🔬 شكل 1 – التوزيع الإلكتروني وحالات التأكسد للسلسلة 3d

• التفاصيل العلمية والملاحظات الدقيقة المأخوذة من الرسم التوضيحي:

4 ترتب مستويات الطاقة الفرعية تصاعديًا

• | تبعًا للطاقة» كالتالى :

ا 55 > م4 > 30 > 45 > م3 > 35 > م2 > 25 > 15

4 وحيث أن ذرات الغازات الخاملة تتميز

| باكتمال جميع مستويات الطاقة فيها

بالإلكترونات فإنه يمكن التعبير عن التوزيع

| الإلكترونى للعناصر تبًا لأقرب غاز خامل

• | يسبقها فى الجدول الدورى الحديث.

4 الجدول التالى يوضح الغازات الخاملة

‎١‏ ومستوى الطاقة الفرعى؟ الذى يلى

🔬 شكل 2 – منحنى طاقة التنشيط والنشاط الحفزي

• التفاصيل العلمية والملاحظات الدقيقة المأخوذة من الرسم التوضيحي:

[ ؟إ عنصر القانديوم (لاي,) 110 020د/

1. 4 يستخدم القانديوم فى صناعة زنبركات السيارات, لأن
2. | تتميز بقساوتها العالية وقدرتها الكبيرة على مقاومة التآكل.

أهم مركباته

1. خامس أكسيد القانديوم (و1’70) الذى يستخدم ك :
2. 4 صبغ فى صناعة السيراميك والزجاج.
3. 1 عامل حفاز فى صناعة المغناطيسات فائقة التوصيل.
4. |)» عامل حفاز فى تحضير حمض الكبريتيك بطريقة التلامس.
5. 4 عامل حفاز فى تحضير حمض البنزويك.

ا –

• ★ كتاب الشرح والتفصيل العلمي الشامل المعتمد 2026 / 2027 ★
• كتاب الشرح المفصل عناصر السلسلة الانتقالية الأولى والأهمية الاقتصادية
• الصف الثالث الثانوي | الباب الأول – العناصر الانتقالية | المنهج المصري الحديث 2026/2027
• 🎯 أهداف التعلم ومخرجات الفهم الوزارية المقررة 2026/2027:
• • تحديد التوزيع الإلكتروني الدقيق لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى (3d) من السكانديوم (Sc 21) إلى الخارصين (Zn 30).
• • تفسير شذوذ التوزيع الإلكتروني للكروم (Cr 24) والنحاس (Cu 29) بناءً على الاستقرار الطاقي للأفلاك نصف الممتلئة والتامة الامتلاء.
• • استنتاج حالات التأكسد الشائعة والقصوى لكل عنصر وربطها بخروج إلكترونات المستويين 4s و 3d بالتتابع.
• • المقارنة الدقيقة بين الخواص المغناطيسية (البارامغناطيسية والدايامغناطيسية) وحساب العزم المغناطيسي بناءً على عدد الإلكترونات المفردة.

• • تفسير النشاط الحفزي والألوان المميزة لأيونات العناصر الانتقالية بدلالة الطاقة الممتصة والمتممة وتأثير الليجاندات.
• • حفظ الأهمية الاقتصادية والصناعية الحيوية لكل عنصر وسبائكه ومركباته في قطاعات التعدين، الطب، الطيران، وتوليد الطاقة.

• تتوزع عناصر السلسلة الانتقالية الأولى في الدورة الرابعة من الجدول الدوري، وتبدأ بالسكانديوم (Sc 21) وتنتهي بالخارصين (Zn 30).
• عند دراسة التوزيع الإلكتروني، يلاحظ أن المستوى الفرعي 4s يمتلئ قبل 3d وفق مبدأ البناء التصاعدي لأن 4s أقل في الطاقة (n+l = 4+0 = 4) بينما 3d أعلى في الطاقة (n+l = 3+2 = 5).

