ما هي الاستثناءات لمبدأ أوفباو؟
يمثل مبدأ أوفباو الأسلوب الذي يتم من خلاله توزيع الإلكترونات على مستويات الطاقة الفرعية، حيث تُملأ المستويات ذات الطاقة الأقل أولًا، ثم تُستكمل المستويات الأعلى طاقة. وفقًا لهذا المبدأ، يتم تعبئة المستوى الفرعي s أولًا، يتبعه المستوى الفرعي p، ثم المستوى الفرعي d، وأخيرًا المستوى الفرعي f. ومع ذلك، يحدث توزيع الإلكترونات بشكل مختلف في بعض العناصر، مثل المعادن الانتقالية واللانثانيدات والأكتنيدات.
المعادن الانتقالية
تمتد الاستثناءات المتعلقة بمبدأ أوفباو إلى 10 عناصر من المعادن الانتقالية، كما هو موضح في الجدول أدناه:
| التوزيع الفعلي للإلكترونات | توزيع الإلكترونات وفقًا لمبدأ أوفباو | العدد الذري | الرمز | العنصر |
| [Ar] 4s^1 3d^5 | [Ar] 4s^2 3d^4 | 24 | Cr | الكروم |
| [Ar] 4s^1 3d^10 | [Ar] 4s^2 3d^9 | 29 | Cu | النحاس |
| [Kr] 5s^1 4d^4 | [Kr] 5s^2 4d^3 | 41 | Nb | النيوبيوم |
| [Kr] 5s^1 4d^5 | [Kr] 5s^2 4d^4 | 42 | Mo | الموليبدنوم |
| [Kr] 5s^1 4d^7 | [Kr] 5s^2 4d^6 | 44 | Ru | الروثينيوم |
| [Kr] 5s^1 4d^8 | [Kr] 5s^2 4d^7 | 45 | Rh | الروديوم |
| [Kr] 4d^10 | [Kr] 5s^2 4d^8 | 46 | Pd | البالاديوم |
| [Kr] 5s^1 4d^10 | [Kr] 5s^2 4d^9 | 47 | Ag | الفضة |
| [Xe] 6s^1 4f^14 5d^9 | [Xe] 6s^2 4f^14 5d^8 | 78 | Pt | البلاتين |
| [Xe] 6s^1 4f^14 5d^10 | [Xe] 6s^2 4f^14 5d^9 | 79 | Au | الذهب |
يتضح من الجدول أن التوزيع الفعلي للإلكترونات يختلف عن المتوقع بموجب مبدأ أوفباو؛ إذ يحصل المستوى d على إلكترون إضافي من المستوى s في معظم العناصر، باستثناء عنصر البالاديوم حيث يستقبل المدار d إلكترونين من المستوى الفرعي s.
اللانثانيدات والأكتنيدات
تتضمن الاستثناءات أيضًا 10 عناصر من اللانثانيدات والأكتنيدات، كما هو مبين في الجدول التالي:
| التوزيع الفعلي للإلكترونات | توزيع الإلكترونات وفقًا لمبدأ أوفباو | العدد الذري | الرمز | العنصر |
| [Xe] 6s^2 5d^1 | [Xe] 6s^2 4f^1 | 57 | La | اللانثانوم |
| [Xe] 6s^2 4f^1 5d^1 | [Xe] 6s^2 4f^2 | 58 | Ce | السيريوم |
| [Xe] 6s^2 4f^7 5d^1 | [Xe] 6s^2 4f^8 | 64 | Gd | الغادولينيوم |
| [Rn] 7s^2 6d^1 | [Rn] 7s^2 5f^1 | 89 | Ac | الأكتينيوم |
| [Rn] 7s^2 6d^2 | [Rn] 7s^2 5f^2 | 90 | Th | الثوريوم |
| [Rn] 7s^2 5f^2 6d^1 | [Rn] 7s^2 5f^3 | 91 | Pa | البروتكتينيوم |
| [Rn] 7s^2 5f^3 6d^1 | [Rn] 7s^2 5f^4 | 92 | U | اليورانيوم |
| [Rn] 7s^2 5f^4 6d^1 | [Rn] 7s^2 5f^5 | 93 | Np | النبتونيوم |
| [Rn] 7s^2 5f^7 6d^1 | [Rn] 7s^2 5f^8 | 96 | Cm | الكوريوم |
| [Rn] 7s^2 5f^14 7p^1 | [Rn] 7s^2 5f^14 6d^1 | 103 | Lr | اللورنسيوم |
تشير البيانات إلى أن المستوى d يحصل على إلكترون واحد من المدار f في العناصر المذكورة، باستثناء الثوريوم واللورنسيوم؛ حيث يحصل 6d في الثوريوم على إلكترونين من 5f، بينما يظهر المدار 7p بدلًا من 6d في اللورنسيوم.
أسباب وجود الاستثناءات لمبدأ أوفباو
تستند الاستثناءات إلى حقيقة أن المستويات الفرعية الممتلئة أو نصف الممتلئة تتمتع باستقرار أكبر مقارنة بالمستويات الممتلئة جزئيًا. لذلك، تنتقل الإلكترونات إلى مستويات أعلى طاقة لإكمالها أو لتحقيق حالة نصف الامتلاء، مما يقودها إلى مخالفة مبدأ أوفباو من أجل تحقيق استقرار الذرة.
محددات مبدأ أوفباو
يمتلك مبدأ أوفباو مجموعة من المحددات التي تشمل:
- عدم القدرة على التنبؤ بعدد الإلكترونات التي يجب إزالتها عند تكوين أيون من الذرة.
- على سبيل المثال، في عنصر الكروم الذي عدد ذري 34، يفترض أن يكون التكوين الإلكتروني: 3d4 5s2، ولكن التجارب أثبتت أن التوزيع الحقيقي هو: 3d5 4s1، حتى وإن كان المستوى (n-1) d أعلى طاقة من المستوى ns.
- المستوى 4f قريب جدًا من المستوى 5d في الفترة السادسة؛ حيث كان من المتوقع أن ينتقل الإلكترون الأخير إلى 4f في اللانثانوم ذو العدد الذري 57، ولكنه فعليًا يضاف إلى 5d، ليكون التكوين: 4d10 5s3 5p6 5d1 6s3. بينما في العدد الذري 58 ينضم الإلكترون الأخير إلى 4f، ويتم نقل الإلكترون السابق في 5d إلى 4f، مما يؤدي إلى التكوين: 4d10 5s2 5d6 4f2 5d0 6s2.
- في عنصر الزركونيوم ذو العدد 40، يكون الترتيب: 5s2 4d2، أما في النبتونيوم ذو العدد 41 يكون الترتيب: 5s2 4d3؛ وذلك بسبب استقرار النواة في حالة نصف الامتلاء. كما تساهم قوى الإلكترون في النواة المعقدة في تحديد تسلسل التكوين الإلكتروني.
- يعتبر تكوين العنصر البالاديوم ذو العدد 46 الحالة الوحيدة التي تحدث فيها استثنائية بحصوله على إلكترونين في موقع غير مناسب، حيث يكون التكوين: 5s0 4d10، بينما التكوين المتوقع هو: 5s2 4d8.
