Principiul Aufbau este o metodă de explicare a aranjamentelor electronilor în atomii diferitelor elemente chimice. Teoria atomică poate fi complexă și dificilă, dar acest principiu oferă un set simplu de reguli care pot explica configurațiile electronice ale marii majorități a elementelor. Termenul provine dintr-un cuvânt german care înseamnă „construire” și se referă la modul în care electronii sunt adăugați atomilor trecând de la elementele mai ușoare la cele mai grele. Principiul nu este perfect și există câteva excepții, dar este un instrument foarte util pentru a învăța despre structura atomică.
Shell, Subshells și Orbitali
Pentru a înțelege principiul Aufbau, este necesar să ne uităm mai întâi la structura atomului. Se poate spune că electronii orbitează în jurul nucleului încărcat pozitiv; cu toate acestea, există anumite reguli care dictează modul în care pot fi aranjate. În modelul general acceptat, ele ocupă cochilii, care pot fi considerate concentrice, în jurul nucleului. În cadrul acestora se află subshell-uri, în interiorul cărora sunt orbitali. Un orbital descrie spațiul locuit de un electron.
Învelișurile sunt numerotate cu 1, 2, 3 etc., în ordinea creșterii distanței de la nucleu – și a nivelurilor de energie crescânde -, numerele indicând, de asemenea, câte subcochilii pot avea. Subcoapele sunt etichetate s, p, d și f, în ordinea generală a energiei deținute de electroni în orbitalii pe care îi conțin. Fiecare are un număr maxim de orbitali pe care îi poate ține: s are doar unul, p are trei, d are cinci și f are șapte, iar fiecare orbital poate conține maximum doi electroni. Toți orbitalii dintr-un subshell au același nivel de energie.
Acest lucru este rezumat în tabelul de mai jos:
Shell, Subshells și Orbitali
Învelișul subînvelișului Orbitalii Maxim de electroni
1s 12
2 s1 2
— p3 6
3 s1 2
— p3 6
— d5 10
4 s1 2
— p3 6
— d5 10
— f7 14
Aceasta arată, de exemplu, că shell-ul 3 are un subshell s, ap și ad. Când este complet umplut, ar avea un total de 2 + 6 + 10 = 18 electroni. Configurația electronică pentru un element poate fi scrisă, de exemplu, astfel:
1s22s22p1
care este elementul numărul cinci, bor. Acesta arată numărul de înveliș urmat de litera subshell, cu numărul de electroni pe care îi conține suprascript.
Construirea Elementelor
Este posibil să ne imaginăm construirea unor elemente din ce în ce mai grele prin adăugarea de electroni, începând cu cel mai ușor element, hidrogenul (1s1). Pe măsură ce se adaugă electronii, aceștia umplu orbitalii din sub-cochilii din învelișuri. Este o regula generala ca orice sistem va adopta configuratia care are cea mai mica energie. Deși aceasta este o regulă foarte simplă, determinarea aranjamentului cu cea mai scăzută energie și explicarea configurațiilor poate implica o mulțime de complicații, din cauza interacțiunilor dintre particule. În mod natural, electronii vor tinde să umple orbitalii de energie inferioară înaintea celor de energie superioară, iar principiul Aufbau încearcă să explice cum se întâmplă acest lucru.
Regulile
Principiul Aufbau are doar trei reguli:
Electronii vor umple orbitalii în ordine crescătoare a energiei – adică vor umple mai întâi orbitalii cu cea mai joasă energie. Deoarece toți orbitalii dintr-un subshell dat au același nivel de energie, toți trebuie să fie umpluți înainte ca următorul subshell să înceapă să se umple.
Fiecare orbital poate conține maximum doi electroni, iar aceștia trebuie să aibă spini opuși.
Acolo unde există doi sau mai mulți orbitali disponibili cu același nivel de energie, niciunul dintre ei nu va fi umplut până când toți vor avea un electron. Cu alte cuvinte, electronii vor încerca să se distribuie uniform pe orbitalii disponibili ai aceleiași energie ori de câte ori este posibil.
În cazul celui mai simplu element, hidrogenul, unul său electron se află într-un orbital din subînvelișul s. Următorul element, heliul, are un al doilea electron care intră în același orbital: 1s2. Orbitul, subshell-ul s și shell-ul 1 sunt toate acum pline. Litiul, cu trei electroni, are aceeași configurație ca și heliul, dar cu un electron în plus în subcoperta s a învelișului 2, deoarece acesta este orbital cu cea mai mică energie disponibilă: 1s22s1.
Sărind peste câteva elemente, carbonul, cu șase electroni, are o configurație 1s22s22p2: ambele subînvelișuri s sunt umplute, astfel încât cei doi electroni rămași intră în subînvelișul p. Ei vor intra în orbitali diferiți, conform celei de-a treia reguli a principiului Aufbau.
excepţii de
Pe măsură ce elementele devin mai grele, aranjamentele lor de orbitali devin mai complexe și, uneori, interacțiunile dintre electroni pot produce excepții de la principiul Aufbau. Regulile sunt valabile până la elementul numărul 24, crom. Acesta este unul dintre puținele elemente care nu se conformează prea bine. Își lasă subînvelișul 4s neumplut, în timp ce există cinci electroni în următorul subshell, deoarece, în acest caz neobișnuit, este o configurație de energie puțin mai mică decât cea prezisă de reguli. Alte excepții sunt cuprul și argintul.
Utilizeaza
În ciuda excepțiilor, principiul Aufbau este util în cursurile de chimie în care studenții descoperă regulile fundamentale despre structura atomică și proprietățile elementelor. O diagramă sau o diagramă poate fi utilizată pentru a arăta cum funcționează principiul pentru diferite elemente de exemplu. Acest lucru va arăta, de obicei, cochiliile, subcoapele și orbitalii într-un mod care ilustrează clar modul în care sunt umplute.