أفكار يجب أن تموت في تعليم الكيمياء: لغز المدارات الذرية
ألهمني كتاب “هذه الفكرة يجب أن تموت” بهذه السلسلة من المقالات وسنناقش اليوم لغز المدارات الذرية وفي هذا الكتاب يشرح 175 مفكر بارز مجموعة من الأفكار والنظريات والمفاهيم التي يعتقدرون أنها أصبحت غير مثمرة ويجب التخلي عنها. ومما لفت نظري أنه لم يشارك أي كيميائي في هذا الكتاب. افتقاد الكيمياء للمحتوى الفلسفي والتأملي العميق هو ما يدعم استمرارية الأفكار الخاطئة والمفاهيم المربكة التي تعيق التعمق في فهم الكيمياء.
قضيت كثيراً من الوقت في مهنتي أجتهد لتعزيز الجوانب الفلسفية في الكيمياء وقيمة الأخذ بالنظرة التأملية في تعليمها لذلك أجد نفسي مدفوعا لسد النقص في هذا الكتاب. سأناقش في هذه السلسة من المقالات ما أعتقد أنها أكثر خمس أفكار مربكة موجودة بين الأساتذة ومؤلفين الكتب الكيميائية تعيق الفهم الصحيح والعميق للكيمياء.
الفكرة الثالثة: لغز المدارات الذرية
الفكرة الثالثة في هذه السلسة ستكون حول تقديم دخول الإلكترونات للمدار الذري 4S، وكذلك تقديم خروجه منها في حالة التأين على المدار الذري 3d.
هذه الفكرة منتشرة بشكل واسع على الرغم من أنها تصوب من وقت لآخر في المنشورات العلمية لتعليم الكيمياء.
يدرك طلاب الكيمياء سريعاً التناقض الذي تتضمنه هذه الفكرة فتفضيل تعبئة المدار 4S بالإلكترونات، كان من المفترض أن يقتضي بتأخير خروج الإلكترونات منها في حال التأين.
1. النظرة الخاطئة
الامتلاء التدريجي للمدرارت الذرية -هي عكس عملية التأين- يحكمها استقرار وثبات الذرات.
- إذا افترضنا أنّ الكترونات المدار 3d تدخل الذرة بعد إلكترونات 4S.
يكون تفكير الطالب منطقياً إذا اعتقد أن الإلكترونات يجب أن:
- تخرج أولاً من مدار الـ 3d فيما لو أخذت طاقات التأين بعين الاعتبار.
ولكن قيم طاقات التأين للفلزات الانتقالية التي أظهرتها التجارب تثبت بوضوح:
- أن إلكترونات مدار الـ 4S أو nS بشكل عام تخرج أولاً.
يلجأ أساتذة ومؤلفوا الكتب الجامعية للتجاوب مع هذه المشكلة باستدعاء كل أنواع الحجج المتعارضة، التي تهدف لطمأنة الطالب، وجعله يعتقد أن حل هذا التناقض تفسره ميكانيكاً الكم وهذا يحتاج إلى مستوى من الفهم يعلو مستواهم الحالي.
أفكار يجب أن تموت في تعليم الكيمياء: المجموعة الثالثة
يوجد بعض الأسباب التي أدت إلى استمرارية بقاء هذه النظرة الخاطئة.
- السبب الأول هو أنّ مدار الـ 4S يُفضل بالفعل لدخول الإلكترونات في حالة ذرة البوتاسيوم والكالسيوم.
ولكن في حالة هاتين الذرتين فإنّ السؤال حول أسبقية إلكترونات المدار 4S ،و 3d بالدخول للمدارات أو الخروج منها في حالة التأين لايمكن طرحه.
ببساطة لأن مدار الـ 3d فارغ ولا يحتوي إلكترونات.
- ويبدو طبيعياً الافتراض أنّ البنية الإلكترونية لعنصر السكانديوم .
هي نفسها البنية الإلكترونية لعنصر الكالسيوم مضافاً لها إلكترون واحد وعليه يتوقع أن يدخل هذا الإلكترون لمدار الـ 3d ولكن هذا غير صحيح.
2. النظرة الصحيحة
يلزم في كل حالة أن نقدر الترتيب النسبي لطاقة مدارات الذرة التي تكون موضع البحث.
فحسب الترتيب النسبي لطاقة مدارات ذرة السكانديوم فإنّ:
- مدار الـ 3d يكون أقل في الطاقة من مدار الـ 4S وعليه فإن المدار 3d يُفضل لدخول الإلكترونات وهذا عكس ماهو موجود في 99% من الكتب الدراسية.
- حسب الترتيب الطاقي فإنّ مدار الـ 4S تدخله الإلكترونات بعد مدار 3d.
- وهذا يتوافق بشكل مثالي مع حقيقة تفضيل التأين من مدار الـ 4S فيما لو أخذنا بعين الاعتبار الترتيب العكسي للطاقة.
إذاً حدس الطلاب الأولي بإن تفضيل دخول الإلكترونات لمدار الـ 4S يناقض تفضيل التأين من هذا المدار حدساً صحيحاً.
أفكار يجب أن تموت في تعليم الكيمياء: البنية الإلكترونية الشاذّة للكروم
لكن تبقى مشكلة أخيرة بعد تأكيدنا أن مدار الـ 3d له طاقة أقل من مدار الـ 4S.
إذ كيف نعلل كون البنية الإلكترونية لعنصر السكانديوم هي (Ar] 3d1 4s2]) وليست Ar] 3d3].
للإجابة على هذا السؤال نقول أن احتلال آخر إلكترونين لمدار الـ 4S بدلاً من مدار الـ 3d يعود لكون الإلكترونات تعاني قوة تنافر أقل حيث يكون مسلكها أوسع وأكثر انتشاراً في مدار الـ 4S، ولهذا يكون هذا الترتيب أكثر استقراراً.
وبالرغم من هذا تظل الحقيقة أن مدار مدار الـ 3d تحتله الإلكترونات قبل مدار الـ 4S
بينما يفضل خروج الإلكترونات من مدار الـ 4S في حال التأين. وبشكل عام فإن الأدلة التجريبية الخاصة بالفلزات الانتقالية في كل السلاسل الثلاث تشير إلى أنّ احتلال الإلكترونات لمدارات الـ n-1)d) يسبق مدارات الـ n S وعند التأين يكون خروج الإلكترونات من مدار الـ 4S مُفضلاً.
المصدر:
Eric Scerri. The atomic orbital conundrum. Education in Chemistry. Retrieved September 26, 2017, from https://eic.rsc.org/opinion/five-ideas-in-chemical-education-that-must-die-part-three/2010034.article
