مبدأ أوفباو: ترتيب ملء المستويات الفرعية وخطوات التوزيع الإلكتروني

الخلاصة السريعة

مبدأ أوفباو، أو البناء التصاعدي، يبني التوزيع الإلكتروني بدءًا من المستوى الفرعي الأقل طاقة المتاح، مع مراعاة قيود شغل المدارات. ^[1]

• قاعدة n+l تساعد على ترتيب الملء؛ وعند تعادل المجموع يقدم n الأصغر في القاعدة التقريبية. ^[2]
• في التسلسل المعتاد: 3p ثم 4s ثم 3d ثم 4p، وليس ترتيبًا بحسب n وحده. ^[2]
• البوتاسيوم المتعادل: [Ar] 4s¹؛ مجموع الإلكترونات 18 + 1 = 19. ^[1]
• الحديد يفقد إلكترونات 4s أولًا عند تكوين Fe²⁺، فيكون [Ar] 3d⁶. ^[3]
• توجد استثناءات للترتيب المبسط؛ النحاس عدده الذري 29، لا 24. ^[1][4]

كيف تستعمل قاعدة n+l؟

في الرموز 3p و 4s و 3d، يدل الرقم على n، وتكون قيم l للأنواع s و p و d هي 0 و 1 و 2. نجمع العددين، ثم نرجع إلى n عند التعادل. ^[2]

للمقارنة بين 3p و 4s، نحسب 3 + 1 = 4 و 4 + 0 = 4. تعادل المجموع، فيقدم 3p لأن 3 أصغر من 4. وللمقارنة التالية يعطي 3d المجموع 3 + 2 = 5، بينما يبقى مجموع 4s مساويًا 4.

ثم نقارن 3d و 4p: كلاهما يعطي 5، لكن n في 3d يساوي 3، وفي 4p يساوي 4؛ فيقدم 3d في القاعدة. بذلك نحصل على تسلسل منطقي بدل حفظ أرقام متفرقة بلا معيار.

الأعداد 4 و 5 هنا مجاميع لأعداد كمية، وليست قيم طاقة بالجول أو الإلكترون فولت. ترتيب الصناديق في الرسم يشرح نتيجة المقارنة، ولا يمثل سلمًا كميًا للطاقة.

خطوات عملية: عدّ ثم املأ ثم راجع

لذرة بوتاسيوم متعادلة نحتاج 19 إلكترونًا. تملأ البنية الداخلية حتى الأرجون 18، ويذهب الإلكترون التالي إلى 4s: [Ar] 4s¹. ^[1]

يمكن متابعة الجرد كاملًا: 1s² ثم 2s² ثم 2p⁶ ثم 3s² ثم 3p⁶ ثم 4s¹. المجموع 2 + 2 + 6 + 2 + 6 + 1 = 19. إذا وجدت 20 فقد أضفت إلكترونًا زائدًا، وإذا وجدت 18 فالإلكترون الأخير ناقص.

وفي الحديد المتعادل يكتب التوزيع المختصر [Ar] 3d⁶ 4s². ^[3] الجرد هو 18 + 6 + 2 = 26. كتابة 3d قبل 4s في هذا السطر لا تغير عدد الإلكترونات ولا تعني بالضرورة سرد خطوات الملء زمنيًا.

يفصل الرسم ثلاثة أمور: عدد نريده، وتسلسل نستخدمه، ومجموع نراجعه. أما توزيع الإلكترونات داخل مدارات متساوية الطاقة وتفاصيل باولي وهوند فموضوع له قواعد إضافية، ولا يعوض عنه ترتيب المستويات وحده.

لماذا لا نعكس ترتيب الملء عند صنع الأيون؟

عند تكوين Fe²⁺ من الحديد المتعادل تزال إلكترونا 4s؛ فيبقى [Ar] 3d⁶. وعند Fe³⁺ يصبح [Ar] 3d⁵. ^[3] العد يعطي 24 و 23 إلكترونًا على الترتيب، مع بقاء عدد البروتونات 26.

لو حذفنا إلكترونين من 3d بدل 4s لمجرد أن 3d جاء لاحقًا في قائمة الملء، حصلنا على [Ar] 3d⁴ 4s². مجموع ذلك أيضًا 24، لكن صحة المجموع لا تجعل التوزيع صحيحًا لهذا الأيون.

هذه نقطة مراجعة مهمة: الجرد يختبر العدد، ولا يكفي وحده لاختبار ترتيب الشغل. نحتاج القاعدة المناسبة للحالة التي نصفها: ذرة متعادلة في المثال أم أيون بعد فقد إلكترونات.

أما استثناءات مثل النحاس فتمنع التعامل مع تسلسل الملء كقانون بلا استثناء. ^[1] نعتمد التوزيع المثبت للعنصر عند الحاجة إلى حالة بعينها؛ ولا نستنبط كل توزيع استثنائي من عبارة «نصف ممتلئ» أو «ممتلئ» وحدها.

للقراءة المتصلة بهذا الموضوع: استثناءات مبدأ أوفباو: الكروم والنحاس وحد تفسير الامتلاء.