درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل اول: آرایش الکترونی اتم
رفتار و ویژگیهای هر اتم را میتوان از روی آرایش الکترونی آن توضیح داد؛ بنابراین یافتن آرایش درست الکترونها در هر اتم از اهمیت بسیاری برخوردار است. مطابق مدل کوانتومی برای به دست آوردن آرایش الکترونی اتمها باید الکترونهای اتم هر عنصر در زیرلایهها با نظم و ترتیب معینی توزیع شود.
هنگام پرشدن اتم از الکترون، نخست زیرلایۀ $1s$ و سپس زیرلایه های $2s$ و $2p$ از الکترون پر میشود؛ با این توصیف باید در اتم عنصرهای دورۀ سوم زیرلایههای $3s$، $3p$ و $3d$ پرشود. از این رو انتظار میرود که این دوره شامل 18 عنصر باشد؛ اما دورۀ سوم دارای 8 عنصر است. در واقع در این اتمها تنها دو زیرلایۀ $3s$ و $3p$ در حال پرشدن است و زیرلایۀ $3d$ در دورۀ بعد شروع به پر شدن میکند. این روند نشان میدهد که پر شدن زیرلایهها تنها به عدد کوانتومی اصلی ($n$) وابسته نیست بلکه از یک قاعدۀ کلی به نام قاعدۀ آفبا پیروی میکند.
قاعدۀ آفبا ترتیب پرشدن زیرلایهها را در اتمهای گوناگون نشان میدهد. مطابق این قاعده، هنگام افزودن الکترون به زیرلایهها، نخست زیرلایههای نزدیکتر به هسته پر میشود که دارای انرژی کمتری است و سپس زیر لایههای بالاتر پر خواهد شد (شکل 23).
بر این اساس، آرایش الکترونی اتم بریلیم ($Z=4$)، اتم سدیم ($Z=11$)، اتم فسفر ($Z=15$)، اتم کلسیم ($Z=20$) و اتم تیتانیم ($Z=22$) به صورت زیر خواهد بود:
$_{4}Be:1{{s}^{2}}2{{s}^{2}}$
$_{11}Na:1{{s}^{2}}2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}3{{s}^{1}}$
$_{15}p:1{{s}^{2}}2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}3{{s}^{2}}3{{p}^{3}}$
$_{20}Ca:1{{s}^{2}}2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}4{{s}^{2}}$
$_{22}Ti:1{{s}^{2}}2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}3{{d}^{2}}4{{s}^{2}}$
خود را بیازمایید (صفحهٔ 32 کتاب درسی)
1- آرایش الکترونی اتمهای داده شده را در جدول زیر بنویسید.
| نماد شیمیایی عنصر | آرایش الکترونی |
|---|---|
| $_{8}O$ | $1{{s}^{2}}/2{{s}^{2}}2{{p}^{4}}$ |
| $_{18}Ar$ | $1{{s}^{2}}/2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}$ |
| $_{20}Ca$ | $1{{s}^{2}}/2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}/4{{s}^{2}}$ |
| $_{33}As$ | $1{{s}^{2}}/2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}/4{{s}^{2}}3{{d}^{10}}4{{p}^{3}}$ |
| $_{34}Se$ | $1{{s}^{2}}/2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}/4{{s}^{2}}3{{d}^{10}}4{{p}^{4}}$ |
2- دادههای طیفسنجی نشان میدهد که آرایش الکترونی برخی اتمها از قاعدۀ آفبا پیروی نمیکند؛ برای نمونه هر یک از اتمهای کروم و مس در بیرونیترین زیر لایۀ خود تنها یک الکترون دارد. آرایش الکترونی این دو اتم را رسم کنید.
$_{24}Cr:1{{s}^{2}}/2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}/4{{s}^{1}}3{{d}^{4}}$
$_{29}Cu:1{{s}^{2}}/2{{s}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{s}^{2}}3{{p}^{6}}/4{{s}^{1}}3{{d}^{10}}$
آرایش الکترونی اتمها را به شیوۀ دیگری نیز میتوان نوشت که آرایش الکترونی فشرده خوانده میشود؛ برای نمونه آرایش الکترونی فشرده برای اتم سدیم به صورت زیر خواهد بود:
$_{11}Na:[Ne]3{{s}^{1}}$
همان گونه که مشاهده میشود در این آرایش الکترونی از نماد گاز نجیب استفاده شده است. برای دستیابی به آرایش فشرده، نخست آرایش اتم موردنظر به صورت گسترده نوشته میشود؛ سپس بخشی از آرایش الکترونی، که همانند آرایش الکترونی یک گاز نجیب است با عبارت [نماد شیمیایی گاز نجیب] جایگزین میشود.
اهمیت آرایش الکترونی فشرده به دلیل نمایش آرایش الکترونها در بیرونیترین لایه به نام لایۀ ظرفیت اتم است. لایۀ ظرفیت یک اتم، لایهای است که الکترونهای آن، رفتار شیمیایی اتم را تعیین میکنند. به الکترونهای این لایه، الکترونهای ظرفیت اتم میگویند (شکل 24).
