أفكار يجب أن تموت في تعليم الكيمياء: البنية الإلكترونية الشاذّة للكروم

ألهمني كتاب “هذه الفكرة يجب أن تموت” بهذه السلسلة من المقالات 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، وسوف نتحدث اليوم عن البنية الإلكترونية الشاذّة للكروم.

الفكرة الرابعة: البنية الإلكترونية الشاذّة للكروم

تقدم البنية الالكترونية للكروم عادةً كالتالي:

(Cr: [Ar] 3d⁵ 4s¹)

يدعي العديد من مؤلفوا الكتب الكيميائية:

• أن هذا الترتيب يبرره الاستقرار أو الثبات الذي يميّز المدرارت النصف ممتلئة.

وحيث أنه لايوجد في جوهر المدارات أو المدارات الفرعية النصف ممتلئة سبباً يبررالثباتية المدّعاة لها.

• فأرى أن هذه مجرد فكرة غرضية بلا إثبات ويجب التخلي عنها.

ولنتسائل لماذا امتلاك المدارات النصف ممتلئة يمنح ثباتية أو استقرار أكثر وماهوالتعليل الفيزيائي الذي يبرر هذا الإدعاء؟ في الواقع هذا الادعاء هو مجرد خرافة تبناها العديد من أساتذة الكيمياء وليس لها أي تبرير كما هو الحال مع فكرة الرقم الهيدروجيني 7 التي ناقشناها في المقال الأول من هذه السلسة. يوجد فكرة متضمنة بأن امتلاك المدارات الفرعية النصف ممتلئة بطريقة أو بأخرى يكون شرطا كافياً وضرورياً للذرة لتظهر بنية إلكترونية شاذة.

كشف الخرافة البنية الإلكترونية الشاذّة للكروم

يمكن كشف زيف وخطأ هذه الفكرة المتضمنة بأن امتلاك المدارات النصف ممتلئة ضروريا، وكافياً للذرة لتُبدي بنية إلكترونية شاذّة بالإجابة على السؤاليين التاليين:

• في تتبعنا للمدارات الخارجية النصف ممتلئة من نوع (nS¹)  هل وجود المدرارات الفرعية النصف ممتلئة يقود إلى البنية الشاذة؟.
• الإجابة بالطبع ستكون بالنفي لأن ذرات مثل المنجنيز و التكنيشيوم تمتلك مدارات نصف ممتلئة من نوع d،

ولكنها لا تمتلك مدارات خارجية نصف ممتلئة من نوع (nS¹).

ولنعكس السؤال:

هل امتلاك بنية إلكترونية شاذة دائمًا يكون مصحوبًا بامتلاك مدرارت فرعية نصف ممتلئة؟.

• الإجابة مرة أخرى ستكون بالنفي حيث يوجد العديد من الذرات خصوصا في السلسلة الثانية من العناصر الانتقالية تظهر شذوذها بامتلاك مدارات خارجية نصف ممتلئة من نوع nS¹)).

ولكنها لاتملك مدارات نصف ممتلئة من نوع (4d). هذه الذرات هي النيوبيوم والروثينيوم و الروديوم والتي تمتلك بنية إلكترونية كالتالي:

(Nb: [Kr] 4d⁴ 5s¹), (Ru: [Kr] 4d⁷ 5s¹),  (Rh: [Kr] 4d⁸ 5s¹)

إذاً لاوجود لأي رابط بين هذين الاتجاهين فامتلاك المدرارت الفرعية النصف ممتلئة ليس ضرورياً ولا كافياً لإظهار البنية الشاذة.

ضجّة لا مبرر لها

كل هذا الجدل كان نتيجة صدفة توافق البنية الإلكترونية الشاذة لذرتي الكروم والمولبيديوم.

• (حيث تُظهِر ذرتي الكروم والمولبيديوم كل من مدار ال إس وال دي نصف ممتلئاً) من بين 11 ذرة تُظهِر بنية إلكترونية شاذة في مجموعة العناصر الانتقالية d-block.

لماذا إذاً يستمر أساتذة الكيمياء بهذا الجدل والضجّة غير المبررة حول استقرار وثباتية المدار النصف ممتلئ في هذا السياق.

يظل الطلاب بحاجة لتفسير البنية الإلكترونية الشاذّة في ذرات مثل الكروم. أرى أن الخيار بين توزيعين كالتالي :

• Ar] 3d⁵4s¹]
• Ar] 3d⁴4s²]

بما أن التوزيع الأول هو الملاحظ إذاً هو التوزيع الأكثر ثباتًا، والأفضل القول  بأن الخيار الثاني أقل ثباتًا بسبب التنافر الإضافي.

الذي ينتجه تواجد إلكترونين في مدار ال 4S . وبالتالي بدلاً من الإشارة للفكرة الزائفة حول الثباتية المميزة للمدارات الفرعية النصف ممتلئة، نكون أكثر دقة بالقول أن البنية الإلكترونية الملاحظة ظهرت لأن الخيار الآخر مثّل ترتيبًا اقل ثباتًا للإلكترونات.

القارئ النبيه سيلاحظ التناقض الواضح بين ماقلناه هنا وماتمت الإشارة إليه في مقالنا السابق حول ذرة السكانديوم التي تفضل وجود إلكترونين في مدار ال 4S من أجل بلوغ حالة ثبات أكبر، ولكن كل ذرة يجب أن تُبحث تحت ظروفها الخاصة.

• وجود الاختلاف يؤكد حقيقة أن أي قوانين عامة وبسيطة تتعلق بتقريرالبنية الإلكترونية للذرات كثيرًا ماتكسر.

يوجين شوارتز كتب كثيرًا في أعماله عن سؤال مداري ال 4S- 3d ويمكن للقارئ أن يجد فيها شرحًا وافيًا، حول أسباب تفضيل البنية الإلكترونية S¹  في كثير من الحالات  على البنية النموذجية S².

الكاتب هو إيريك شيري مؤلف ومحاضر كيميائي في جامعة كاليفورنيا, لوس أنجلوس.

المصادر

Chromium’s anomalous configuration, Education in chemistry. Retrieved October 15, 2017, from https://eic.rsc.org/opinion/five-ideas-in-chemical-education-that-must-die-part-four/2010033.article

W H E Schwarz et al,  Eur. J.2006, 12, 4101 (DOI: 10.1002/chem.200500945) (see figure 8 and accompanying text)