ПРИНЦИП НА AUFBAU: КОНЦЕПЦИЯ И ОБЯСНЕНИЕ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2026

Принципът на Aufbau е полезно ръководство за теоретично прогнозиране на електронната конфигурация на даден елемент. Думата aufbau се отнася до немския глагол „да строя“. Правилата, продиктувани от този принцип, имат за цел "да помогнат за изграждането на атома".

Що се отнася до хипотетичната атомна конструкция, тя се отнася изключително за електроните, които от своя страна вървят ръка за ръка с нарастващия брой протони. Протоните определят атомното число Z на химичен елемент и за всеки, добавен към ядрото, се добавя електрон, който да компенсира това увеличение на положителния заряд.

Въпреки че изглежда, че протоните не следват установен ред да се присъединят към ядрото на атома, електроните следват редица условия по такъв начин, че първо заемат областите на атома с по-ниска енергия, по-специално тези, при които вероятността да ги намерят в космоса е по-голяма: орбиталите.

Принципът на Ауфбау, заедно с други правила за електронно пълнене (принципът на изключване на Паули и правилото на Хунд), помага да се установи редът, в който електроните трябва да се добавят към електронния облак; По този начин е възможно да се зададе електронна конфигурация на определен химичен елемент.

Понятие и обяснение

Ако атомът се считаше за лук, в него щеше да се намери ограничен брой слоеве, определени от главното квантово число n.

По-нататък вътре в тях са подпокрилата, чиито форми зависят от азимуталните l и магнитните квантови числа m.

Орбиталите се идентифицират чрез първите три квантови числа, докато четвъртото, спин, завършва нагоре, което показва в коя орбитала ще бъде разположен електронът. Точно в тези области на атома се въртят електроните, от най-вътрешните слоеве до най-външните: валентният слой, най-енергичният от всички.

При това положение в какъв ред електроните трябва да запълнят орбиталите? Според принципа на Aufbau, те трябва да бъдат назначени въз основа на нарастващата стойност (n + l).

По същия начин, в подматериите (n + l), електроните трябва да заемат подпокривницата с най-ниската енергийна стойност; с други думи, те заемат най-ниската стойност на n.

Следвайки тези строителни правила, Madelung разработи визуален метод, който се състои от начертаване на диагонални стрелки, които помагат да се изгради електронната конфигурация на атом. В някои образователни сфери този метод е известен още като метод за дъжд.

Слоеве и подслоеве

Първото изображение илюстрира графичен метод за получаване на електронните конфигурации, докато второто изображение е съответният метод на Madelung. Най-енергийните слоеве са разположени в горната част, а най-малко енергийните - в посока надолу.

Отляво надясно, подслоевете s, p, d и f от съответните им основни енергийни нива се „преминават“. Как да изчислим стойността на (n + l) за всяка стъпка, маркирана с диагоналните стрелки? Например, за орбитала 1s това изчисление е равно на (1 + 0 = 1), за орбиталата 2s (2 + 0 = 2), а за орбиталата 3p (3 + 1 = 4).

Резултатът от тези изчисления произхожда от изграждането на изображението. Следователно, ако не е наличен под ръка, просто определете (n + l) за всяка орбитала, като започнете да запълвате орбиталите с електрони от тази с най-малката стойност (n + l) до тази с максималната стойност.

Използването на метода Madelung обаче значително улеснява изграждането на електронната конфигурация и я прави забавна дейност за тези, които учат периодичната таблица.

Принцип на изключване на Паули и правило на Хунд

Методът на Madelung не посочва орбиталите на подполите. Като ги вземе предвид, принципът на изключване на Паули гласи, че никой електрон не може да има същите квантови числа като друг; или кое е същото, чифт електрони не могат да имат както положителни, така и отрицателни завъртания.

Това означава, че техните квантови числа s не могат да бъдат еднакви и следователно техните завъртания трябва да се сдвояват, когато заемат една и съща орбитала.

От друга страна, запълването на орбиталите трябва да се извърши по такъв начин, че да се изродят от енергия (правило на Хунд). Това се постига, като се запазят всички електрони в орбиталите не сдвоени, докато не е строго необходимо да се свърже двойка от тях (както с кислорода).

Примери

Следващите примери обобщават цялата концепция на принципа на Ауфбау.

въглероден

За да се определи неговата електронна конфигурация, първо трябва да се знае атомното число Z, а оттам и броят на електроните. Въглеродът има Z = 6, така че неговите 6 електрона трябва да бъдат разположени в орбиталите, използвайки метода на Madelung:

Стрелките съответстват на електроните. След като орбиталите 1s и 2s се запълнят, всеки с по два електрона, 2p орбиталите се присвояват по разлика от останалите два електрона. По този начин се проявява правилото на Хунд: две изродени орбитали и една празна.

кислород

Кислородът има Z = 8, така че има два допълнителни електрона за разлика от въглерода. Един от тези електрони трябва да бъде поставен в празната 2p орбитала, а другият трябва да се сдвои, за да образува първата двойка, като стрелката е насочена надолу. Следователно тук се проявява принципът на изключване на Паули.

калций

Калцият има 20 електрона, а орбиталите все още са запълнени по същия метод. Редът за попълване е следният: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Може да се отбележи, че вместо първо да запълни 3d орбиталата, електроните заемат 4-те. Това се случва преди да се направи път на преходните метали, елементи, които изпълват вътрешния 3d слой.

Ограничения на принципа на Aufbau

Принципът на Ауфбау не успява да предвиди електронните конфигурации на много преходни метали и редкоземни елементи (лантаниди и актиниди).

Това е така, защото енергийните разлики между орбиталите ns и (n-1) d са ниски. По причини, подкрепени от квантовата механика, електроните могат да предпочетат да изродят орбиталите (n-1) d с цената на отпарване или изхвърляне на електроните от ns орбитала.

Известен пример е случаят с медта. Електронната му конфигурация, предвидена от принципа на Aufbau, е 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹, когато експериментално е доказано, че е 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ¹⁰.

В първия един единичен електрон се разделя в 3d орбитала, докато във втория всички електрони в 3d орбиталите са сдвоени.

Препратки

1. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (15 юни 2017 г.). Определение на принципа на Aufbau. Взета от: thinkco.com
2. Проф. Н. Де Леон. (2001 г.). Принципът на Ауфбау. Взета от: iun.edu
3. Химия 301. Принцип на Ауфбау. Взето от: ch301.cm.utexas.edu
4. Hozefa Arsiwala и teacherlookup.com. (1 юни 2017 г.). В дълбочина: Принцип на Aufbau с примери. Взета от: učiteljica.com
5. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Обучение, стр. 199-203.
6. Goodphy. (27 юли 2016 г.). Схема на Madelung., Взета от: commons.wikimedia.org