آرایش الکترونی فشرده – به زبان ساده + مثال

آرایش الکترونی اتم‌ها چه به صورت خنثی یا و چه یونی به ما این امکان را می‌دهد که انرژی و توزیع الکترون‌ها در اوربیتال‌ها را دریابیم و بتوانیم درک بهتری از توانایی پیوند، مغناطیس و سایر خواص شیمیایی آن داشته باشیم. نوشتن آرایش الکترونی اتم‌ها برای اتم‌هایی با عدد اتمی پایین کار ساده‌ای است اما هر چه اتم بزرگتر می‌شود الکترون‌های بیشتری خواهد داشت که اوربیتال‌های بیشتری را پر می‌کنند. در نتیجه نوشتن آرایش الکترونی تمام این اوربیتال‌ها زمان‌بر و مشکل خواهد بود. برای حل این مشکل از آرایش الکترونی فشرده استفاده می‌شود. در آرایش الکترونی فشرده با استفاده از نماد گاز نجیب از نوشتن بخشی از الکترون‌ها فاکتور می‌گیریم و آرایش الکترونی کوتاه‌تری می‌نویسیم. در این مطلب نحوه نوشتن آرایش الکترونی فشرده توضیح داده شده است اما قبل از آن کمی در رابطه با اصول کلی نوشتن آرایش الکترونی صحبت می‌کنیم.

آرایش الکترونی فشرده چیست ؟

نوشتن آرایش الکترونی اتم‌ها زمان لازم برای نوشتن آرایش الکترونی را کاهش می‌دهد و کار محققان را برای نوشتن آرایش الکترونی اتم‌های سنگین راحت می‌کند. در واقع برای نوشتن این مدل آرایش الکترونی از گاز نجیب ماقبل اتم استفاده می‌شود. می‌دانیم که اوربیتال لایه ظرفیت (اوربیتال لایه آخر) گازهای نجیب کاملا پر از الکترون است و جایی برای اضافه کردن الکترون ندارد. به همین خاطر از نماد این گاز نجیب به جای نوشتن بخشی از آرایش الکترونی عنصر مورد نظر استفاده می‌کنیم و مابقی آرایش الکترونی عنصر را در جلوی نماد گاز نجیب می‌نویسیم.

به عنوان مثال اگر بخواهیم آرایش الکترونی آلومینیم با عدد اتمی 13 را به طور کامل بنویسیم باید به شیوه زیر عمل کنیم.

$$1s^2 2s^22p^63s^23p^6$$

نوشتن این آرایش الکترونی برای 13 الکترون شاید کار راحتی باشد ولی برای عناصر سنگین با عدد اتمی بالا دشوار است. برای مثال اگر بخواهیم آرایش الکترونی کامل اتم ایتریوم با عدد اتمی 39 را بنویسیم باید 39 الکترون را به صورت زیر در اوربیتال‌ها قرار دهیم که کار مشکلی است.

$$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6 5s^2 4d^1$$

برای حل این مشکل می‌توانیم از بخشی از این اوربیتال‌ها فاکتور بگیریم. حفظ کردن آرایش الکترونی تمامی عنصر‌های جدول تناوبی کار دشواری است اما می‌توان نحوه آرایش اوربیتال‌های گازهای نجیب را حفظ کرد و از نماد آن به جای نوشتن کامل آرایش الکترونی استفاده کرد. برای مثال در خصوص عنصر ایتریوم، گاز نجیبی که می‌تواند بخشی از آرایش الکترونی آن را در بر بگیرد، گاز نجیب ماقبل آن یعنی کریپتون با عدد اتمی 36 است. آرایش الکترونی این گاز نجیب به صورت زیر نوشته می‌شود.

$$1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^{10} 4p^6$$

این آرایش الکترونی کریپتون در آرایش الکترونی ایتریوم نیز وجود دارد. می‌توان به جای آن نماد کریپتون یعنی [Kr] را استفاده کرد و سایر اوربیتال‌ها را در جلوی آن نوشت که نتیجه آن به صورت $$[Kr] 5s^2 4d^1$$ می‌شود. به این نوع نوشتن آرایش الکترونی، آرایش الکترونی فشرده گفته می‌شود که برای عناصر سنگین بسیار کارامد است.

چگونه آرایش الکترونی فشرده را بنویسیم ؟

برای نوشتن آرایش الکترونی فشرده مراحل زیر را انجام دهید.

برای راحت‌تر نوشتن آرایش الکترونی فشرده لازم است که آرایش الکترونی گاز نجیب قبل از آن عنصر را بدانیم به همین جهت آرایش الکترونی گازهای نجیب در جدول زیر نوشته شده‌اند.

آرایش الکترونی اتم چیست ؟

آرایش الکترونی اتم به ما کمک می‌کند نحوه قرار گرفتن الکترون‌ها در اوربیتال‌ها را متوجه شویم و میزان انرژی نسبی آن‌ها را دریابیم. برای درک بهتر اهمیت آرایش الکترونی به چند مثال بعد توجه کنید. آرایش الکترونی اتم هلیوم با عدد اتمی 2، به صورت زیر نوشته می‌شود.

$$1s^{2}$$

عدد 1 میزان تراز انرژی اصلی،‌ s زیرلایه اوربیتال و توان 2 تعداد الکترون‌های موجود در اوربیتال را نشان می‌دهد. بر اساس آرایش الکترونی اتم هلیوم متوجه می‌شویم که الکترون‌های آن در پایین‌ترین سطح انرژی قرار گرفته‌اند. همچنین زیرلایه اوربیتالی s کاملا از الکترون پر شده و دیگر جایی برای افزودن الکترون ندارد. اگر الکترونی به آن اضافه شود باید آن را در اوربیتال بعدی جای دهد. برای مثال آرایش الکترونی اتم لیتیوم با 3 الکترون به صورت زیر است.

$$1s^{2}2s^1$$

دو الکترون اتم لیتیوم اوربیتال اول s را پر می‌کنند و 1 الکترون باقی‌مانده زیرلایه s اوربیتال بعدی یعنی شماره 2 را پر می‌کند. اعداد کوانتومی که در نوشتن آرایش الکترونی اتم‌ها استفاده می‌شود و نحوه نوشتن آن در ادامه توضیح داده می‌شود.

عدد کوانتومی

مدل اتمی بور که قبلا در مجله فرادرس توضیح داده شده مدلی یک‌بعدی است که فقط یک عدد کوانتومی به نام n برای توصیف اندازه مدار الکترون می‌دهد. بعد از مدتی شرودینگر با ارائه مدلی سه‌بعدی مدل بور را کامل کرد. مدل شرودینگر سه عدد کوانتومی برای توصیف فضای سه‌بعدی که الکترون اشغال کرده به ما می‌دهد.

این اعداد از معادله موجی شرودینگر بدست آمده است که شامل:

1. عدد کوانتومی اصلی (n): عدد کوانتومی اصلی اندازه اوربیتال را نشان می‌دهد. اوربیتالی که n آن برابر با 2 است از اوربیتال با n برابر با یک بزرگ‌تر است. الکترون‌ها به دلیل بار مخالفی که با هسته اتم دارند در نزدیک آن قرار می گیرند. برای اینکه الکترون بتواند در لایه‌های اوربیتالی بالاتر قرار بگیرد باید انرژی بیشتری داشته باشد تا از هسته اتم فاصله بگیرد. بنابراین با افزایش n میزان انرژی اوربیتال نیز افزایش می‌یابد. الکترون‌هایی که n یکسانی دارند همگی در یک اوربیتال قرار گرفته‌اند.
2. عدد کوانتومی فرعی (l): شکل اوربیتال را نشان می‌دهد. اوربیتال‌‌ها شکل‌های متنوعی دارند. برای مثال اوربیتال با l برابر با 0 به صورت کروی و اوربیتال با l برابر با 1 به شکل دمبل است. شکل اوربیتال‌ها را با نمادهای d ،p ،s و ... نشان می‌دهند.
   در چهار نماد اول (d ،p ،s و f) الگویی وجود ندارد اما نمادهای بعد از g به ترتیب حروف الفبای انگلیسی هستند.