• ومع ذلك، يظهر شذوذ واضح ومشهور في التوزيع الإلكتروني لعنصري الكروم (Cr 24) والنحاس (Cu 29).
• التوزيع المتوقع للكروم هو [Ar] 4s² 3d⁴، لكن التوزيع الحقيقي الفعلي هو [Ar] 4s¹ 3d⁵.
• يرجع هذا الشذوذ إلى انتقال إلكترون من 4s إلى 3d لكي تصبح أفلاك المستوى الفرعي 3d نصف ممتلئة بخمسة إلكترونات متوازية الغزل، مما يحقق تماثلاً فراغياً أقصى وأدنى طاقة تنافرية للنواة، مما يمنح الذرة استقراراً إضافياً كبيراً.
• وبالمثل، فإن النحاس (Cu 29) يكون توزيعه [Ar] 4s¹ 3d¹⁰ بدلاً من [Ar] 4s² 3d⁹، وذلك لأن امتلاء المستوى 3d بعشرة إلكترونات تامة الازدواج يمنح الذرة حالة تماثل إلكتروني مثالية واستقراراً ثرموديناميكياً فائقاً.

• عند تأين أي عنصر من عناصر السلسلة الانتقالية الأولى، فإن أول ما يُفقد هو إلكترونا المستوى الفرعي الخارجي 4s لأنه الأبعد عن النواة والأعلى في العدد الكمي الرئيسي n=4، ثم يليه الفقد المتتابع لإلكترونات المستوى الفرعي 3d.
• ولهذا تعطي جميع عناصر السلسلة حالة التأكسد (+2) بفقد إلكتروني 4s، باستثناء السكانديوم (Sc) الذي يعطي حالة تأكسد وحيدة (+3) مباشرة لأن فقد إلكترون 3d الوحيد يوصله فوراً إلى التركيب الإلكتروني المستقر الشبيه بالغاز النبيل الأرجون [Ar].

• يتميز نصف القطر الذري لعناصر السلسلة الانتقالية الأولى بخاصية فريدة وهي الثبات النسبي الملحوظ ابتداءً من الكروم (Cr) حتى النحاس (Cu).
• يرجع هذا الثبات النسبي إلى وجود قوتين متعاكستين تؤثران في نفس الوقت: الأولى هي زيادة الشحنة النووية الفعالة (Z_eff) بزيادة العدد الذري مما يجذب إلكترونات المستوى الخارجي ويؤدي إلى انكماش الحجم الذري، والثانية هي زيادة قوى التنافر الكهروستاتيكي بين الإلكترونات المضافة المتزايدة في المستوى الفرعي 3d مما يؤدي إلى زيادة الحجم.
• تعادل هذين التأثيرين المتضادين يؤدي إلى ثبات نصف القطر، وهذا ما يجعل هذه العناصر نموذجية ومثالية لصناعة السبائك الاستبدالية مثل سبائك الصلب غير القابل للصدأ والبرونز.

• أما بالنسبة للكثافة، فإنها تتزايد تزايداً مطرداً ومنتظماً على امتداد السلسلة من السكانديوم (3.1 g/cm³) حتى تصل إلى النحاس (8.92 g/cm³).
• سبب هذه الزيادة هو أن الكثافة تساوي الكتلة الذرية مقسومة على الحجم الذري؛ وبما أن الحجم الذري شبه ثابت تقريباً بينما الكتلة الذرية تتزايد باستمرار بزيادة العدد الذري والنيوترونات، فإن الكثافة تزداد طردياً.
• تتميز عناصر السلسلة أيضاً بدرجات انصهار وغليان مرتفعة جداً (تتجاوز 1500°C في معظمها)، والسبب الأساسي في ذلك هو شدة الرابطة الفلزية؛ حيث تشترك إلكترونات المستويين الفرعيين 4s و 3d معاً في تكوين السحابة الإلكترونية الحرة التي تربط بين أنوية الذرات بقوة هائلة ومتراصة في الشبكة البلورية.

