المدارات الذرية: ما تتكون منها وأنواعها - كيمياء - 2026

في المدارات الذرية هي تلك المناطق للذرة التي يحددها الدالة الموجية للإلكترونات. الدوال الموجية هي تعبيرات رياضية تم الحصول عليها من حل معادلة شرودنغر. يصف هذا حالة الطاقة لإلكترون واحد أو أكثر في الفضاء ، بالإضافة إلى احتمال العثور عليه.

هذا المفهوم الفيزيائي ، الذي يطبقه الكيميائيون لفهم الرابطة والجدول الدوري ، يعتبر الإلكترون كموجة وجسيم في نفس الوقت. لذلك ، يتم تجاهل صورة النظام الشمسي ، حيث تكون الإلكترونات كواكب تدور في مدارات حول النواة أو الشمس.

المصدر: بواسطة haade ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

هذا التصور الذي عفا عليه الزمن يكون مفيدًا عند توضيح مستويات الطاقة في الذرة. على سبيل المثال: دائرة محاطة بحلقات متحدة المركز تمثل المدارات وإلكتروناتها الثابتة. في الواقع ، هذه هي الصورة التي يتم بواسطتها تقديم الذرة للأطفال والشباب.

ومع ذلك ، فإن التركيب الذري الحقيقي معقد للغاية بحيث لا يمكن حتى الحصول على صورة تقريبية له.

بالنظر إلى الإلكترون كجسيم موجي ، وحل معادلة شرودنجر التفاضلية لذرة الهيدروجين (أبسط نظام على الإطلاق) ، تم الحصول على أرقام الكم الشهيرة.

تشير هذه الأرقام إلى أن الإلكترونات لا يمكنها شغل أي مكان في الذرة ، ولكن فقط تلك التي تخضع لمستوى طاقة منفصل ومكمم. يُعرف التعبير الرياضي لما سبق بالدالة الموجية.

وهكذا ، من ذرة الهيدروجين ، تم تقدير سلسلة من حالات الطاقة التي تحكمها أرقام الكم. كانت تسمى حالات الطاقة هذه المدارات الذرية.

لكنها وصفت فقط مكان وجود الإلكترون في ذرة الهيدروجين. بالنسبة للذرات الأخرى ، الإلكترونيات المتعددة ، بدءًا من الهيليوم وما بعده ، تم إجراء تقريب مداري. لماذا ا؟ لأن حل معادلة شرودنجر للذرات التي تحتوي على إلكترونين أو أكثر أمر معقد للغاية (حتى مع التكنولوجيا الحالية).

ما هي المدارات الذرية؟

المدارات الذرية هي وظائف موجية تتكون من عنصرين: أحدهما شعاعي والآخر زاوي. هذا التعبير الرياضي مكتوب على النحو التالي:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

على الرغم من أنه قد يبدو معقدًا في البداية ، لاحظ أن الأرقام الكمومية n و l و ml موضحة بأحرف صغيرة. هذا يعني أن هذه الأرقام الثلاثة تصف المدار. تعتمد R _nl (r) ، المعروفة باسم الوظيفة الشعاعية ، على nyl ؛ بينما Y _lml (θϕ) ، وظيفة الزاوية ، تعتمد على l و ml.

في المعادلة الرياضية هناك أيضًا المتغيرات r والمسافة إلى النواة و و ϕ. نتيجة كل هذه المجموعة من المعادلات هي تمثيل مادي للمدارات. أي واحد؟ الذي نراه في الصورة أعلاه. هناك سلسلة من المدارات معروضة والتي سيتم شرحها في الأقسام التالية.

تأتي أشكالها وتصميماتها (وليس الألوان) من رسم وظائف الموجة ومكوناتها الشعاعية والزاوية في الفضاء.

دالة الموجة الشعاعية

كما هو موضح في المعادلة ، يعتمد R _nl (r) على كل من n و l. لذلك ، يتم وصف وظيفة الموجة الشعاعية بمستوى الطاقة الرئيسي ومستوياتها الفرعية.

إذا كان بالإمكان تصوير الإلكترون بغض النظر عن اتجاهه ، فيمكن ملاحظة نقطة صغيرة غير محدودة. بعد ذلك ، بالتقاط ملايين الصور ، يمكن تفصيل كيفية تغير سحابة النقطة كدالة للمسافة إلى القلب.