1. عدد کوانتومی مغناطیسی (m): جهت‌گیری اوربیتال در فضای سه‌بعدی را نشان می‌دهد. اگر به شکل اوربیتال‌ها در تصویر بالا دقت کنید اوربیتال s کروی است و تنها به یک شکل در فضای سه‌بعدی قرار می‌گیرد. اما اوربیتال‌های بعدی جهت‌گیری متفاوتی در فضا دارند. عدد کوانتومی مغناطیسی این جهت‌گیری را مشخص می‌کنند. این عدد بین l+ و l- است. یعنی اوربیتال s که l آن برابر با صفر است، m برابر با صفر دارد اما اوربیتال p با l برابر با 1 دارای اعداد کوانتومی مغناطیسی 1+، 0, 1- است.
   علاوه بر این سه عدد الکترون هم به صورت ساعت‌گرد (s=-1/2) و پادساعت‌گرد (s=+1/2) به دور خود می‌چرخد که آن را با عدد کوانتومی اسپینی یا $$m_{s}$$ مشخص می‌کنند.

انرژی اوربیتال‌ها

هر اوربیتال انرژی مخصوص به خود را دارد و با افزایش عدد کوانتومی (n) انرژی آن نیز افزایش می‌یابد. تصویر زیر سطوح مختلف انرژی اوربیتال‌های مختلف را با یکدیگر مقایسه می‌کند. همان‌طور که مشاهده می‌کنید اوربیتال 1s الکترون‌های دارای کمترین انرژی را در بر می‌گیرد و همان‌طور که به سمت اوربیتال‌های 2p، 2s و 3s پیش می‌رویم انرژی الکترون‌های موجود در آن بالاتر می‌رود.

با این حال این الگو در تمامی اوربیتال‌ها صدق نمی‌کند و استثناهایی نیز وجود دارد. برای مثال اوربیتال 3d دیرتر از اوربیتال 4s از الکترون پر می‌شود و انرژی بیشتری دارد. این موارد استثنا در سایر نقاط نیز وجود دارد که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

آرایش الکترونی اتم‌ها چگونه نوشته می‌شود ؟

آرایش الکترونی اتم‌ها روشی استاندارد برای نشان دادن میزان انرژی لایه و زیرلایه اشغال شده توسط الکترون است. قبل از اینکه نحوه نوشتن آرایش الکترونی اتم‌ها را توضیح دهیم باید بدانیم که اوربیتال‌هایی که عدد کوانتومی اصلی یکسانی دارند یک لایه را تشکیل می‌دهند که آن را با عدد کوانتومی اصلی نشان می‌دهیم. زیرلایه‌های موجود در این اوربیتال نیز ممکن است اشکال مختلفی داشته باشند که آن را با عدد کوانتومی فرعی نشان می‌دهیم.

برای مثال 2p زیر لایه دمبلی لایه اصلی دوم را نشان می‌دهد. تعداد زیرلایه‌های موجود در یک لایه با عدد کوانتومی اصلی مرتبط است یعنی لایه n برابر با 1 تنها یک زیرلایه دارد که شامل s می‌شود ولی لایه n برابر با 4، چهار زیرلایه d ،p ،s و f را می‌تواند داشته باشد. با دانستن این موضوع می‌توانیم آرایش الکترونی اتم‌ها را رسم کنیم.

برای نوشتن آرایش الکترونی به صورت زیر عمل می‌کنیم.

