آرایش الکترونی عناصر؛ تعیین دوره، گروه و الکترون‌های ظرفیتی

از عدد اتمی به تعداد الکترون برس

عدد اتمی Z برابر تعداد پروتون‌های هسته است. در یک اتم خنثی، تعداد الکترون‌ها نیز با Z برابر است؛ برای مثال سدیم با عدد اتمی ۱۱، یازده الکترون دارد. در یون‌ها باید بار را هم در نظر بگیریم: تشکیل کاتیون با ازدست‌دادن الکترون و تشکیل آنیون با گرفتن الکترون همراه است.

برای نمونه یون Na⁺ یک الکترون کمتر از اتم سدیم دارد و در نتیجه ۱۰ الکترون خواهد داشت. یون Cl⁻ با عدد اتمی ۱۷، یک الکترون گرفته و ۱۸ الکترون دارد. بار هسته هنگام یون‌شدن تغییر نمی‌کند؛ تغییر تعداد پروتون‌ها به معنی ساخته‌شدن عنصری دیگر است، نه یک یون از همان عنصر.

• اتم خنثی: تعداد الکترون = عدد اتمی
• کاتیون: الکترون از دست داده است
• آنیون: الکترون گرفته است
• برای یون با بار x+، مقدار x را از Z کم کن
• برای یون با بار x−، مقدار x را به Z اضافه کن

ظرفیت لایه و زیرلایه را بشناس

هر لایه اصلی می‌تواند یک یا چند زیرلایه داشته باشد. در سطح دبیرستان زیرلایه‌های s، p، d و f را می‌شناسیم که به‌ترتیب حداکثر ۲، ۶، ۱۰ و ۱۴ الکترون می‌پذیرند. عدد پیش از حرف، شماره لایه اصلی و توان نوشته‌شده در سمت راست، تعداد الکترون‌های همان زیرلایه را نشان می‌دهد؛ پس 3p⁵ یعنی پنج الکترون در زیرلایه p از لایه سوم.

هر اوربیتال حداکثر دو الکترون می‌گیرد. زیرلایه s یک، p سه، d پنج و f هفت اوربیتال دارد و ظرفیت‌های ۲، ۶، ۱۰ و ۱۴ از همین شمارش به دست می‌آیند. مجموع توان‌های یک آرایش کامل باید با تعداد کل الکترون‌های اتم یا یون برابر باشد؛ این ساده‌ترین کنترل عددی پاسخ است.

• s: یک اوربیتال و حداکثر ۲ الکترون
• p: سه اوربیتال و حداکثر ۶ الکترون
• d: پنج اوربیتال و حداکثر ۱۰ الکترون
• f: هفت اوربیتال و حداکثر ۱۴ الکترون

زیرلایه‌ها را با ترتیب انرژی پر کن

در حالت پایه، الکترون‌ها ابتدا اوربیتال‌های کم‌انرژی‌تر را پر می‌کنند. ترتیب مورد نیاز برای بسیاری از عناصر دبیرستانی چنین آغاز می‌شود: 1s، سپس 2s، 2p، 3s، 3p، 4s و بعد 3d. بنابراین شماره لایه به‌تنهایی ترتیب پرشدن را تعیین نمی‌کند؛ زیرلایه 4s پیش از 3d پر می‌شود.

اصل طرد پائولی می‌گوید هر اوربیتال حداکثر دو الکترون با اسپین مخالف دارد. طبق قاعده هوند نیز در اوربیتال‌های هم‌انرژی یک زیرلایه، الکترون‌ها ابتدا به صورت تک‌تک و با اسپین موازی قرار می‌گیرند و سپس جفت می‌شوند. به همین دلیل برای 2p³ سه اوربیتال p هرکدام یک الکترون دارند، نه اینکه دو الکترون در یک اوربیتال جفت شوند و اوربیتال دیگری خالی بماند.

• ابتدا تراز کم‌انرژی‌تر را پر کن
• در هر اوربیتال بیش از دو الکترون قرار نده
• اوربیتال‌های هم‌انرژی را پیش از جفت‌کردن، تک‌تک پر کن
• در پایان مجموع توان‌ها را با تعداد الکترون تطبیق بده

آرایش کامل و فشرده را درست بنویس

آرایش کامل همه زیرلایه‌های پرشده را از ابتدا نشان می‌دهد. برای کلر با Z = 17 می‌نویسیم 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵؛ مجموع توان‌ها ۱۷ است. در آرایش فشرده، بخش متناظر با گاز نجیب پیشین را داخل کروشه می‌گذاریم، پس آرایش کلر به صورت [Ne] 3s² 3p⁵ کوتاه می‌شود.

گاز نجیب انتخابی باید پیش از عنصر مورد نظر قرار داشته باشد. استفاده از گاز نجیب بعدی تعداد الکترون‌ها را بیشتر از مقدار واقعی می‌کند. آرایش فشرده فقط شکل کوتاه همان آرایش کامل است و نباید زیرلایه‌های پس از هسته گاز نجیب را حذف یا جابه‌جا کرد.