3. الخاصية المغناطيسية وتفسير الألوان والنشاط الحفزي الفائق

• تنقسم المواد إلى نوعين رئيسيين من حيث استجابتها للمجال المغناطيسي: المواد البارامغناطيسية والمواد الدايامغناطيسية.
• المادة البارامغناطيسية تتجاذب مع المجال المغناطيسي الخارجي نتيجة وجود إلكترونات مفردة (غير مزدوجة) في المستوى الفرعي 3d.
• كل إلكترون مفرد يدور حول محوره مغزلياً مولداً مجالاً مغناطيسياً صغيراً يتجه مع المجال الخارجي.
• ويتناسب العزم المغناطيسي طردياً مع عدد هذه الإلكترونات المفردة؛ فمثلاً أيون الحديد الثلاثي Fe³⁺ يحتوي على 5 إلكترونات مفردة (3d⁵) وعزمه المغناطيسي هو الأعلى (نحو 5.92 B.M.).
• أما المادة الدايامغناطيسية فتتنافر تنافراً ضعيفاً مع المجال الخارجي لأن جميع إلكتروناتها مزدوجة في أفلاكها (مثل Zn²⁺: 3d¹⁰ أو Sc³⁺: 3d⁰)، حيث يُلغي العزم المغناطيسي لكل إلكترون عزم رفيقه المعاكس في الغزل تماماً، فتكون المحصلة صفراً.

• فيما يتعلق بالألوان تعود ألوان مركبات وأيونات العناصر الانتقالية إلى امتصاص فوتونات الضوء المرئي.
• عندما يسقط الضوء الأبيض على محلول أيون انتقالي يحتوي على إلكترونات مفردة في 3d، تمتص هذه الإلكترونات طاقة طول موجي محدد كافية لإثارتها وانتقالها بين أفلاك d المنشطرة بسبب وجود جزيئات المذيب (الليجاندات).
• الضوء المتبقي غير الممتص ينعكس أو ينفذ إلى عين الرائي ويمثل (اللون المتمم).
• فمثلاً مركبات الكروم الثلاثي Cr³⁺ تمتص اللون الأحمر من الضوء الساقط، فتظهر للعين باللون المتمم وهو الأخضر.
• أما الأيونات التي يكون فيها 3d فارغاً تماماً (Sc³⁺) أو ممتلئاً تماماً (Zn²⁺) فتكون عديمة اللون لأن طاقة الضوء المرئي غير كافية لإثارتها.

• تُظهر الصورة تطبيقات العناصر الانتقالية، ومنها تلوين المركبات بسبب انتقال الإلكترونات بين أفلاك d.
• فالأيونات التي تحتوي على أفلاك d جزئية الامتلاء تمتص جزءًا من الضوء المرئي فتظهر بلونه المتمم، أما Sc³⁺ وZn²⁺ فعديمة اللون لأن أفلاكهما فارغة أو ممتلئة تمامًا.

• النشاط الحفزي المذهل للعناصر الانتقالية يرجع إلى استخدام إلكترونات 4s و 3d لتكوين روابط كيميائية تنسيقية مؤقتة وضعيفة مع جزيئات المواد المتفاعلة على سطح الحافز الصلب.
• هذا التجمع السطحي يؤدي إلى (1) زيادة تركيز المتفاعلات على سطح التفاعل، (2) إضعاف الروابط التساهمية الأصلية داخل المتفاعلات، (3) توجيه الجزيئات بزوايا تصادم مثالية، مما يترتب عليه خفض هائل في طاقة التنشيط (Ea) وتسريع سرعة التفاعل آلاف المرات دون استهلاك العامل الحفاز.

