تمثيل الالكترونات بمخططات مستويات الطاقة

كل ما يوجد من حولنا من أشياءٍ ملموسةٍ في هذا الكون تتكون من ذرات، وإنّ الذرة نفسها تتكون من ثلاث أنواعٍ من الجزيئات التي تدعى الجزيئات دون الذرية وهي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات؛ حيث تحمل البروتونات والنيوترونات شحنةً كهربائيةً موجبةً وتتوضع في مركز الذرة وتشكل ما يسمى نواة الذرة، أما الإلكترونات فتحمل شحنةً كهربائيةً سالبةً وتتحرك وفق مستويات طاقةٍ محددةٍ حول النواة، وسنتعرف في هذا المقال على الإلكترون ومستويات الطاقة وكيفية تمثيل الالكترونات بمخططات مستويات الطاقة هذه.

الإلكترون هو جسيمٌ يوجد داخل الذرة، ويمتلك شحنةً كهربائيةً سالبةً مقدارها (1.602*10^-19 كولوم) وكتلته صغيرةٌ جدًا مقارنةً بكتلة البروتون أو النيوترون وهي تساوي (9.10938*10^-31 kg)، وهو حوالي 1/1836 من كتلة البروتون، ويرمز للإلكترون بالرمز e، ويوجد جسيم مضاد للإلكترون يدعى البوزيترون ويرمز له +e، وعندما يصطدم إلكترون مع بوزيترون يموت الجسيمين وتنطلق أشعة غاما.

مستويات الطاقة هي مسافاتٌ ثابتةٌ عن نواة الذرة تتوضع عليها الإلكترونات حيث تحمل الإلكترونات شحنة سالبة والنواة تكون ذات شحنةٍ موجبةٍ مما يجذب الإلكترونات للنواة بمستويات محددة، وذلك حسب طاقة الإلكترون تدعى هذه المستويات بمستويات الطاقة وهي تشبه إلى حد ما خطوات الدرج؛ حيث يمكنك الوقوف على خطوةٍ أو أخرى ولكن لا يمكنك الوقوف بين الخطوات ونفس المبدأ ينطبق على الإلكترونات؛ حيث يمكن للإلكترون أن يشغل مستوى طاقة واحدًا أو آخر ولكن لا يمكنه أن يتوضع في المسافة بين مستويات الطاقة.

يمكن لمستوى الطاقة الأول أن يحمل إلكترونين بينما يمكن لمستوى الطاقة الثاني أن يحمل 8 إلكترونات، وكذلك مستوى الطاقة الثالث يمكن أن يحمل 8 إلكترونات وتوضح الصورة التالية مستويات الطاقة الأربعة الأولى للذرة؛ حيث الإلكترونات في مستوي الطاقة الأول (k) تملك أقل كميةً من الطاقة وهكذا كلما ابتعدت الإلكترونات عن النواة تكون ذات طاقةٍ أكبر وتزيد طاقتها بمقدارٍ ثابتٍ، يمكن للإلكترون الانتقال من مستوى طاقة إلى مستوى طاقةٍ أعلى وذلك بامتصاص كميةٍ من الطاقة، وأيضًا يمكن للإلكترون الانتقال من مستوى طاقةٍ أعلى إلى مستوى طاقةٍ أدنى وذلك بالتخلي عن كميةٍ من طاقته.

عند دراسة التفاعلات الكيميائية والروابط يلجأ الكيميائيون إلى استخدام رسم تخطيطي لمستويات الطاقة لتمثيل الإلكترونات؛ إذ إنّ هذه الطريقة تعد أسهل من استخدام الأرقام الكمومية في النموذج الميكانيكي الكمومي. ويقوم الكيميائيون بتسجيل تكوين الإلكترون لتمثيل أي مستوي طاقة والمدار الذي يشغله الإلكترون في أي ذرةٍ معينةٍ حيث تُستخدم هذه المعلومات في الأغراض التالية:

يوضح الرسم البياني التالي مخططات مستويات الطاقة وهي فارغةٌ والتي يمكن استخدامها من أجل تمثيل الالكترونات في مستويات الطاقة لأي ذرةٍ.

يتم تمثيل المدارات الثانوية بإشارة (-) ويمكن وضع إلكترونين كحدٍ أقصى فيها، نلاحظ أن المدار رقم 1s هو الأقرب إلى النواة فهو يملك أقل كمية طاقة وهو المدار الوحيد الذي يوجد في مستوى الطاقة الأول. في مستوي الطاقة الثاني توجد المدارات s وp حيث يمتلك المدار 2p طاقة أكبر من المدار 2s لذلك يوجد لديه ثلاث إشارات (-). نرى أيضًا المستويات 3 و4 و5، ونلاحظ أن المدار 4s يملك طاقة أكبر من 3d وهو استثناء تمت ملاحظته في الطبيعة.

يجب تذكر شيئين أساسيين عند استخدام مخطط مستوى الطاقة هما:

بفرض أننا نريد رسم مخطط مستوي الطاقة لذرة الأوكسجين، من الجدول الدوري نجد أن العدد الذري للأوكسجين هو 8 أي أن الأكسجين لديه 8 بروتونات في النواة و8 إلكترونات.

يتم تمثيل الالكترونات بمخططات مستويات الطاقة على شكل أسهمٍ، وإذا وجد إلكترونان في نفس المدار فإن سهمًا واحدًا يتجه للأعلى بينما يُوجَّه السهم الآخر إلى الأسفل، ففي ذرة الأوكسجين يملأ الإلكترون الأول أدنى مستوى طاقة وهو 1s ويقترن معه الإلكترون الثاني والإلكترونان الثالث والرابع يشغلان مدار الطاقة الأدنى الثاني وهو 2s، أما الإلكترون الخامس يشغل أحد المدارات الفرعية للمدار 2p ولا يهم أي واحدٍ منها؛ لأن جميعها تمتلك نفس الطاقة في حين أن الإلكترونين السادس والسابع يشغلان المدارين الفرعيين الباقيين للمدار 2p، ويبقى الإلكترون الثامن الذي يقترن مع أحد الإلكترونات في المدار 2p.

وفيما يلي الرسم التخطيطي للمستويات الطاقية لذرّة الأكسجين: