ПРИНЦИП АУФБАУ: ПОНЯТТЯ ТА ПОЯСНЕННЯ, ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Принцип Ауфбау є корисним посібником для теоретичного прогнозування електронної конфігурації елемента. Слово aufbau відноситься до німецького дієслова «будувати». Правила, продиктовані цим принципом, покликані "допомогти побудувати атом".

Якщо говорити про гіпотетичну атомну конструкцію, то це стосується виключно електронів, які в свою чергу йдуть рука об руку зі збільшенням кількості протонів. Протони визначають атомне число Z хімічного елемента, і для кожного, що додається до ядра, додається електрон для компенсації цього збільшення позитивного заряду.

Хоча здається, що протони не дотримуються встановленого порядку приєднання ядра атома, електрони дотримуються ряду умов, таким чином, що вони спочатку займають ділянки атома з меншою енергією, зокрема ті, де ймовірність знайти їх у просторі більше: орбіталі.

Принцип Ауфбау, поряд з іншими правилами електронного заповнення (принцип виключення Паулі та правило Ханда), допомагає встановити порядок, в який в електронну хмару електронів слід додавати електрони; Таким чином можна призначити електронну конфігурацію певного хімічного елемента.

Поняття та пояснення

Якщо атом вважався би цибулею, всередині нього знайдеться кінцева кількість шарів, визначене головним квантовим числом n.

Далі всередині них знаходяться підклітини, форми яких залежать від азимутальних l та магнітних квантових чисел m.

Орбіталі ідентифікуються за першими трьома квантовими числами, тоді як четверта, спіна s, закінчується, вказуючи, в якій орбіталі буде розташований електрон. Саме тоді в цих областях атома обертаються електрони, від самих внутрішніх шарів до самих зовнішніх: валентного шару, найбільш енергійного з усіх.

У такому разі в якому порядку електрони повинні заповнювати орбіталі? Відповідно до принципу Ауфбау, вони повинні бути призначені на основі зростаючого значення (n + l).

Аналогічно, у підшлубках (n + l) електрони повинні займати нижню оболонку з найнижчою енергетичною цінністю; інакше кажучи, вони займають найменше значення n.

Дотримуючись цих правил побудови, Маделунг розробив візуальний метод, який складається з малювання діагональних стрілок, які допомагають побудувати електронну конфігурацію атома. У деяких освітніх сферах цей метод також відомий як метод дощу.

Шари та підшари

Перше зображення ілюструє графічний метод отримання електронних конфігурацій, тоді як друге зображення - відповідний метод Маделунга. Найбільш енергійні шари розташовані у верхній частині, а найменш енергетичні - у напрямку вниз.

Зліва направо, підшари s, p, d і f відповідних їм основних енергетичних рівнів "проходять". Як обчислити значення (n + l) для кожного кроку, позначеного діагональними стрілками? Наприклад, для орбіталі 1s цей обчислення дорівнює (1 + 0 = 1), для орбіталі 2s (2 + 0 = 2), а для орбіталі 3p (3 + 1 = 4).

Результат цих обчислень бере початок побудови зображення. Тому, якщо вона недоступна під рукою, просто визначте (n + l) для кожної орбіталі, починаючи заповнювати орбіталі електронами від тієї, що має найменше значення (n + l) до тієї, яка має максимальне значення.

Однак використання методу Маделунга значно полегшує побудову електронної конфігурації та робить її розважальною діяльністю для тих, хто вивчає періодичну таблицю.

Принцип виключення Паулі та правління Гунда

Метод Маделунга не вказує на орбіталі підшарів. Враховуючи їх, принцип виключення Паулі стверджує, що жоден електрон не може мати такі ж квантові числа, як інший; або те саме, пара електронів не може мати як позитивні, так і негативні спини.

Це означає, що їхні квантові числа s не можуть бути однаковими, і, отже, їх спини повинні спарюватися, коли вони займають ту саму орбіталь.

З іншого боку, заповнення орбіталей повинно здійснюватися таким чином, щоб вони вироджувались енергією (правило Ханда). Це досягається за рахунок збереження всіх електронів на орбіталях не спареними, поки не буде вкрай необхідна пара цих (як з киснем).

Приклади

Наступні приклади узагальнюють всю концепцію принципу Ауфбау.

Вуглець

Для визначення його електронної конфігурації слід спочатку знати атомне число Z, а отже, і кількість електронів. У вуглецю Z = 6, тому його 6 електронів повинні бути розташовані на орбіталях методом Маделунга:

Стрілки відповідають електронам. Після заповнення орбіталей 1s і 2s, кожен з яких має два електрони, 2p орбіталі присвоюються за різницею решти двох електронів. Таким чином проявляється правило Гунда: дві вироджені орбіталі і одна порожня.

Кисень

Кисень має Z = 8, тому він має два зайвих електрона на відміну від вуглецю. Один з цих електронів повинен бути розміщений у порожній орбіталі 2p, а другий повинен утворити пару, щоб утворити першу пару, при цьому стрілка спрямована вниз. Отже, тут проявляється принцип виключення Паулі.

Кальцій

У кальцію 20 електронів, і орбіталі все ще заповнюються тим же методом. Порядок заповнення такий: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Можна відзначити, що замість заповнення спочатку 3d орбіталі електрони займають 4s. Це відбувається перед тим, як зробити шлях для перехідних металів, елементів, які заповнюють внутрішній 3d шар.

Обмеження принципу Ауфбау

Принцип Ауфбау не спрогнозує електронну конфігурацію багатьох перехідних металів та рідкоземельних елементів (лантаніди та актиніди).

Це тому, що енергетичні різниці між орбіталями ns і (n-1) d низькі. З причин, що підтримуються квантовою механікою, електрони можуть вважати за краще виродити орбіталі (n-1) d ціною відміни або вивільнення електронів з орбіталі ns.

Відомий приклад - справа міді. Його електронна конфігурація, передбачена принципом Ауфбау, становить 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹ , коли експериментально було показано, що 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ¹⁰ .

У першому одиночний електрон є парним в 3d-орбіталі, тоді як у другому всі електрони на 3d-орбіталях спарені.

Список літератури

1. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (15 червня 2017 р.). Визначення принципу Ауфбау. Взято з: thinkco.com
2. Професор Н. Де Леон. (2001). Принцип Ауфбау. Взято з: iun.edu
3. Хімія 301. Принцип Ауфбау. Взято з: ch301.cm.utexas.edu
4. Hozefa Arsiwala та teacherlookup.com. (1 червня 2017 р.). У глибині: Принцип Ауфбау з прикладами. Взято з: učitellookup.com
5. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання, стор 199-203.
6. Goodphy. (27 липня 2016 р.). Схема Маделунга. . Взято з: commons.wikimedia.org