بهذه الطريقة ، يمكن مقارنة كثافة السحابة في المسافة وبالقرب من اللب. إذا تم تكرار نفس العملية ولكن بمستوى طاقة آخر أو مستوى فرعي آخر ، فستتشكل سحابة أخرى تحيط بالمستوى السابق. بين الاثنين توجد مساحة صغيرة حيث لا يوجد الإلكترون أبدًا ؛ وهذا ما يعرف بالعقدة الشعاعية.

أيضًا ، توجد في السحب مناطق ذات كثافة إلكترون أعلى وأقل. كلما كبروا وأبعدوا عن النواة ، أصبح لديهم المزيد من العقد الشعاعية ؛ علاوة على ذلك ، المسافة r حيث يدور الإلكترون بشكل متكرر ويكون من المرجح العثور عليها.

وظيفة موجة الزاوية

مرة أخرى ، من المعروف من المعادلة أن Y _lml (θϕ) موصوف أساسًا بالأرقام الكمومية l و ml. هذه المرة تشارك في عدد الكم المغناطيسي ، وبالتالي ، يتم تحديد اتجاه الإلكترون في الفضاء ؛ ويمكن رسم هذا الاتجاه من المعادلات الرياضية التي تتضمن المتغيرين θ و.

الآن ، لا ننتقل إلى التقاط الصور ، ولكن نسجل مقطع فيديو لمسار الإلكترون في الذرة. على عكس التجربة السابقة ، من غير المعروف بالضبط مكان وجود الإلكترون ، ولكن إلى أين يتجه.

عندما يتحرك الإلكترون ، فإنه يصف سحابة أكثر تحديدًا ؛ في الواقع ، شكل كروي ، أو شخص به فصوص ، مثل تلك التي تظهر في الصورة. يتم وصف نوع الأشكال واتجاهها في الفضاء بواسطة l و ml.

توجد مناطق قريبة من النواة ، حيث لا يمر الإلكترون ويختفي الرقم. تُعرف هذه المناطق باسم عقد الزاوية.

على سبيل المثال ، إذا نظرت إلى المدار الكروي الأول ، فسرعان ما توصلت إلى استنتاج مفاده أنه متماثل في جميع الاتجاهات ؛ ومع ذلك ، ليس هذا هو الحال مع المدارات الأخرى ، التي تكشف أشكالها عن مساحات فارغة. يمكن ملاحظة ذلك في أصل المستوى الديكارتي ، وفي المستويات الوهمية بين الفصوص.

احتمالية إيجاد الإلكترون والرابطة الكيميائية

المصدر: بواسطة CK-12 Foundation (ملف: High School Chemistry.pdf ، الصفحة 265) ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

لتحديد الاحتمال الحقيقي لإيجاد إلكترون في المدار ، يجب مراعاة الوظيفتين: نصف قطري وزاوي. لذلك ، لا يكفي أن نفترض المكون الزاوي ، أي الشكل الموضح للمدارات ، ولكن أيضًا كيف تتغير كثافة الإلكترون بالنسبة إلى المسافة من النواة.

ومع ذلك ، نظرًا لأن الاتجاهات (ml) تميز مدارًا عن آخر ، فمن العملي (على الرغم من أنه قد لا يكون صحيحًا تمامًا) النظر فقط في شكل المدار. بهذه الطريقة ، يتم شرح وصف الرابطة الكيميائية من خلال تداخل هذه الأرقام.

على سبيل المثال ، أعلاه صورة مقارنة لثلاثة مدارات: 1s و 2s و 3s. لاحظ العقد الشعاعية بالداخل. لا يحتوي المدار 1s على عقدة ، بينما يحتوي المدار الآخر على عقدتين.

عند التفكير في رابطة كيميائية ، من الأسهل أن تضع في اعتبارك الشكل الكروي لهذه المدارات فقط. بهذه الطريقة ، يقترب المدار ns من آخر ، وعلى مسافة r ، سيشكل الإلكترون رابطة مع إلكترون الذرة المجاورة. من هنا ينشأ العديد من المنظرين (TEV و TOM) يشرحون هذا الارتباط.

كيف يتم ترميزها؟

المدارات الذرية يرمز لها صراحةً على النحو التالي: nl _ml.

تأخذ الأرقام الكمية قيمًا صحيحة 0 ، 1 ، 2 ، إلخ ، ولكن لترمز إلى المدارات ، لم يتبق سوى قيمة عددية n. بينما بالنسبة لـ l ، يتم استبدال الرقم الصحيح بالحرف المقابل (s ، p ، d ، f) ؛ وبالنسبة لـ ml ، صيغة متغيرة أو رياضية (باستثناء ml = 0).

