AUFBAU PRINCIPS: JĒDZIENS UN SKAIDROJUMS, PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Aufbau princips ir noderīgs ceļvedis, lai prognozētu teorētiski elektronisko konfigurāciju elementa. Vārds aufbau attiecas uz vācu darbības vārdu "būvēt". Noteikumi, ko diktē šis princips, ir domāti, lai "palīdzētu veidot atomu".

Runājot par hipotētisko atomu uzbūvi, tas attiecas tikai uz elektroniem, kuri savukārt iet roku rokā ar pieaugošo protonu skaitu. Protoni nosaka ķīmiskā elementa atomu numuru Z, un katram no tiem, kas pievienoti kodolam, tiek pievienots elektrons, lai kompensētu šo pozitīvā lādiņa palielināšanos.

Lai arī šķiet, ka protoni neseko noteiktai kārtībai, lai pievienotos atoma kodolam, elektroni ievēro virkni apstākļu tādā veidā, ka tie vispirms okupē atoma reģionus ar zemāku enerģiju, īpaši tajos, kur varbūtība tos atrast kosmosā ir lielāks: orbitāles.

Aufbau princips kopā ar citiem elektroniskās aizpildīšanas noteikumiem (Pauli izslēgšanas princips un Hunda noteikums) palīdz noteikt kārtību, kādā elektroni jāpievieno elektronu mākonim; Tādā veidā ir iespējams piešķirt noteikta ķīmiskā elementa elektronisko konfigurāciju.

Jēdziens un skaidrojums

Ja atomu uzskatītu par sīpolu, tajā atrastos ierobežots slāņu skaits, ko nosaka ar galveno kvantu numuru n.

Tālāk to iekšpusē atrodas apakššūnas, kuru formas ir atkarīgas no azimutālā l un magnētiskajiem kvantu skaitļiem m.

Orbītas tiek identificētas ar pirmajiem trim kvantu skaitļiem, bet ceturtais, ar spinēm, galu galā norāda, kurā orbitālē elektrons atradīsies. Tieši šajos atoma reģionos elektroni rotē no iekšējiem slāņiem uz visattālākajiem: valences slānis, visspēcīgākais no visiem.

Tādā gadījumā kādā secībā elektroniem vajadzētu aizpildīt orbitāles? Saskaņā ar Aufbau principu tie jāpiešķir, pamatojoties uz pieaugošo vērtību (n + l).

Tāpat arī apakššellos (n + l) elektroniem jāaizņem apakššūna ar zemāko enerģijas vērtību; citiem vārdiem sakot, tie aizņem zemāko n vērtību.

Ievērojot šos būvniecības noteikumus, Madelungs izstrādāja vizuālo metodi, kas sastāv no diagonālo bultu vilkšanas, kas palīdz veidot atoma elektronisko konfigurāciju. Dažās izglītības sfērās šo metodi sauc arī par lietus metodi.

Slāņi un apakšklāji

Pirmais attēls ilustrē grafisko metodi elektronu konfigurāciju iegūšanai, bet otrais attēls ir attiecīgā Madelung metode. Enerģētiskākie slāņi atrodas augšpusē, un vismazāk enerģētiskie - lejupvērstā virzienā.

No kreisās un labās puses “slīd” apakšslāņi s, p, d un f to attiecīgajiem galvenajiem enerģijas līmeņiem. Kā aprēķināt (n + l) vērtību katram solim, kuru apzīmē diagonāles bultiņas? Piemēram, 1s orbitālei šis aprēķins ir vienāds ar (1 + 0 = 1), 2s orbitālei (2 + 0 = 2) un 3p orbitālei (3 + 1 = 4).

Šo aprēķinu rezultāts ir attēla uzbūve. Tāpēc, ja tas nav pieejams pie rokas, vienkārši nosakiet (n + l) katram orbitālam, sākot orbitāles piepildīt ar elektroniem, sākot ar to, kurai ir mazākā vērtība (n + l), līdz tai, kurai ir maksimālā vērtība.

Tomēr Madelungas metodes izmantošana ievērojami atvieglo elektronu konfigurācijas veidošanu un padara to par izklaidējošu darbību tiem, kas mācās periodisko tabulu.

