أفكار يجب أن تموت في تعليم الكيمياء لغز المدارات الذرية

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.
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 ال 3d فيما لو أخذت طاقات التأين بعين الاعتبار. ولكن قيم طاقات التأين للفلزات الانتقالية التي أظهرتها التجارب تثبت بوضوح أن إلكترونات مدار ال 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.
يوجد بعض الأسباب التي أدت إلى استمرارية بقاء هذه النظرة الخاطئة. السبب الأول هو أنّ مدار ال 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 ال 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 ال 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 ال 3d يكون أقل في الطاقة من مدار ال 4S وعليه فإن المدار 3d يُفضل لدخول الإلكترونات وهذا عكس ماهو موجود في 99% من الكتب الدراسية. حسب الترتيب الطاقي فإنّ مدار ال 4S تدخله الإلكترونات بعد مدار 3d وهذا يتوافق بشكل مثالي مع حقيقة تفضيل التأين من مدار ال 4S فيما لو أخذنا بعين الاعتبار الترتيب العكسي للطاقة. إذاً حدس الطلاب الأولي بإن تفضيل دخول الإلكترونات لمدار ال 4S يناقض تفضيل التأين من هذا المدار حدساً صحيحاً.
لكن تبقى مشكلة أخيرة بعد تأكيدنا أن مدار ال 3d له طاقة أقل من مدار ال 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 ال 4S بدلاً من مدار ال 3d يعود لكون الإلكترونات تعاني قوة تنافر أقل حيث يكون مسلكها أوسع وأكثر انتشاراً في مدار ال 4S، ولهذا يكون هذا الترتيب أكثر استقراراً. وبالرغم من هذا تظل الحقيقة أن مدار مدار ال 3d تحتله الإلكترونات قبل مدار ال 4S بينما يُفضل خروج الإلكترونات من مدار ال 4S في حال التأين. وبشكل عام فإنّ الأدلة التجريبية الخاصة بالفلزات الانتقالية في كل السلاسل الثلاث تشير إلى أنّ احتلال الإلكترونات لمدارات ال n-1)d) يسبق مدارات ال n S وعند التأين يكون خروج الإلكترونات من مدار ال 4S مُفضلاً.