Принцип Aufbau концепції та пояснення, приклади



The Принцип Aufbau Він складається з корисного керівництва для теоретичного прогнозування електронної конфігурації елемента. Слово aufbau це відноситься до німецького дієслова "build". Правила, продиктовані цим принципом, мають на меті "допомогти побудувати атом".

Якщо говорити про гіпотетичну атомну конструкцію, то це стосується виключно електронів, які, у свою чергу, йдуть рука об руку з зростаючою кількістю протонів. Протони визначають атомний номер Z хімічного елемента, і для кожного доданого в ядро ​​електрона додають для компенсації цього збільшення позитивного заряду..

Хоча, здається, що протони не слідують встановленому порядку приєднання до ядра атома, електрони виконують ряд умов, так що вони займають спочатку області атома нижчої енергії, зокрема ті, де ймовірність їх знаходження в просторі більше: орбіталі.

Принцип Ауфбау, разом з іншими правилами електронного заповнення (принцип виключення Паулі та правило Гунда), допомагає встановити порядок додавання електронів до електронної хмари; Таким чином, можна призначити електронну конфігурацію конкретного хімічного елемента.

Індекс

  • 1 Поняття та пояснення
    • 1.1 Шари і підшари
    • 1.2 Принцип виключення Паулі і правління Хунда
  • 2 Приклади
    • 2.1 Вуглець
    • 2.2 Кисень
    • 2.3 Кальцій
  • 3 Обмеження принципу Aufbau
  • 4 Посилання 

Концепція та пояснення

Якби атом розглядалися як би лук, то це було б в межах цієї кінцевої кількості шарів, що визначається основним квантовим числом n.

За межами, всередині них, знаходяться підшари, форми яких залежать від азимутальних і магнітних квантових чисел.

Орбіталі ідентифікуються першими трьома квантовими числами, а четверта - спина, закінчуючи, показуючи, в якій орбіті буде розташований електрон. Саме тоді в цих областях атома, де обертаються електрони, від внутрішніх шарів до зовнішнього: валентний шар, найбільш енергійний з усіх.

Якщо так, то в якому порядку електрони повинні заповнювати орбіталі? Відповідно до принципу Aufbau, вони повинні бути призначені відповідно до зростаючого значення (n + l).

Крім того, в межах підшару (n + l) електрони повинні займати підрівень з найменшою енергетичною величиною; іншими словами, вони займають найменше значення n.

Дотримуючись цих правил побудови, Madelung розробив візуальний метод, який полягає у відстеженні діагональних стрілок, які допомагають побудувати електронну конфігурацію атома. У деяких освітніх сферах цей метод також відомий як дощовий метод.

Шари та підшари

Перше зображення ілюструє графічний спосіб отримання електронних конфігурацій, в той час як друге зображення є відповідним методом Маделунга. Найбільш енергійні шари розташовані у верхній частині, а найменш енергетичні - у низхідному напрямку.

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

Результатом цих розрахунків є побудова зображення. Тому, якщо вона недоступна, досить визначити (n + l) для кожної орбіти, починаючи заповнювати орбіталі з електронами з найнижчого значення (n + l) до максимального значення..

Однак використання методу Маделунга значно полегшує побудову електронної конфігурації і робить її цікавою для тих, хто вивчає періодичну таблицю..

Принцип виключення Паулі і правління Хунда

Метод Madelung не вказує орбіталі підрівнів. Зважаючи на це, принцип виключення Паулі стверджує, що електрон не може мати однакові квантові числа як інші; або те ж саме, пара електронів не може мати обох спинів позитивними або негативними.

Це означає, що їх квантові числа спинів не можуть бути рівними і, отже, вони повинні відповідати своїм спинам, щоб зайняти ту ж орбітальну.

З іншого боку, заповнення орбіталей повинно здійснюватися таким чином, щоб вони вироджувалися в енергії (правило Гунда). Це досягається за рахунок утримання всіх електронів орбіталей неспареними, поки не буде суворо необхідна пара з них (як з киснем)..

Приклади

Наступні приклади підсумовують всю концепцію принципу Aufbau.

Вуглець

Щоб визначити його електронну конфігурацію, спочатку треба знати атомний номер Z, а значить і кількість електронів. Вуглець має Z = 6, тому необхідно встановити його 6 електронів у орбіталях за допомогою методу Маделунга:

Стрілки відповідають електронам. Після заповнення 1s і 2s орбіталей, кожен з двома електронами, два залишилися електрона присвоюються 2p орбіталям за різницею. Саме так виявляється правило Гунда: дві вироджені орбіталі і одна порожня.

Кисень

Кисень має Z = 8, тому він має два додаткових електрони, на відміну від вуглецю. Один з цих електронів повинен бути розміщений у порожній орбітальній 2p, а інший повинен бути з'єднаний, щоб сформувати першу пару, зі стрілкою, спрямованою вниз. Отже, тут проявляється принцип виключення Паулі.

Кальцій

Кальцій має 20 електронів, а орбіталі також заповнюються одним і тим же методом. Порядок наповнення є наступним: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Можна помітити, що замість заповнення першої орбіти 3d електрони займають 4s. Це відбувається до відкриття перехідних металів, елементів, які заповнюють внутрішній шар 3d.

Обмеження принципу Aufbau

Принцип Ауфбау не дозволяє передбачити електронні конфігурації багатьох перехідних металів і рідкоземельних елементів (лантаноїдів і актинідів).

Це пояснюється тим, що різниця енергії між ns і (n-1) d орбіталями низька. Через причини, підтримувані квантовою механікою, електрони можуть вважати за краще вироджувати орбіталі (n-1) d за рахунок зникнення або витіснення електронів з орбітальної нс..

Відомий приклад - мідь. Його електронна конфігурація, передбачена принципом Aufbau, дорівнює 1s22s22p63s23п64s23d9, коли експериментально було показано 1s22s22p63s23п64s13d10.

У першому солітарний електрон неспарений в 3d-орбіталі, а у другому всі електрони 3d-орбіталей парні.

Список літератури

  1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (15 червня 2017 року). Визначення принципу Aufbau. Взяті з: thoughtco.com
  2. Проф. Н. Де Леон. (2001). Принцип Aufbau. Взяті з: iun.edu
  3. Хімія 301. Принцип Aufbau. Взяті з: ch301.cm.utexas.edu
  4. Hozefa Arsiwala та педагогічний вигляд.com. (1 червня 2017 року). У глибині: Принцип Aufbau з прикладами. Взяті з: teacherlookup.com
  5. Уіттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія (8-е изд.). CENGAGE Learning, стор 199-203.
  6. Goodphy (27 липня 2016 року). Схема Маделунга. [Малюнок] Взяті з: commons.wikimedia.org