Pauli izslēgšanas princips un Hunda noteikums

Madelunga metode nenorāda apakššūnu orbitāles. Ņemot tos vērā, Pauli izslēgšanas princips nosaka, ka nevienam elektronam nevar būt tādi paši kvantu skaitļi kā citam; vai kas ir tas pats, elektronu pārim nevar būt gan pozitīva, gan negatīva grieziena.

Tas nozīmē, ka to griezienu kvantu skaitļi s nevar būt vienādi, un tāpēc to spiniem jābūt pāriem, aizņemot to pašu orbitāli.

No otras puses, orbitāļu piepildīšana jāveic tā, lai tām būtu enerģijas deģenerācija (Hunda noteikums). To panāk, turot visus orbitālē esošos elektronus nepārus, līdz ir absolūti nepieciešams savienot pārus no šiem (tāpat kā ar skābekli).

Piemēri

Šie piemēri apkopo visu Aufbau principa koncepciju.

Ogleklis

Lai noteiktu tā elektronisko konfigurāciju, vispirms ir jāzina atoma skaitlis Z, tātad elektronu skaits. Oglekļa atoms ir Z = 6, tāpēc tā 6 elektroniem jāatrodas orbitālēs, izmantojot Madelunga metodi:

Bultas atbilst elektroniem. Pēc tam, kad ir piepildītas 1s un 2s orbitāles, katra ar diviem elektroniem, 2p orbitāles tiek atdalītas ar atlikušo divu elektronu starpību. Tādējādi tiek izpausts Hunda noteikums: divi deģenerēti orbitāli un viens tukšs.

Skābeklis

Skābeklim ir Z = 8, tāpēc atšķirībā no oglekļa tajā ir divi papildu elektroni. Viens no šiem elektroniem jānovieto tukšā 2p orbītā, bet otrs jāsavieno pārī, lai veidotu pirmo pāri ar bultiņu vērstu uz leju. Līdz ar to šeit izpaužas Pauli izslēgšanas princips.

Kalcijs

Kalcijam ir 20 elektronu, un orbītas joprojām tiek piepildītas ar to pašu metodi. Aizpildīšanas secība ir šāda: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Var atzīmēt, ka tā vietā, lai vispirms aizpildītu 3d orbitāli, elektroni aizņem 4 s. Tas notiek pirms pārejas metālu izveides, elementi, kas aizpilda iekšējo 3d slāni.

Aufbau principa ierobežojumi

Aufbau princips nespēj paredzēt daudzu pārejas metālu un retzemju elementu (lantanīdu un aktinīdu) elektroniskās konfigurācijas.

Tas notiek tāpēc, ka enerģētiskās atšķirības starp ns un (n-1) d orbitāles ir zemas. Kvantu mehānikas atbalstītu iemeslu dēļ elektroni var dot priekšroku degenerēt (n-1) d orbitāles uz elektronu atsaukšanas vai izmešanas no ns orbitāles rēķina.

Slavens piemērs ir vara gadījums. Tā elektronu konfigurācija, kas prognozēta pēc Aufbau principa, ir 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹ , ja eksperimentāli ir pierādīts, ka tā ir 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ¹⁰ .

Pirmajā viendaļīgs elektrons nav savienots 3D orbitālē, savukārt otrajā visi 3D orbitālē esošie elektroni ir sapāroti.

Atsauces

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2017. gada 15. jūnijs). Aufbau principa definīcija. Paņemts no: domaco.com
2. Prof. N. De Leons. (2001). Aufbau princips. Iegūts no: iun.edu
3. Ķīmija 301. Aufbau princips. Paņemts no: ch301.cm.utexas.edu
4. Hozefa Arsiwala un teacherlookup.com. (2017. gada 1. jūnijs). Dziļumā: Aufbau princips ar piemēriem. Paņemts no: teacherlookup.com
5. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās, 199.-203. Lpp.
6. Goodphy. (2016. gada 27. jūlijs). Madelungas shēma. . Paņemts no: commons.wikimedia.org