دوره و گروه عناصر اصلی را از آرایش پیدا کن

بزرگ‌ترین شماره لایه‌ای که در آرایش اتم خنثی اشغال شده است، شماره دوره را نشان می‌دهد. در آرایش کلر، بزرگ‌ترین عدد اصلی ۳ است؛ پس کلر در دوره سوم قرار دارد. برای عناصر اصلی بلوک‌های s و p، مجموع الکترون‌های زیرلایه‌های s و p در بیرونی‌ترین لایه، تعداد الکترون‌های ظرفیتی را می‌دهد.

آرایش پایانی ns¹ و ns² به‌ترتیب به گروه‌های ۱ و ۲ مربوط است. برای آرایش‌های ns²np¹ تا ns²np⁶، عنصر به‌ترتیب در گروه‌های ۱۳ تا ۱۸ قرار می‌گیرد. کلر با 3s²3p⁵ هفت الکترون ظرفیتی دارد و در گروه ۱۷ است. هلیم با آرایش 1s² استثنای ظاهری این الگوست: با وجود دو الکترون، به دلیل لایه ظرفیت کامل در گروه ۱۸ جای دارد.

• بزرگ‌ترین n اشغال‌شده: شماره دوره
• برای عنصر اصلی، الکترون‌های ns و np لایه بیرونی را جمع کن
• ns¹ و ns²: گروه‌های ۱ و ۲
• ns²np¹ تا ns²np⁶: گروه‌های ۱۳ تا ۱۸
• این میان‌بر گروه برای عناصر واسطه به همین شکل به کار نمی‌رود

آرایش یون‌های ساده را با ترتیب درست بساز

برای یون‌های عناصر اصلی، ابتدا آرایش اتم خنثی را بنویس و سپس به تعداد بار، الکترون اضافه یا کم کن. منیزیم با Z = 12 آرایش 1s² 2s² 2p⁶ 3s² دارد؛ یون Mg²⁺ دو الکترون 3s را از دست می‌دهد و آرایش آن 1s² 2s² 2p⁶ یا [Ne] می‌شود.

در عناصر واسطه یک نکته مهم وجود دارد: با آنکه 4s پیش از 3d پر می‌شود، هنگام تشکیل کاتیون معمولاً الکترون‌های لایه با n بزرگ‌تر زودتر جدا می‌شوند. برای نمونه آهن خنثی [Ar] 4s² 3d⁶ نوشته می‌شود و در Fe²⁺ دو الکترون 4s حذف می‌شوند تا [Ar] 3d⁶ به دست آید. پس ترتیب پرشدن را با ترتیب جداشدن الکترون در کاتیون‌های واسطه یکی ندان.

مثال حل‌شده: جایگاه عنصر با عدد اتمی ۱۶

عنصر با Z = 16 در حالت خنثی ۱۶ الکترون دارد. با رعایت ترتیب انرژی می‌نویسیم 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. مجموع توان‌ها ۲ + ۲ + ۶ + ۲ + ۴ = ۱۶ است، پس شمارش الکترون‌ها درست انجام شده است. شکل فشرده این آرایش [Ne] 3s² 3p⁴ خواهد بود.

بزرگ‌ترین شماره لایه ۳ است، بنابراین عنصر در دوره سوم قرار دارد. در لایه بیرونی، دو الکترون در 3s و چهار الکترون در 3p داریم؛ مجموع آن‌ها ۶ الکترون ظرفیتی است. الگوی ns²np⁴ نشان می‌دهد عنصر اصلی در گروه ۱۶ قرار دارد. این عنصر گوگرد است و برای رسیدن به آرایش پایدارتر می‌تواند در مدل یونی ساده دو الکترون بگیرد و S²⁻ با آرایش [Ar] بسازد.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: برای عنصر با عدد اتمی ۲۰، آرایش الکترونی کامل و فشرده، دوره، گروه و آرایش یون پایدار رایج را تعیین کن. پاسخ: آرایش اتم کلسیم 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² یا [Ar] 4s² است. بزرگ‌ترین n برابر ۴، پس دوره چهارم است؛ پایان ns² آن را در گروه ۲ قرار می‌دهد و دو الکترون ظرفیتی دارد.

کلسیم با ازدست‌دادن دو الکترون 4s به Ca²⁺ با آرایش [Ar] تبدیل می‌شود. برای کنترل هر تمرین، تعداد الکترون را از عدد اتمی و بار پیدا کن، زیرلایه‌ها را به ترتیب انرژی پر کن، مجموع توان‌ها را بسنج و فقط پس از آن دوره و گروه را بخوان.

• بار یون را پیش از نوشتن آرایش وارد شمارش کن
• ظرفیت هر زیرلایه را بیشتر از حد مجاز ننویس
• 4s در اتم خنثی پیش از 3d پر می‌شود
• در کاتیون واسطه، الکترون لایه بیرونی‌تر زودتر جدا می‌شود
• دوره و گروه را از آرایش اتم خنثی تعیین کن، نه از آرایش یون