2. التيتانيوم (Ti): فلز شديد الصلابة كالصلب لكنه أخف منه بنسبة 45%. يحافظ على متانته في درجات الحرارة المرتفعة جداً حيث ينهار الألومنيوم؛ لذلك يستخدم مع الألومنيوم في صناعة صواريخ الفضاء والطائرات الأسرع من الصوت. وهو خامل حيوياً لا يلفظه الجسم البشري ولا يسبب تسمماً، مما يجعله المادة المثالية لزراعة الأسنان والمفاصل الصناعية. أشهر مركباته ثاني أكسيد التيتانيوم TiO₂ النانوي الذي يستخدم في تركيب كريمات الحماية من أشعة الشمس حيث تمنع دقائقه النانوية نفاذ الأشعة فوق البنفسجية UV للجلد.

3. الفاناديوم (V): تضاف نسبة ضئيلة منه للصلب لإنتاج سبيكة تمتاز بقساوة بالغة ومقاومة استثنائية للتآكل والإجهاد الميكانيكي، وتستخدم في زنبركات ومساعدين السيارات. أشهر مركباته خامس أكسيد الفاناديوم V₂O₅ الذي يعمل كعامل حفاز في صناعة المغناطيسات فائقة التوصيل، وفي تحضير حمض الكبريتيك بطريقة التلامس، وصباغة السيراميك والزجاج.

4. الكروم (Cr): فلز عالي النشاط الكيميائي ولكنه يقاوم فعل العوامل الجوية بسبب تكوين طبقة غير مسامية وميكروسكوبية من الأكسيد على سطحه حجم جزيئاتها أكبر من حجم ذرات الفلز نفسه، فتمنع استمرار التفاعل والأكسدة. يستخدم في طلاء المعادن ودباغة الجلود. أشهر مركباته أكسيد الكروم الثلاثي Cr₂O₃ في صناعة الأصباغ، وثاني كرومات البوتاسيوم K₂Cr₂O₇ البرتقالية كمادة مؤكسدة قوية في المعامل.

5. المنجنيز (Mn): لا يستخدم قط في حالته النقية لهشاشته الشديدة، بل يستخدم دوماً في صورة سبائك أو مركبات. سبيكة الحديد مع المنجنيز (الفيرومنجنيز) أصلب من الصلب وتستخدم في خطوط السكك الحديدية، وسبيكة المنجنيز مع الألومنيوم تستخدم في علب المشروبات الغازية لمقاومة التآكل. أشهر مركباته ثاني أكسيد المنجنيز MnO₂ عامل مؤكسد قوي في العمود الجاف، وبرمنجانات البوتاسيوم KMnO₄ البنفسجية مادة مؤكسدة ومطهرة شهيرة، وكبريتات المنجنيز MnSO₄ مبيد للفطريات.

1. العمود الفقري للصناعات الثقيلة والخرسانة المسلحة، ومغناطيسات وأبراج الكهرباء والأسلحة.
2. يستخدم كعامل حفاز في تحضير النشادر بطريقة هابر-بوش، وتحويل الغاز المائي (خليط CO و H₂) إلى وقود سائل بطريقة فيشر-تروبش.

1. يشبه الحديد في خواصه المغناطيسية وقابليته للتمغنط ويستخدم في صناعة المغناطيسات الحديثة وبطاريات السيارات الكهربائية الجافة.
2. له 12 نظيراً مشعاً أهمها الكوبالت-60 (Co-60) الذي يطلق أشعة جاما ذات النفاذية العالية المستخدمة في حفظ الأغذية وعلاج الأورام الخبيثة وعيوب لحام المعادن.

1. أول فلز عرفه الإنسان تاريخياً.
2. موصل ممتاز للكهرباء ويستخدم في الكابلات الكهربائية، وسبائكه الشهيرة: البرونز (نحاس وقصدير)، والنحاس الأصفر (نحاس وخارصين) المستخدم في تغطية المقابض الحديدية بالترسيب الكهربي.
3. وأشهر مركباته كبريتات النحاس CuSO₄ كمبيد حشري وفطري في تنقية مياه الشرب، ومحلول فهلنج للكشف عن سكر الجلوكوز حيث يتحول من الأزرق للبرتقالي.

