ذرة الهيدروجين التركيب الإلكتروني ومستويات الطاقة

التركيب الإلكتروني لذرة الهيدروجين

يشكل الهيدروجين ما نسبته 75% من كتلة الكون المادية، وهي أصغر ذرة موجود في الكون، فهي تتكون فقط من إلكترون واحدة وبروتون واحد، وفيما يلي عدة خصائص لذرة الهيدروجين:^[١]

• تتفاعل ذرات الهيدروجين بشدة لدرجة أنها تتحد مع جميع العناصر تقريبًا، بل أنه من الصعب جدًا أن تجد ذرات الهيدروجين الأحادية لوحدها في الطبيعة.
• يشيع وجود الهيدروجين في مركبات كيميائية مع عناصر أخرى.
• تعد رابطة H - H واحدة من أقوى الروابط في الكيمياء.

وقد كان نيلز بور أول من وضع نموذج لذرة الهيدروجين فيما يعرف باسم نظرية بور لذرة الهيدروجين بعد تحليل ترددات طيف ذرة الهيدروجين وبعد وضع عدة فرضيات، لكنها ليست جميعها صحيحة وقد خضعت للكثير من التعديل على مر الوقت.

تعرف ذرة الهيدروجين على أنها أصغر ذرة في الكون، ومع ذلك فهي أكثر مادة وفرة في الكون المادي، والجدير بالذكر أن ذرة الهيدروجين قابلة للتفاعل مع أي من العناصر الأخرى.

مستويات الطاقة لذرة الهيدروجين

تحيط بالنواة إلكترونات لها طاقة محددة، وحسب الطاقة هذه تتوزع الإلكترونات في دوائر أو مدارات تتسع كلما ابتعدت عن النواة، وهذه الدوائر تسمى مستويات الطاقة، ويتسع كل مستوى لعدد محدد من الإلكترونات، ولا يمكن للإلكترونات أن تقفز من مستوى طاقة إلى آخر بدون أن تكسب طاقة، أما بالنسبة لمستويات الطاقة ذرة الهيدروجين؛ فتحتوي ذرة الهيدروجين على إلكترون واحد فقط يوجد في أول مدار بالقرب من النواة، ويمكن إن ينتقل لمستويات الطاقة الأعلى إن امتص طاقة، وإذا كان الإلكترون في مستوى الطاقة الأول، فيجب أن يحتوي بالضبط على -13.6 إلكترون فولت من الطاقة، أما إذا كان في مستوى الطاقة الثاني، فيجب أن يحتوي على -3.4 فولت من الطاقة، أي أن الطاقة تزيد كلما ابتعد الإلكترون عن النواة.^[٢]

تختلف مستويات الطاقة لذرة الهيدروجين تبعًا لمكان وجود الإلكترون الأخير في المدارات المختلفة للذرة، وتزداد هذه الطاقة كلما ابتعد الإلكترون عن النواة.  

خطوات حساب طاقة التأين لذرة الهيدروجين

هذه هي خطوات حساب طاقة التأين (الطاقة اللازمة لنزع الكترون واحد من الذرة) لذرة الهيدروجين:^[٣]

• حساب الطول الموجي للإلكترون المنتقل من مداره للمدار اللانهائي من خلال قانون،1 / λe = ر × ( 1 / ن1² - 1/ ن2²)؛ علمًا بأن ر= ثابت ريدبرج، و(ن) هي أرقام المدارات.
• حساب التردد الإلكترون، من خلال قانون ت = س / λ، علمًا بأن س = سرعة الضوء.
• حساب طاقة التأين، من خلال قانون، ط = ثابت بلانك × ت.

يمكن حساب طاقة تأين ذرة الهيدروجين باستخدام قانون بلانك بعد معرفة تردد الإلكترون من طوله الموجي بواسطة معادلة ريدبرج.

مثال على حساب طاقة التأين لذرة الهيدروجين

فيما يلي مثال على حساب طاقة تأين لذرة الهيدروجين في المستوى الأول:^[٣]

قانون طاقة التأين هو الطاقة = ثابت بلانك × التردد وبالرموز ط = h × ت

خطوات حساب طاقة التأين لذرة الهيدروجين:

• حساب الطول الموجي مع العلم بأن ثابت ريدبرج يساوي 1.097 × ⁷10 م^-1

ن1 = 1، وهو الرقم الكمي الرئيسي للمدار الأقل في الطاقة.

ن2 = ∞، وهو الرقم الكمي الرئيسي للمدار الأعلى في الطاقة.

• القانون 1 / λe = ر × ( 1 / ن1² - 1/ ن2²)

قيمة 1/ ن2² تؤول للصفر لأن ن2 تساوي ∞

قيمة 1 / ن1² تساوي 1 لأن ن1 تساوي 1

يصبح القانون بعد التعويض 1 / λe = 1.097 × 710 م-1

• يقلب الطرفان

λe =

      1 / 1.097× 710 م  

أي ان الطول الموجي = 9.116 × 10^-8

• حساب التردد

ت = س / λ

سرعة الضوء في الفراغ تساوي 3 × ⁸ 10 م/ث

بالتعويض؛ ت = 3 × ⁸ 10 م/ث / 9.116 × 10^-8

التردد = 3.2191 × 10¹⁵ ث^-1

• حساب الطاقة علمًا بان ثابت بلانك يساوي 6.626 × 10^-34 جول. ثانية

طاقة = ثابت بلانك × التردد

ط = ثابت بلانك × ت

ط = 6.626 × 10^-34 جول. ثانية × 3.2191 × 10¹⁵ ث^-1

طاقة التأين لذرة الهيدروجين = 2.181 × 10^-18 جول.

هذا يعني أنه من أجل إزالة الإلكترون من مدار المستوى الأول لذرة الهيدروجين في الحالة الغازية وتحويله إلى أيون الهيدروجين، تحتاج إلى توفير2.181 × 10^-18جول من الطاقة.

المراجع

1. ↑ "Description of the Hydrogen Atom", Lumen, Retrieved 18/6/2021. Edited.
2. ↑ "Energy Levels of Electrons", Sloan Digital Sky Survey, Retrieved 18/6/2021. Edited.
3. ^ ^{أ ب} Stefan V (19/6/2017), " How do you calculate the ionization energy of a hydrogen atom in its ground state? ", Socratic, Retrieved 19/6/2021. Edited.