على سبيل المثال ، بالنسبة إلى المدار 1s: n = 1 ، s = 0 ، و ml = 0. الأمر نفسه ينطبق على جميع المدارات ns (2s ، 3s ، 4s ، إلخ).

لترمز إلى بقية المدارات ، من الضروري معالجة أنواعها ، ولكل منها مستويات وخصائص الطاقة الخاصة بها.

أنواع

المدارات s

تصف الأعداد الكمومية l = 0 ، و ml = 0 (بالإضافة إلى مكوناتها الشعاعية والزاوية) مدارًا بشكل كروي. هذا هو الذي يرأس هرم مدارات الصورة الأولية. أيضًا ، كما يتضح من صورة العقد الشعاعية ، يمكن توقع أن تحتوي المدارات 4 و 5 و 6 على ثلاث وأربع وخمسة عقد.

تتميز بأنها متناظرة وتختبر إلكتروناتها شحنة نووية فعالة أكبر. وذلك لأن إلكتروناتها يمكن أن تخترق الأصداف الداخلية وتحوم بالقرب من النواة ، مما يؤدي إلى جذب إيجابي عليها.

لذلك ، هناك احتمال أن يتمكن إلكترون 3 ثوانٍ من اختراق مدار 2 و 1 ثانية ، مقتربًا من النواة. تشرح هذه الحقيقة لماذا تكون الذرة ذات المدارات الهجينة sp أكثر كهرسلبية (مع ميل أكبر لجذب كثافة الإلكترون من الذرات المجاورة لها) من ذرة بها تهجين sp ³.

وبالتالي ، فإن الإلكترونات الموجودة في المدارات s هي التي تتعرض لشحنة النواة أكثر وتكون أكثر استقرارًا من حيث الطاقة. معًا ، يمارسون تأثيرًا تدريعًا على الإلكترونات في المستويات الفرعية أو المدارات الأخرى ؛ أي أنها تقلل الشحنة النووية الفعلية Z التي تتعرض لها الإلكترونات الخارجية.

المدارات ص

المصدر: ديفيد مانثي عبر ويكيبيديا

المدارات p لها الأرقام الكمومية l = 1 ، وبقيم ml = -1 ، 0 ، +1. أي أن الإلكترون في هذه المدارات يمكن أن يأخذ ثلاثة اتجاهات ، والتي يتم تمثيلها على شكل دمبل صفراء (وفقًا للصورة أعلاه).

لاحظ أن كل دمبل يقع على طول المحور الديكارتي x و y و z. لذلك ، فإن المدار p الموجود على المحور x يُشار إليه بالرمز p _x ؛ واحد على المحور y ، p _y ؛ وإذا كانت تشير عموديًا على المستوى xy ، أي على المحور z ، فإنها تكون p _z.

جميع المدارات متعامدة مع بعضها البعض ، أي أنها تشكل زاوية 90 درجة. وبالمثل ، تختفي الوظيفة الزاوية في النواة (أصل المحور الديكارتي) ، ولا يوجد سوى احتمال العثور على الإلكترون داخل الفصوص (التي تعتمد كثافة إلكترونها على الوظيفة الشعاعية).

تأثير التدريع ضعيف

لا تستطيع الإلكترونات الموجودة في هذه المدارات اختراق الأصداف الداخلية بسهولة مثل المدارات s. بمقارنة أشكالها ، تبدو المدارات p أقرب إلى النواة ؛ ومع ذلك ، توجد إلكترونات ns بشكل متكرر حول النواة.

ما هي نتيجة ما سبق؟ أن إلكترون np يختبر شحنة نووية أقل فعالية. علاوة على ذلك ، يتم تقليل هذا الأخير بشكل أكبر من خلال تأثير التدريع لمدارات s. يفسر هذا ، على سبيل المثال ، لماذا تكون الذرة ذات المدارات الهجينة sp ³ أقل كهرسلبية من تلك التي تحتوي على sp ² أو sp مدارات.

من المهم أيضًا ملاحظة أن كل دمبل له مستوى عقدي زاوي ، ولكن لا يوجد عقد شعاعي (المدارات 2p فقط). بمعنى ، إذا تم تقطيعها ، فلن تكون هناك طبقات بالداخل كما هو الحال مع المدار 2s ؛ ولكن بدءًا من المدار 3p وما بعده ، ستبدأ ملاحظة العقد الشعاعية.

