AUFBAU NAČELO: KONCEPT IN RAZLAGA, PRIMERI - KEMIJA - 2025

Načelo Aufbau je koristen vodnik za teoretično napovedovanje elektronske konfiguracije elementa. Beseda aufbau se nanaša na nemški glagol "graditi." Pravila, ki jih narekuje to načelo, so "pomagala zgraditi atom."

Ko gre za hipotetično atomsko konstrukcijo, se nanaša izključno na elektrone, ki gresta z roko v roki z naraščajočim številom protonov. Protoni definirajo atomsko število Z kemijskega elementa in za vsakega, ki je dodan v jedru, se doda elektron, ki nadomešča to povečanje pozitivnega naboja.

Čeprav se zdi, da protoni ne sledijo ustaljenemu zaporedju, da bi se pridružili jedru atoma, elektroni upoštevajo vrsto pogojev, tako da najprej zasedejo območja atoma z nižjo energijo, zlasti tista, kjer je verjetnost, da jih najdejo v vesolju je večja: orbitale.

Načelo Aufbau, skupaj z drugimi elektronskimi pravili polnjenja (načelo izključitve Paulija in Hundovo pravilo), pomaga vzpostaviti vrstni red, v katerem je treba elektrone dodati v oblak elektronov; Na ta način je mogoče dodeliti elektronsko konfiguracijo določenega kemijskega elementa.

Koncept in razlaga

Če bi atom veljal za čebulo, bi bilo znotraj njega končno število plasti, določeno z glavnim kvantnim številom n.

Dalje so znotraj njih poddružine, katerih oblike so odvisne od azimutnih l in magnetnih kvantnih števil m.

Orbitale so identificirane s prvimi tremi kvantnimi števili, medtem ko se četrta, spin s, konča, kar kaže, v kateri orbitali se nahaja elektron. Nato se v teh območjih atoma vrtijo elektroni, od najbolj notranjih plasti do najbolj zunanjih: valenčne plasti, najbolj energične od vseh.

V tem zaporedju naj elektroni zapolnijo orbitale? Po načelu Aufbau jih je treba določiti na podlagi naraščajoče vrednosti (n + l).

Prav tako morajo znotraj poddrobja (n + l) elektroni zasedati poddrugo z najnižjo energijsko vrednostjo; z drugimi besedami, zasedajo najnižjo vrednost n.

Po teh gradbenih pravilih je Madelung razvil vizualno metodo, sestavljeno iz risanja diagonalnih puščic, ki pomagajo pri gradnji elektronske konfiguracije atoma. V nekaterih izobraževalnih sferah je ta metoda znana tudi kot metoda dežja.

Sloji in sloji

Prva slika prikazuje grafično metodo za pridobitev elektronskih konfiguracij, druga slika pa je Madelungova metoda. Najbolj energijske plasti so nameščene na vrhu, najmanj energetske pa v smeri navzdol.

Od leve proti desni se podplasti s, p, d in f ustreznih glavnih nivojev energije "preidejo". Kako izračunati vrednost (n + l) za vsak korak, označen z diagonalnimi puščicami? Na primer, za orbito 1s je ta izračun enak (1 + 0 = 1), za orbital 2s (2 + 0 = 2) in za orbital 3p (3 + 1 = 4).

Rezultat teh izračunov izvira iz gradnje slike. Če ta trenutno ni na voljo, preprosto določite (n + l) za vsako orbitolo, tako da začnete polniti orbitale z elektroni od tiste z najmanjšo vrednostjo (n + l) do tiste z največjo vrednostjo.

Vendar pa uporaba metode Madelung močno olajša gradnjo elektronske konfiguracije in omogoča zabavno dejavnost za tiste, ki se učijo periodične tabele.

Paulijevo načelo izključitve in Hundovo pravilo

Madelung-ova metoda ne kaže orbitale podzemeljskih ploščic. Načelo izključitve Paulija ob njihovem upoštevanju določa, da noben elektron ne more imeti enakih kvantnih števil kot drugi; ali kar je isto, par elektronov ne more imeti tako pozitivnih kot negativnih vrtljajev.

To pomeni, da njihova kvantna števila vrtljajev s ne morejo biti enaka, zato se morajo njihovi vrti pari, kadar zasedajo isto orbito.

Po drugi strani pa je treba polnjenje orbitov opraviti tako, da se iz njih izrodi energija (Hundovo pravilo). To dosežemo tako, da ostanejo vsi elektroni v orbitah nepovezani, dokler ni nujno potrebno, da se par teh (kot s kisikom) združi.

Primeri

Naslednji primeri povzemajo celoten koncept načela Aufbau.

Ogljik

Za določitev njegove elektronske konfiguracije je treba najprej poznati atomsko število Z in s tem število elektronov. Ogljik ima Z = 6, zato mora biti njegovih 6 elektronov nameščenih v orbitali po metodi Madelung:

Puščice ustrezajo elektronom. Ko sta orbitali 1s in 2s napolnjeni, vsak z dvema elektronoma, sta 2p orbitali dodeljeni po razliki preostali dve elektroni. Tako se kaže Hundovo pravilo: dve izrojeni orbiti in ena prazna.

Kisik

Kisik ima Z = 8, torej ima dva dodatna elektrona za razliko od ogljika. Enega od teh elektronov je treba postaviti v prazno 2p orbitolo, drugi pa mora tvoriti prvi par, pri čemer puščica kaže navzdol. Posledično se tukaj manifestira načelo izključitve Pauli.

Kalcij

Kalcij ima 20 elektronov, orbite pa so še vedno napolnjene z isto metodo. Vrstni red polnjenja je naslednji: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Opazimo lahko, da elektroni namesto da najprej zapolnijo 3d orbitolo, zasedajo 4s. To se zgodi, preden začnemo uporabljati prehodne kovine, elemente, ki vsebujejo notranjo 3d plast.

Omejitve načela Aufbau

Načelo Aufbau ne predvideva elektronskih konfiguracij številnih prehodnih kovin in redkozemeljskih elementov (lantanidi in aktinidi).

To je zato, ker so energijske razlike med ns in (n-1) d orbitalami majhne. Zaradi razlogov, ki jih podpira kvantna mehanika, lahko elektroni raje izrodijo (n-1) d orbitale s ceno razveljavitve ali odvajanja elektronov iz orbite ns.

Znan primer je primer bakra. Njegova elektronska konfiguracija, predvidena po principu Aufbau, je 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹ , ko se je eksperimentalno pokazalo, da je 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ¹⁰ .

V prvem je samotni elektron v 3d orbitah nepar, v drugem pa so vsi elektroni v 3d orbitali seznanjeni.

Reference

1. Helmenstine, Anne Marie, dr. (15. junij 2017). Opredelitev načela Aufbau. Vzeto iz: thinkco.com
2. Prof. N. De Leon. (2001). Načelo Aufbaua. Vzeto iz: iun.edu
3. Kemija 301. Načelo Aufbau. Vzeto iz: ch301.cm.utexas.edu
4. Hozefa Arsiwala in učiteljica.com. (1. junij 2017). V globino: Načelo Aufbau s primeri. Vzeto iz: učiteljica.com
5. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str 199-203.
6. Goodphy. (27. julij 2016). Shema Madelung. . Izvedeno iz: commons.wikimedia.org