• ابتدا باید تعداد الکترون‌های موجود در اتم را بدست آوریم. اگر اتم ما بار نداشته باشد تعداد الکترون‌های آن برابر با تعداد پروتون یا همان عدداتمی است.
• سپس طبق اصل آفبا الکترون‌ها را به ترتیب در زیرلایه‌هایی با کمترین انرژی قرار می‌دهیم. برای مثال اتم هیدروژن عدداتمی برابر با 1 دارد که تعداد پروتون‌های آن را نشان می‌دهد. چون اتم هیدروژن خنثی است و باری ندارد، تعداد الکترون برابر با پروتون است یعنی یک الکترون داریم. این الکترون در زیرلایه‌ای با کمترین انرژی یعنی زیرلایه s لایه اول قرار می‌گیرد و آرایش الکترونی آن به صورت زیر نوشته می‌شود.

بعد از اتم هیدروژن، اتم هلیوم با عدد اتمی 2 را در جدول تناوبی داریم. این اتم 2 الکترون دارد. طبق اصل طرد پائولی هیچ دو الکترونی نمی‌توانند اعداد کوانتومی یکسانی داشته باشند. به همین جهت این دو الکترون در زیرلایه اول (s) در لایه اول (n=1) قرار می‌گیرند اما اسپین متفاوتی خواهند داشت.

بعد از اتم هلیوم به اتم لیتیوم در جدول تناوبی می‌رسیم که عدد اتمی 3 دارد. دو الکترون از اتم هلیوم مشابه اتم هلیوم در زیرلایه اول لایه اول قرار می‌گیرند. اما n=1 تنها یک زیرلایه (s) دارد که توسط دو الکترون با اسپین مخالف پر شده است. زیرلایه s عدد کوانتومی مغناطیسی 0 تنها برای دو الکترون جای دارد. به همین جهت یک الکترون باقیمانده، زیرلایه اول (s) لایه دوم (n=2) را پر خواهد کرد که آرایش الکترونی آن به صورت زیر خواهد بود.

بعد از اتم لیتیوم به برلیم با عدد اتمی 4 می‌رسیم. 2 الکترون اول آن زیرلایه اول لایه اول را پر می‌کنند و دو الکترون دوم آن زیرلایه اول (s) لایه دوم (n=2) را پر خواهند کرد که آرایش آن به صورت زیر است. در این حالت نیز اصل طرد پائولی رعایت شده است و اعداد کوانتومی آن‌ها حداقل در یک عدد تفاوت دارند.

• اعداد کوانتومی الکترون اول: عدد کوانتومی اصلی برابر با 1 (n=1)، عدد کوانتومی فرعی برابر با 0 که یعنی اوربیتال s، عدد کوانتومی مغناطیسی 0 با اسپین 1/2+.
• اعداد کوانتومی الکترون دوم: عدد کوانتومی اصلی برابر با 1 (n=1)، عدد کوانتومی فرعی برابر با 0 که یعنی اوربیتال s، عدد کوانتومی مغناطیسی 0 با اسپین 1/2-.
• اعداد کوانتومی الکترون سوم: عدد کوانتومی اصلی برابر با 2 (n=2)، عدد کوانتومی فرعی برابر با 0 که یعنی اوربیتال s، عدد کوانتومی مغناطیسی 0 با اسپین 1/2+.
• اعداد کوانتومی الکترون سوم: عدد کوانتومی اصلی برابر با 2 (n=2)، عدد کوانتومی فرعی برابر با 0 که یعنی اوربیتال s، عدد کوانتومی مغناطیسی 0 با اسپین 1/2-.

اتم بعدی بور است که عدد اتمی 5 دارد. آرایش الکترونی 4 الکترون آن مانند برلیم است اما برای الکترون پنجم جایی در اوربیتال s وجود ندارد. این بار چون در لایه دوم هستیم می‌توانیم 2 زیرلایه داشته باشیم. زیرلایه دوم در لایه دوم اوربیتال p است و الکترون با اسپین مثبت در آن قرار می‌گیرد. عدد کوانتومی مغناطیسی در اوربیتال p برابر با 1+،‌ 0 و 1- است که الکترون می‌تواند در یکی از آن‌ها قرار بگیرد. آرایش الکترونی اتم بور به صورت زیر نوشته می‌شود.

