Aufbaujev princip je metoda za razlago razporeditve elektronov znotraj atomov različnih kemičnih elementov. Atomska teorija je lahko zapletena in težka, vendar to načelo zagotavlja preprost niz pravil, ki lahko razložijo elektronske konfiguracije velike večine elementov. Izraz izvira iz nemške besede, ki pomeni “gradnjo” in se nanaša na način, kako se elektroni dodajajo atomom, ki prehajajo od lažjih do težjih elementov. Načelo ni popolno in obstaja nekaj izjem, je pa zelo uporabno orodje za spoznavanje strukture atoma.
Lupine, podlupine in orbitale
Da bi razumeli Aufbaujev princip, je treba najprej pogledati strukturo atoma. Za elektrone lahko rečemo, da krožijo okoli pozitivno nabitega jedra; vendar obstajajo določena pravila, ki narekujejo, kako jih je mogoče urediti. V splošno sprejetem modelu zasedajo lupine, ki jih lahko obravnavamo kot koncentrične, okoli jedra. Znotraj teh so podlupine, znotraj katerih so orbitale. Orbitala opisuje prostor, ki ga naseljuje elektron.
Lupine so oštevilčene z 1, 2, 3 itd., po vrstnem redu naraščanja oddaljenosti od jedra – in naraščajočih ravni energije – s številkami, ki kažejo tudi, koliko podlupin lahko imajo. Podlupine so označene s s, p, d in f, v splošnem vrstnem redu energije, ki jo imajo elektroni v orbitalah, ki jih vsebujejo. Vsaka ima največje število orbital, ki jih lahko zadrži: s ima samo eno, p ima tri, d ima pet in f ima sedem, vsaka orbitala pa lahko vsebuje največ dva elektrona. Vse orbitale znotraj podlupine imajo enako energijsko raven.
To je povzeto v spodnji tabeli:
Lupine, podlupine in orbitale
Največje število elektronov podlupinskih orbital
1s 12
2 s1 2
— p3 6
3 s1 2
— p3 6
— d5 10
4 s1 2
— p3 6
— d5 10
— f7 14
To na primer kaže, da ima lupina 3 podlupino s, ap in ad. Ko bi bil popolnoma napolnjen, bi imel skupaj 2 + 6 + 10 = 18 elektronov. Konfiguracijo elektronov za element lahko na primer zapišemo kot:
1s22s22p1
ki je element številka pet, bor. To prikazuje številko lupine, ki ji sledi črka podlupine, s številom elektronov, ki jih vsebuje, v nadpisu.
Konstruiranje elementov
Možno si je predstavljati gradnjo progresivno težjih elementov z dodajanjem elektronov, začenši z najlažjim elementom, vodikom (1s1). Ko se dodajajo elektroni, zapolnijo orbitale znotraj podlupine znotraj lupine. Splošno pravilo je, da bo vsak sistem sprejel konfiguracijo, ki ima najnižjo energijo. Čeprav je to zelo preprosto pravilo, lahko določanje razporeditve najnižje energije in razlaga konfiguracij vključuje veliko zapletov zaradi interakcij med delci. Elektroni bodo seveda težili, da zapolnijo nižje energijske orbitale pred orbitalami z višjo energijo, načelo Aufbau pa skuša razložiti, kako se to zgodi.
Pravila
Aufbau načelo ima samo tri pravila:
Elektroni bodo napolnili orbitale v naraščajočem vrstnem redu energije – to pomeni, da bodo najprej napolnili orbitale z najnižjo energijo. Ker imajo vse orbitale v dani podlupini enako energijsko raven, morajo biti vse napolnjene, preden se začne polniti naslednja podlupina.
Vsaka orbitala lahko vsebuje največ dva elektrona, ti pa morajo imeti nasprotne vrtljaje.
Če sta na voljo dve ali več orbital z enako energijsko ravnjo, nobena od njih ne bo napolnjena, dokler vse ne bodo imele elektrona. Z drugimi besedami, elektroni se bodo poskušali enakomerno porazdeliti po razpoložljivih orbitalah iste energije, kjer koli je to mogoče.
V primeru najpreprostejšega elementa, vodika, njegov en elektron sedi v orbitali v s podlupini. Naslednji element, helij, ima drugi elektron, ki gre v isto orbitalo: 1s2. Orbitala, s podlupina in lupina 1 so zdaj polne. Litij s tremi elektroni ima enako konfiguracijo kot helij, vendar z dodatnim elektronom v s podlupini lupine 2, saj je to najnižja energijska orbitala, ki je na voljo: 1s22s1.
Če preskočimo nekaj elementov, ima ogljik s šestimi elektroni konfiguracijo 1s22s22p2: obe s podlupini sta napolnjeni, tako da gresta dva preostala elektrona v p podlupino. V skladu s tretjim pravilom Aufbaujevega principa bodo šli v različne orbitale.
izjeme
Ko elementi postanejo težji, postane njihova ureditev orbital bolj zapletena in včasih lahko interakcije med elektroni povzročijo izjeme od Aufbaujevega načela. Pravila veljajo do elementa številka 24, kroma. To je eden od peščice elementov, ki se ne ujemajo povsem. Svojo podlupino 4s pusti neizpolnjeno, medtem ko je v naslednji podlupini pet elektronov, ker je v tem nenavadnem primeru nekoliko nižja energijska konfiguracija od tiste, ki jo predvidevajo pravila. Druge izjeme sta baker in srebro.
uporabljate
Kljub izjemam je načelo Aufbau uporabno pri predmetih kemije, kjer študentje odkrivajo temeljna pravila o atomski strukturi in lastnostih elementov. Za prikaz delovanja principa za različne vzorčne elemente lahko uporabite grafikon ali diagram. To bo običajno prikazalo lupine, podlupine in orbitale na način, ki jasno ponazarja, kako so napolnjene.