1. يتركز استخدامه في جلفنة باقي الفلزات لحمايتها من الصدأ والتآكل الجوي.
2. أشهر مركباته أكسيد الخارصين ZnO في الدهانات والمطاط ومستحضرات التجميل، وكبريتيد الخارصين ZnS في شاشات الأشعة السينية والطلاءات المضيئة.
3. مقارنة شاملة بين عناصر السلسلة الانتقالية الأولى (3d)
4. ✏️ أمثلة ومسائل وتطبيقات محلولة بالخطوات النموذجية والبرهان العلمي:

• ★ حساب العزم المغناطيسي وتحديد الخاصية لأيون فلزي
  المعطيات والمطلوب: لديك مركب كلوريد الحديد الثلاثي FeCl₃ وكبريتات الخارصين ZnSO₄.
• المطلوب احسب العزم المغناطيسي لكل من أيون الحديد وأيون الخارصين، وحدد ما إذا كان المركب بارامغناطيسياً أم دايامغناطيسياً، مع بيان هل محاليلهما ملونة أم عديمة اللون.
• خطوات الحل والبرهان الفيزيائي [1] أولاً بالنسبة لمركب FeCl₃: عدد تأكسد الحديد = +3.
• التوزيع الإلكتروني لذرة الحديد Fe(26) هو [Ar] 4s² 3d⁶.
• عند فقد 3 إلكترونات (2 من 4s وإلكترون واحد من 3d)، يصبح التوزيع الإلكتروني لأيون Fe³⁺ هو [Ar] 4s⁰ 3d⁵.
• [2] نوزع إلكترونات 3d الخمسة في أفلاك d الخمسة وفق قاعدة هوند: نجد أن هناك 5 إلكترونات مفردة (n = 5).
• [3] نطبق قانون العزم المغناطيسي μ = √(5 × (5 + 2)) = √35 ≈ 5.92 B.M.
• [4] الاستنتاج أيون Fe³⁺ بارامغناطيسي بشدة، ومحلوله ملون (أصفر باهت) لأن المستوى 3d غير ممتلئ ويحتوي على إلكترونات مفردة تمتص فوتونات الضوء المرئي.
• [5] ثانياً بالنسبة لمركب ZnSO₄ عدد تأكسد الخارصين = +2.
• التوزيع الإلكتروني لذرة Zn(30) هو [Ar] 4s² 3d¹⁰.
• عند التأين وفقد إلكتروني 4s، يصبح التوزيع لأيون Zn²⁺ هو [Ar] 4s⁰ 3d¹⁰.
• [6] في أيون Zn²⁺، نجد أن جميع أفلاك 3d العشرة ممتلئة تماماً بالإلكترونات المزدوجة، وبالتالي عدد الإلكترونات المفردة n = 0.
• [7] حساب العزم المغناطيسي μ = √(0 × (0 + 2)) = 0 B.M.
• [8] الاستنتاج مركب ZnSO₄ دايامغناطيسي ومحلوله عديم اللون لعدم وجود إلكترونات غير مزدوجة في أفلاك d.
• 💡 فنية وتريك للحل السريع وتجنب الخطأ تذكر دائماً: لحساب العزم، احسب عدد تأكسد الفلز أولاً، ثم احذف إلكترونات 4s قبل 3d، ثم عدّ الإلكترونات المفردة المتبقية في 3d فقط!