عنصر بعدی کربن با عدداتمی ۶ است که 6 الکترون دارد. 4 الکترون آن اوربیتال‌های 1s و 2s را پر می‌کند ولی برای جای دادن دو الکترون بعدی در اوربیتال 2p باید از قانون هاند استفاده کنیم. طبق این قانون برای اینکه اتم در پایدارترین حالت خود باشد، الکترون‌ها ابتدا به صورت جفت نشده در اوربیتال قرار می‌گیرند بعد یکی یکی جفت می‌شوند. همچنین این الکترون‌های جفت نشده باید اسپین یکسان داشته باشند.

به همین جهت آرایش الکترونی اتم کربن به صورت زیر نوشته می شود.

استفاده از جدول تناوبی عناصر برای نوشتن آرایش الکترونی اتم ها

همانطور که در مطالب قبلی مجله فرادرس توضیح داده شد، جدول تناوبی، اتم‌ها را بر اساس افزایش عدد اتمی مرتب می‌کند تا عناصر با خواص شیمیایی یکسان به صورت دوره‌ای تکرار شوند. هنگامی که آرایش الکترونی فشرده اتم‌ها به جدول اضافه شود، آرایش اتمی مشابهی در لایه خارجی اتم‌های موجود در یک گروه یا ستون خواهیم دید. از آنجایی که الکترون‌های لایه ظرفیت در لایه بیرونی اتم قرار گرفته‌اند، نقش مهمی در واکنش‌های شیمیایی ایفا می‌کنند. الکترون‌های لایه ظرفیت بیش‌ترین انرژی را در میان الکترون‌های اتم دارند و راحت‌تر از الکترون‌های دیگر به اشتراک گذاشته می‌شوند. این الکترون‌ها همچنین عامل تعیین کننده در برخی از ویژگی‌های فیزیکی عناصر هستند.

از این ویژگی جدول تناوبی عناطر می‌توان استفاده کرد و آرایش الکترونی اتم‌ها را بر اساس نوشت. جدول تناوبی را از نظر آرایش اتم‌ها می‌توان به سه گروه زیر طبقه‌بندی کرد.

برای نوشتن آرایش الکترونی فشرده از روی جدول تناوبی عناصر از عدد کوانتومی اصلی موجود در هر ردیف استفاده می‌کنیم. می‌دانیم که لایه ظرفیت گاز نجیب ماقبل اتم مورد نظر کاملا از الکترون پر شده است. نام گاز نجیب را می‌نویسیم و در جلوی آن با توجه به این که چند عنصر از گاز نجیب به جلوتر آمده‌ایم الکترون‌های لایه ظرفیت را پر می‌کنیم.

استثناهای آرایش الکترونی اتم‌ها

در برخی موارد، حالت پایه برای قرار گرفتن الکترون‌ها در اوربیتال با قانون آفبا هم‌خوانی ندارد. به طور کلی وقتی اوربیتال‌ها به طور کامل یا نصفه پر باشند، اتم پایداری بیشتری دارد. برای مثال اتم کروم 24 الکترون دارد که آرایش 18 الکترون آن مانند گاز نجیب آرگون است.

آرایش الکترونی گاز نجیب آرگون: $$1s^{2}2s^2 2p^6 3s^2 3p^6$$

6 الکترون دیگر باقی می‌ماند که باید در اوربیتال‌ها جای بگیرند. طبق اصل آفبا، بعد از پر شدن اوربیتال 3p اوربیتال 4s و پس از آن اوربیتال 3d پر می‌شود. در مورد اتم کروم اگر اوربیتال 4s با دو الکترون پر شود 4 الکترون بعدی باید در اوربیتال 3d قرار بگیرند که شکل زیر حاصل می‌شود.

اما برای اینکه اتم پایدارتر شود ترجیح می‌دهد که اوربیتال 3d خود را نصفه پر کند. یعنی 5 الکترون در آن قرار دهد و یک الکترون را در اوربیتال 4s بگذارد. در این صورت آرایش الکترونی زیر حاصل می‌شود که پایداری بیشتری نسبت به حالت نشان داده شده در تصویر بالا دارد.