خود را بیازمایید (صفحهٔ 33 کتاب درسی)
1- آ) با مراجعه به جدول دورهای عنصرها، جدول زیر را کامل کنید.
| نماد عنصر | $_{3}Li$ | $_{8}O$ | $_{10}Ne$ | $_{14}Si$ | $_{20}Ca$ | $_{27}Co$ | $_{35}Br$ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| شمارۀ گروه | 1 | 16 | 18 | 14 | 2 | 9 | 17 |
| شمارۀ دوره | 2 | 2 | 2 | 3 | 4 | 4 | 4 |
ب) جدول زیر را کامل کنید.
| نماد عنصر | آرایش الکترونی فشرده | شماره بیرونیترین لایه | شمار الکترونهای ظرفیت |
|---|---|---|---|
| $_{3}Li$ | $[He] 2s^{1}$ | $n=2$ | 1 |
| $_{8}O$ | $[He] 2s^{2}2p^{4}$ | $n=2$ | 6 |
| $_{10}Ne$ | $[He] 2s^{2}2p^{6}$ | $n=2$ | 8 |
| $_{14}Si$ | $[Ne] 3s^{2}3p^{2}$ | $n=3$ | 4 |
| $_{20}Ca$ | $[Ar] 4s^{2}$ | $n=4$ | 2 |
| $_{27}Co$ | $[Ar] 4s^{2}3d^{7}$ | $n=3,4$ | 9 |
| $_{35}Br$ | $[Ar] 4s^{2}3d^{10}4p^{5}$ | $n=4$ | 7 |
پ) از روی آرایش الکترونی اتم هر عنصر میتوان موقعیت آن را در جدول تعیین کرد، برای این منظور:
- شمارۀ بیرونیترین لایه را با شمارۀ دوره این عنصرها مقایسه کنید. از این مقایسه چه نتیجهای میگیرید؟
شماره دوره همان شماره لایه ظرفیت است. عناصری که آرایش الکترونی آنها به ($3d$) ختم میشود در دورهی چهارم جای دارند.
- شمارۀ گروه کدام عنصرها با تعداد الکترونهای ظرفیت آنها برابر است؟ $_{3}Li$ ، $_{20}Cu$ ، $_{27}Co$
- شمارۀ گروه کدام عنصرها با تعداد الکترونهای ظرفیت آنها برابر نیست؟ در این حالت بین شمارۀ گروه و تعداد الکترونهای ظرفیت چه رابطهای هست؟ توضیح دهید.
عناصری که زیر لایه (s و d) آنها در حال پر شدن است شمارهی گروه با تعداد الکترونهای ظرفیتی آنها برابر است
عناصری که زیر لایه (p) آنها در حال پر شدن میباشد با اضافه کردن عدد 10 بر تعداد الکترونهای ظرفیتی میتوان به شمارهی گروه این عناصر پی برد.
- برای عنصرهای دستۀ d، شمارۀ دوره و گروه را چگونه میتوان از روی آرایش الکترونی به دست آورد؟ توضیح دهید.
عناصر دستهی (d) دارای شمارهی دوره ($n+1$) هستند. برای مثال اگر آرایش الکترونی زیر لایه به $3d^7$ ختم شود، دوره آن عبارت است از (4=1+3) و برای به دست آوردن شماره گروه میتوان تعداد الکترون ظرفیت را منظور کرد (به جز عناصر کروم و مس که دارای آرایش الکترونی استثناء بوده و به ترتیب در گروههای 6 و 11 جدول تناوبی جای دارند.
2- موقعیت عنصرهای کربن (${}_6C$)، آلومینیم (${}_{13}Al$)، (${}_{26}Fe$) آهن (${}_{30}Zn$) را در جدول دوره ای عنصرها تعیین کنید.
کربن ($_{6}C$): دوره 2، گروه: 14=10+4 $\left\lfloor He \right\rfloor 2{{s}^{2}}2{{p}^{2}}$
آلومینیم ($_{B}Al$): دوره 3، گروه: 13=10+3 $\left\lfloor Ne \right\rfloor 3{{s}^{2}}3{{p}^{1}}$
آهن ($_{26}Fe$): دوره 4، گروه: 8=6+2 $\left\lfloor Fe \right\rfloor 1{{s}^{2}}/2{{S}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{S}^{2}}3{{p}^{6}}/4{{S}^{2}}3{{p}^{6}}$
روی ($_{30}Zn$): دوره 4، گروه: 12=10+2 $\left\lfloor Zn \right\rfloor 1{{s}^{2}}/2{{S}^{2}}2{{p}^{6}}/3{{S}^{2}}3{{p}^{6}}/4{{S}^{2}}3{{d}^{10}}$
3- عنصرهای جدول دورهای را میتوان در چهار دسته به صورت زیر جای داد:
اساس این دسته بندی را توضیح دهید.
عناصر جدول تناوبی در چهار دستهی s, p , d , f قرار میگیرند. طبق اصل آفبا، بر اساس آرایش الکترونی لایه ظرفیت و بیرونیترین زیرلایه، اتمها را در دوره و گروههای مشخص طبقه بندی میکنند. عناصری که در هر گروه از جدول قرار دارند دارای آرایش الکترونی لایه ظرفیت مشابهی هستند.