• ★ تفسير شذوذ طاقة التأين الثالثة للحديد والمغنسيوم
  المعطيات والمطلوب: لماذا يصعب أكسدة أيون المنجنيز الثنائي Mn²⁺ إلى المنجنيز الثلاثي Mn³⁺، بينما يسهل جداً أكسدة أيون الحديد الثنائي Fe²⁺ إلى الحديد الثلاثي Fe³⁺؟
• فسر ذلك كيميائياً بالمعادلات الإلكترونية وطاقة الاستقرار.
• خطوات الحل والبرهان الفيزيائي [1] نكتب التوزيع الإلكتروني لأيون المنجنيز الثنائي Mn²⁺ (العدد الذري 25): [Ar] 4s⁰ 3d⁵.
• نلاحظ أن المستوى الفرعي 3d نصف ممتلئ تماماً، وهذه حالة استقرار طاقي وثرموديناميكي قصوى تجعل الذرة تقاوم فقد أي إلكترون إضافي.
• [2] أكسدة Mn²⁺ إلى Mn³⁺ تتطلب كسر نظام إلكتروني مستقر (3d⁵ → 3d⁴)، مما يستلزم طاقة تأين بالغة الارتفاع، ولذلك يصعب جداً أكسدة المنجنيز الثنائي في الظروف المعتادة.
• [3] على النقيض من ذلك، التوزيع الإلكتروني لأيون الحديد الثنائي Fe²⁺ (العدد الذري 26): [Ar] 4s⁰ 3d⁶.
• هنا المستوى الفرعي 3d يحتوي على 6 إلكترونات (إلكترونان مزدوجان في أول فلك وأربعة إلكترونات مفردة)، وهي حالة أقل استقراراً بسبب التنافر بين الإلكترونين المزدوجين.
• [4] عند أكسدة Fe²⁺ إلى Fe³⁺، يفقد هذا الإلكترون المزدوج ويصبح التوزيع [Ar] 4s⁰ 3d⁵، فتتحول الذرة من حالة أقل استقراراً إلى حالة غاية في الاستقرار (نصف ممتلئ 3d⁵)، ولذلك تميل هذه العملية للحدوث تلقائياً وبسهولة فائقة بمجرد التعرض للهواء الجوي.
• 💡 فنية وتريك للحل السريع وتجنب الخطأ قاعدة ذهبية في الامتحانات: التحول نحو 3d⁰ أو 3d⁵ أو 3d¹⁰ عملية سهلة وتلقائية، بينما التحول بعيداً عنها عملية صعبة وتتطلب طاقة عالية!

💡 💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027:

• الخارصين (Zn) والكادميوم (Cd) والزئبق (Hg) لا تعتبر عناصر انتقالية لأن المستوى الفرعي d لها ممتلئ تماماً (d¹⁰) سواء في الحالة الذرية أو في حالة التأكسد الوحيدة (+2).
• السكانديوم يعطي حالة تأكسد وحيدة (+3)، والكروم والنحاس شاذان في التوزيع الإلكتروني (4s¹ 3d⁵ و 4s¹ 3d¹⁰ على التوالي).
• أعلى حالة تأكسد في السلسلة الانتقالية الأولى هي (+7) وتظهر في عنصر المنجنيز في مركب KMnO₄، ولا تتعدى أي حالة تأكسد رقم المجموعة التي يقع فيها العنصر باستثناء فلزات العملة (المجموعة 1B: النحاس والفضة والذهب) التي تعطي (+2) و (+3).
• جميع عناصر السلسلة الأولى فلزات بارامغناطيسية في حالتها الذرية لأن لديها إلكترونات مفردة في 4s أو 3d، والوحيد الدايامغناطيسي في حالته الذرية من السلسلة هو الخارصين (4s² 3d¹⁰).
• ثبات نصف القطر النسبي من الكروم إلى النحاس هو السبب العلمي الأول الذي يجعل هذه العناصر مثالية لتصنيع السبائك الاستبدالية.
• الكروم فلز نشط جداً ومع ذلك لا يصدأ بسبب ظاهرة الخمول الكيميائي: تكوين طبقة مجهرية متماسكة وغير مسامية من الأكسيد على سطحه حجم جزيئاتها أكبر من حجم ذرات الفلز نفسه.
• طريقة هابر-بوش تستخدم الحديد كحافز لصناعة النشادر، وطريقة التلامس تستخدم V₂O₅ كحافز لصناعة حمض الكبريتيك، وطريقة فيشر-تروبش تستخدم الحديد لتحويل الغاز المائي لوقود سائل.