التوزيع الإلكتروني وحالات التأكسد والاستقرار الطاقي

• 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 \[\begin{gathered}(n+l = 4+0 = 4)\end{gathered}\] بينما 3d أعلى في الطاقة \[\begin{gathered}(n+l = 3+2 = 5)\end{gathered}\].

• 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].