يبحث طلاب المراحل الدراسية المختلفة عن إجابات أسئلة مادة الكيمياء المتعلقة بمستويات الطاقة الثانوية والتوزيع الإلكتروني للعناصر، ومن بين هذه الأسئلة عبارة: «مستوى الطاقة الثانوي 4s أقل من طاقة المستوى الثانوي 3d»، والتي تتطلب فهم ترتيب مستويات الطاقة وكيفية توزيع الإلكترونات داخل الذرة.

لماذا تكون طاقة المستوى 4s أقل من المستوى 3d؟

تأتي الإجابة الصحيحة عن السؤال بأنها صواب، إذ تكون طاقة المستوى الثانوي 4s أقل من طاقة المستوى الثانوي 3d عند المقارنة بينهما في الذرات المتعادلة قبل امتلاء المدارات، ولذلك تشغل الإلكترونات المستوى 4s أولًا قبل الانتقال إلى المستوى 3d، وفقًا لمبدأ البناء التصاعدي.

يرجع ذلك إلى اختلاف قيم أعداد الكم للمستويين، إذ يعتمد ترتيب مستويات الطاقة الثانوية على قاعدة مجموع العدد الكمي الرئيسي (n) والعدد الكمي الثانوي (l)، المعروفة بقاعدة (n + l).

وبتطبيق هذه القاعدة على المستويين نجد أن:

• المستوى الثانوي 4s: قيمة n تساوي 4، وقيمة l تساوي صفرًا، وبالتالي يكون المجموع 4.

• المستوى الثانوي 3d: قيمة n تساوي 3، وقيمة l تساوي 2، وبالتالي يكون المجموع 5.

وبما أن مجموع (n + l) للمستوى 4s أقل من مجموع المستوى 3d، فإنه يكون أقل منه في الطاقة، وبالتالي يمتلئ بالإلكترونات أولًا.

ما المقصود بمبدأ البناء التصاعدي؟

يقصد بمبدأ البناء التصاعدي أن الإلكترونات تشغل المدارات ذات الطاقة الأقل أولًا، ثم تنتقل إلى المدارات الأعلى في الطاقة، وذلك عند كتابة التوزيع الإلكتروني للذرة في حالتها المستقرة.

ويساعد هذا المبدأ على تحديد الترتيب الصحيح لملء مستويات الطاقة الثانوية، ومن أمثلته أن المستوى 4s يمتلئ قبل المستوى 3d في التوزيع الإلكتروني للعناصر التي تبدأ فيها الإلكترونات بشغل مدارات المستوى d.

ما ترتيب امتلاء مستويات الطاقة الثانوية؟

يأتي ترتيب امتلاء المستويات الثانوية وفقًا لطاقتها، وليس وفقًا للرقم المكتوب أمام الحرف فقط، ومن أمثلة هذا الترتيب:

1s، 2s، 2p، 3s، 3p، 4s، 3d، 4p، 5s، 4d، 5p.

ويلاحظ من هذا الترتيب أن المستوى 4s يأتي قبل المستوى 3d، رغم أن العدد الرئيسي للمستوى 4s أكبر من العدد الرئيسي للمستوى 3d، وهو ما يوضح أن ترتيب الطاقة لا يعتمد على العدد الرئيسي وحده.

هل يظل المستوى 4s أقل طاقة من 3d دائما؟

من المهم الانتباه إلى أن ترتيب الطاقة بين المستويين 4s و3d قد يتغير مع امتلاء المدارات وتكوين الأيونات، لذلك لا ينبغي اعتبار أن المستوى 4s أقل طاقة من 3d في جميع الحالات.

فعند تكوين بعض الأيونات الانتقالية، تفقد الذرات إلكترونات المستوى 4s قبل إلكترونات المستوى 3d، وهو ما يرتبط بتغير طاقات المدارات بعد شغلها بالإلكترونات.