التعددية (الكيمياء)

في علم الطيف والكيمياء الكمومية ، يتم تعريف تعدد مستويات الطاقة على أنه 2S+1 ، حيث S هو الزخم الزاوي الدوراني الكلي . ^[1] [ ^{2] [3]} تسمى الحالات ذات التعدد 1، 2، 3، 4، 5 على التوالي مفردة ومزدوجة وثلاثية ورباعية وخماسية. ^[2]

في الحالة الأساسية للذرة أو الجزيء، عادةً ما يكون لجميع الإلكترونات غير المزدوجة دوران متوازي. في هذه الحالة، يكون التعدد مساويًا أيضًا لعدد الإلكترونات غير المزدوجة زائد واحد. ^[4]

غالبًا ما تكون التعددية مساوية لعدد التوجهات المحتملة للدوران الكلي ^[3] بالنسبة إلى الزخم الزاوي المداري الكلي L ، وبالتالي لعدد المستويات شبه المتدهورة التي تختلف فقط في طاقة تفاعلها بين الدوران والمدار .

على سبيل المثال، الحالة الأساسية لذرة الكربون هي ^3P ( رمز المصطلح ). يشير الرقم العلوي ثلاثة (يُقرأ على أنه ثلاثي ) إلى أن التعددية 2S+1 = 3، بحيث يكون الدوران الكلي S = 1. يرجع هذا الدوران إلى إلكترونين غير مقترنين ، نتيجة لقاعدة هوند التي تفضل الملء الفردي للمدارات المتحللة. يتكون الثلاثي من ثلاث حالات مع مكونات دوران +1 و0 و-1 على طول اتجاه الزخم الزاوي المداري الكلي، والذي يكون أيضًا 1 كما هو موضح بالحرف P. يمكن أن يختلف العدد الكمومي للزخم الزاوي الكلي J من L+S = 2 إلى L–S = 0 في خطوات صحيحة، بحيث يكون J = 2 أو 1 أو 0. ^{[1] [2]}

ومع ذلك، فإن التعدد يساوي عدد اتجاهات الدوران فقط إذا كانت S ≤ L. عندما تكون S > L، لا يوجد سوى 2L+1 اتجاهات ممكنة للزخم الزاوي الكلي، تتراوح من S+L إلى SL. ^{[2] [3]} الحالة الأساسية لذرة النيتروجين هي حالة ⁴ S، حيث 2S + 1 = 4 في حالة رباعية ، S = 3/2 بسبب ثلاثة إلكترونات غير مقترنة. بالنسبة لحالة S، L = 0 بحيث لا يمكن أن يكون J إلا 3/2 ولا يوجد سوى مستوى واحد على الرغم من أن التعدد هو 4.

تحتوي أغلب الجزيئات العضوية المستقرة على أغلفة إلكترونية كاملة بدون إلكترونات غير مقترنة وبالتالي لها حالات أرضية مفردة. وينطبق هذا أيضًا على الجزيئات غير العضوية التي تحتوي فقط على عناصر المجموعة الرئيسية . والاستثناءات المهمة هي ثنائي الأكسجين (O2 ₎ وكذلك الميثيلين (CH2 ₎ والكاربينات الأخرى .

ومع ذلك، فإن حالات الدوران الأرضية الأعلى شائعة جدًا في معقدات التنسيق للمعادن الانتقالية . يتم توفير تفسير بسيط لحالات الدوران لمثل هذه المعقدات من خلال نظرية المجال البلوري .

أعلى مستوى طاقة مداري مشغول للأكسجين هو زوج من المدارات π* المضادة للترابط . في الحالة الأساسية للأكسجين، يشغل هذا المستوى من الطاقة إلكترونين من نفس الدوران، كما هو موضح في مخطط المدار الجزيئي . وبالتالي، يحتوي الجزيء على إلكترونين غير مقترنين ويكون في حالة ثلاثية.

على النقيض من ذلك، فإن الحالتين المثارتين الأولى والثانية للأكسجين هما حالتان للأكسجين الأحادي . كل منهما يحتوي على إلكترونين بدوران معاكسين في مستوى π* بحيث S = 0 والتعدد هو 2S + 1 = 1 نتيجة لذلك.

في الحالة المثارة الأولى، يقترن إلكترونين π* في نفس المدار، بحيث لا توجد إلكترونات غير مقترنة. ومع ذلك، في الحالة المثارة الثانية، يشغل إلكترونين π* مدارات مختلفة بدوران معاكس. وبالتالي، يكون كل منهما إلكترونًا غير مقترن، ولكن الدوران الكلي يساوي صفرًا والتعدد هو 2S + 1 = 1 على الرغم من الإلكترونين غير المقترنين. وبالتالي، فإن تعدد الحالة المثارة الثانية لا يساوي عدد الإلكترونات غير المقترنة زائد واحد، والقاعدة التي تكون صحيحة عادةً للحالات الأساسية غير صالحة لهذه الحالة المثارة.

في الكيمياء العضوية ، الكربينات هي جزيئات تحتوي على ذرات كربون بستة إلكترونات فقط في غلافها التكافئي وبالتالي لا تتبع قاعدة الثمانية . ^[5] تنقسم الكربينات عمومًا إلى كربينات مفردة وكربينات ثلاثية ، سميت بهذا الاسم بسبب مضاعفات دورانها. كلاهما يحتوي على إلكترونين غير رابطين؛ في الكربينات المفردة توجد هذه الإلكترونين كزوج وحيد ولها دوران متعاكس بحيث لا يوجد دوران صافٍ، بينما في الكربينات الثلاثية يكون لهذه الإلكترونات دوران متوازي. ^[6]

• أتكينز، بيتر؛ دي باولا، جوليو (2006). الكيمياء الفيزيائية لأتكينز (الطبعة الثامنة). الولايات المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد . ISBN 0-7167-8759-8.
• Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart; Wothers, Peter (2001). الكيمياء العضوية. الولايات المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد . ISBN 0-19-850346-6.
• ليفين، إيرا ن. (1991). الكيمياء الكمومية (الطبعة الرابعة). الولايات المتحدة: برنتيس هول . رقم ISBN 0-205-12770-3.
• Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A. (1999). Inorganic Chemistry (الطبعة الثانية). Prentice-Hall. ISBN 0-13-841891-8.