هذه العقد الزاوية مسؤولة عن تعرض الإلكترونات الخارجية لتأثير تدريع ضعيف. على سبيل المثال ، تحمي الإلكترونات 2s تلك الموجودة في المدارات 2p أفضل من الإلكترونات 2p تحمي تلك الموجودة في المدار 3s.

Px و Py و Pz

نظرًا لأن قيم ml هي -1 و 0 و +1 ، يمثل كل منها مدار Px أو Py أو Pz. في المجموع ، يمكنهم استيعاب ستة إلكترونات (اثنان لكل مدار). هذه الحقيقة مهمة لفهم التكوين الإلكتروني والجدول الدوري والعناصر التي تشكل ما يسمى بلوك p.

المدارات د

المصدر: بقلم Hanilakkis0528 ، من ويكيميديا ​​كومنز

المدارات d لها قيم l = 2 ، و ml = -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2. لذلك هناك خمسة مدارات قادرة على الاحتفاظ بعشرة إلكترونات في المجموع. يتم تمثيل الوظائف الزاوية الخمس لمدارات d في الصورة أعلاه.

الأولى ، المدارات ثلاثية الأبعاد ، تفتقر إلى العقد الشعاعية ، ولكن جميع المدارات الأخرى ، باستثناء المدار d _z2 ، لها طائرتان عقديتان ؛ ليس مستويات الصورة ، حيث إنها تظهر فقط في أي محاور تقع الفصوص البرتقالية بأشكال أوراق البرسيم. المستويان العقديان هما المستويان اللذان ينقسمان عموديًا على المستوى الرمادي.

تجعلها أشكالها أقل فاعلية في حماية الشحنة النووية الفعالة. لماذا ا؟ لأن لديهم المزيد من العقد ، والتي من خلالها يمكن للنواة جذب الإلكترونات الخارجية.

لذلك ، تساهم جميع المدارات d في زيادة أقل وضوحًا في نصف القطر الذري من مستوى طاقة إلى آخر.

المدارات و

المصدر: بواسطة Geek3 ، من ويكيميديا ​​كومنز

أخيرًا ، تحتوي المدارات f على أرقام كمية بقيم l = 3 ، و ml = -3 ، -2 ، -1 ، 0 ، +1 ، +2 ، +3. هناك سبعة مدارات f ، ليصبح المجموع أربعة عشر إلكترونًا. تصبح هذه المدارات متاحة من الفترة 6 ، يرمز لها ظاهريًا بـ 4f.

تمثل كل وظيفة من الوظائف الزاوية فصوصًا ذات أشكال معقدة والعديد من المستويات العقدية. لذلك ، فإنها تحمي الإلكترونات الخارجية بشكل أقل وتشرح هذه الظاهرة ما يعرف باسم انكماش اللانثانيد.

لهذا السبب ، بالنسبة للذرات الثقيلة لا يوجد اختلاف واضح في نصف قطرها الذري من مستوى n إلى آخر n + 1 (6n إلى 7n ، على سبيل المثال). حتى الآن ، المدارات 5f هي الأخيرة الموجودة في الذرات الطبيعية أو الاصطناعية.

مع أخذ كل هذا في الاعتبار ، تنفتح هوة بين ما يعرف بالمدار والمدارات. على الرغم من أنها متشابهة في النص ، إلا أنها في الواقع مختلفة تمامًا.

لقد جعل مفهوم المدار الذري والتقريب المداري من الممكن تفسير الرابطة الكيميائية ، وكيف يمكن أن تؤثر بطريقة أو بأخرى على التركيب الجزيئي.

المراجع

1. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (الطبعة الرابعة ، ص 13-8). ماك جراو هيل.
2. هاري ب. جراي. (1965). الإلكترونات والترابط الكيميائي. WA Benjamin، Inc. نيويورك.
3. Quimitube. (سادس). المدارات الذرية والأرقام الكمية. تم الاسترجاع من: quimitube.com
4. ناف سي آر (2016). تصور المدارات الإلكترونية. تم الاسترجاع من: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. كلارك ج. (2012). المدارات الذرية. تم الاسترجاع من: chemguide.co.uk
6. حكايات الكم. (26 أغسطس 2011). المدارات الذرية ، كذبة المدرسة الثانوية. تم الاسترجاع من: cuentos-cuanticos.com