مثال بعدی اتم مس است که 29 الکترون دارد. آرایش 18 الکترون از 29 الکترون این اتم نیز مانند گاز نجیب آرگون است. اگر بر اساس قانون آفبا آرایش الکترونی 11 اتم باقی‌مانده را رسم کنیم دو الکترون در اوربیتال 4s و 9 الکترون در اوربیتال ۳d قرار می‌گیرد. اتم ترجیح می‌دهد برای پایداری بیشتر اوربیتال‌های خود را نصفه یا به طور کامل پر کند.

بر همین اساس یک الکترون از اوربیتال 4s وارد اوربیتال 3d می‌شود و اوربیتال 3d به طور کامل پر می‌شود. از طرفی اوربیتال 4s هم نصفه باقی می‌ماند که باز هم به پایداری اتم کمک می‌کند. آرایش الکترونی فشرده سایر اتم‌هایی که آرایش الکترونی استثنا دارند در جدول زیر گردآوری شده‌اند.

آرایش الکترونی فشرده در یون ها

وقتی اتمی الکترون از دست می‌دهد و یا بدست می‌آورد تبدیل به یون می‌شود. در صورت از دست دادن الکترون بار مثبت می‌گیرد مه به آن کاتیون می‌گویند و در صورت بدست اوردن الکترون بار منفی می‌گیرد که به آن آنیون می‌گویند. اتم‌های گروه 1 و 2 و عناصر غیرفلزی الکترون‌های خود را از دست می‌دهند یا به دست می‌آورند تا به آرایش الکترونی گازهای نجیب برسند. یعنی آرایش الکترون‌های لایه ظرفیت آن‌ها به $$ns^{2}np^{6}$$ تبدیل شود.

عناصر گروه 1 یک الکترون و عناصر گروه 2 جدول تناوبی دو الکترون از دست می‌دهند تا به آرایش الکترونی گاز نجیب ماقبل خود برسند. برای مثال اتم خنثی سدیم برای رسیدن به ساختار گاز نجیب نئون باید یک الکترونی که در اوربیتال 3s خود دارد از دست بدهد (تصویر زیر).

عناصر غیرفلزی گروه 15 تا 17 نیز الکترون بدست می‌آورند تا به ساختار گاز نجیب بعد از خود برسند. برای مثال فسفر در لایه ظرفیت خود 2 الکترون در اوربیتال 3s و 3 اوربیتال در اوربیتال 3p دارد. برای اینکه به ساختار گاز نجیب بعد از خود برسد 3 الکترون دریافت می‌کند و آرایش الکترونی زیر حاصل می‌شود.

آرایش الکترونی یون‌های فلزات واسطه الزاما به گاز نجیب بعد یا قبل از خود تبدیل نمی‌شود و بسته به باری که دارند می‌توان آرایش الکترونی ان‌ها را بدست آورد. معمولا وقتی فلزات واسطه یونیزه می‌شوند ابتدا الکترون‌های اوربیتال s لایه ظرفیت خود را از دست می‌دهند. برای مثال عنصر اسکاندیم وقتی سه الکترون لایه ظرفیت خود را از دست می‌دهد، آرایش الکترونی آن به شکل زیر تبدیل می‌شود.

مثالی دیگر از این فلزات،‌ یون کروم است. این یون 3 الکترون از دست می‌دهد. الکترون اول از اوربیتال 4s و دو الکترون دیگر از اوربیتال 3d گرفته می‌شود. آرایش الکترونی فشرده یون کروم به صورت زیر است.

جمع‌بندی

آرایش الکترونی اتم‌ها انژی و جهت‌گیری الکترون‌ها در اوربیتال را به ما نشان می‌دهند اما نوشتن آن برای عناصری با عدد اتمی بالا مشکل است. به همین جهت از آرایش الکترونی فشرده استفاده می‌شود. در این روش به جای بخشی از آرایش الکترونی از نماد گاز نجیب ماقبل عنصر استفاده می‌شود و سایر الکترون‌های باقی‌مانده در جلوی نماد نوشته می‌شود.