك تشغل سحابته الإلكترونية حيزًا أكبر».
قيّم هذا الادعاء، وقدّم المقارنة الصحيحة.
الحل 3
الادعاء غير صحيح. يمتلك الألومنيوم نصف القطر الذري الأكبر.
يقع الألومنيوم والسيليكون كلاهما في الدورة الثالثة:
\[ \ce{Al}: [\ce{Ne}]\,3s^2\,3p^1 \]
\[ \ce{Si}: [\ce{Ne}]\,3s^2\,3p^2 \]
يمثّل الترميز \([\ce{Ne}]\) ترتيب الأغلفة الداخلية المشترك \(1s^2\,2s^2\,2p^6\).
يمتلك السيليكون بروتونًا إضافيًا وإلكترونًا إضافيًا أيضًا. ويُضاف الإلكترون الجديد إلى الغلاف الرئيسي نفسه، بدلًا من تكوين غلاف مشغول جديد.
لذلك يكون الحجب الناتج عن الإلكترونات الداخلية متشابهًا، في حين يمتلك السيليكون شحنة نووية أكبر. وتتعرض إلكترونات التكافؤ لديه لتجاذب أقوى نحو النواة.
وبالتالي:
\[ r(\ce{Al}) > r(\ce{Si}) \]
يكمن المفهوم الخاطئ في اعتبار عدد الإلكترونات العامل المحدد. إذ يعتمد نصف القطر الذري على التوازن بين رقم الغلاف والحجب والتجاذب النووي.
السؤال 4
لدى ثلاث ذرات متعادلة ترتيبات الأغلفة الآتية:
- A: \(2,8,1\)
- B: \(2,8,6\)
- C: \(2,8,8,1\)
رتّب A وB وC من أكبر نصف قطر ذري إلى أصغر نصف قطر ذري. وضّح المقارنتين كلتيهما بدلًا من الاعتماد على اتجاه الموقع في الجدول الدوري وحده.
الحل 4
الترتيب هو \(C > A > B\).
تقع إلكترونات التكافؤ لدى A وB في الغلاف الثالث. وتمتلك B بروتونات أكثر من A، من دون إضافة غلاف داخلي جديد. وتجذب الشحنة النووية الأكبر لدى B إلكترونات الغلاف الثالث نحو الداخل بدرجة أكبر، ولذلك:
\[ r(A) > r(B) \]
أما C، فيوجد إلكترون التكافؤ لديها في الغلاف الرابع. وبالمقارنة مع A، تمتلك C غلافًا إلكترونيًا مشغولًا إضافيًا وحجبًا أكبر.
وعلى الرغم من أن C تمتلك بروتونات أكثر أيضًا، فإن إلكترون التكافؤ لديها أبعد عن النواة ويتعرض لحجب أكبر. ولذلك:
\[ r(C) > r(A) \]
وبالجمع بين المقارنتين نحصل على:
\[ r(C) > r(A) > r(B) \]
تكمن فائدة هذا السؤال في أن عدد الإلكترونات يزداد من A إلى B، ويزداد مرة أخرى من A إلى C، ولكن لأسباب مختلفة. فالانتقال من A إلى B يضيف إلكترونات إلى غلاف التكافؤ نفسه، بينما يضيف الانتقال من A إلى C غلافًا مشغولًا جديدًا بالكامل.
السؤال 5
تقع إلكترونات التكافؤ للذرة P في الغلاف الثاني، وتقع الذرة نحو يسار دورتها. أما الذرة Q، فتقع إلكترونات التكافؤ لديها في الغلاف الثالث، وتقع إلى يمين دورتها بفارق كبير.
يقول أحد الطلاب: «لا بد أن تكون Q أكبر لأن أي ذرة تقع في الدورة الثالثة أكبر من أي ذرة تقع في الدورة الثانية».
هل يمكن تبرير هذا الاستنتاج اعتمادًا على المعلومات المتاحة وحدها؟ وضّح ما يمكن وما لا يمكن استنتاجه باستخدام اتجاهات نصف القطر الذري.
الحل 5
لا. لا يمكن تبرير الاستنتاج بالكامل اعتمادًا على المعلومات المعطاة.
يميل الانتقال من الغلاف الثاني إلى الغلاف الثالث إلى زيادة نصف القطر الذري، لأن إلكترونات التكافؤ تصبح أبعد عن النواة وتتعرض لحجب أكبر.
لكن الانتقال مسافة كبيرة نحو اليمين عبر الدورة يميل إلى تقليل نصف القطر الذري، لأن الشحنة النووية تزداد بينما تُضاف الإلكترونات إلى الغلاف الرئيسي نفسه.
بالنسبة إلى P وQ، يتعارض تأثير العاملين:
- يميل الغلاف المشغول الإضافي لدى Q إلى جعل Q أكبر.
- يشير موقع Q إلى اليمين بدرجة أكبر إلى شحنة نووية أعلى، مما يميل إلى جعل Q أصغر.
من دون معرفة الهويات المحددة للذرتين أو توزيعيهما الإلكترونيين أو توافر بيانات تجريبية مناسبة، لا تكفي الاتجاهات الدورية الأساسية لتحديد أي التأثيرين أقوى بما يكفي للهيمنة.
يكمن الخطأ في تحويل اتجاهين مفيدين إلى قاعدة مطلقة. فعبارتا «النزول يعني حجمًا أكبر» و«الاتجاه يمينًا يعني حجمًا أصغر» تكونان أكثر موثوقية عند المقارنة داخل المجموعة نفسها أو الدورة نفسها. أما المقارنة القطرية فقد تتطلب معلومات إضافية.
12ما الذي يمكنك تفسيره باستخدام هذه الفكرة لاحقًا؟
تمثّل اتجاهات نصف القطر الذري في الحقيقة أول تطبيق لفكرة أوسع: تتأثر إلكترونات التكافؤ بالتجاذب النووي والحجب معًا.
ويساعد التنافس نفسه على تفسير سبب ارتفاع طاقة التأين عمومًا عبر الدورة وانخفاضها عند النزول إلى أسفل المجموعة. فإذا كان إلكترون التكافؤ أقرب إلى النواة وينجذب إليها بقوة أكبر، فإن نزعه يتطلب عادةً طاقة أكبر.
كما تمهّد هذه الفكرة لدراسة نصف القطر الأيوني. فعندما تفقد الذرة إلكترونات أو تكتسبها، يتغير مجددًا التوازن بين التنافر الإلكتروني والحجب والأغلفة المشغولة والتجاذب النووي. وعندئذٍ، لا يكفي مجرد معرفة موضع العنصر في الجدول الدوري. بل عليك تتبّع ما طرأ على توزيعه الإلكتروني.