Αρχή της έννοιας Aufbau και επεξήγηση, Παραδείγματα



Το Αρχή της Aufbau Αποτελείται από έναν χρήσιμο οδηγό για τη θεωρητική πρόβλεψη της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός στοιχείου. Η λέξη aufbau αναφέρεται στο γερμανικό ρήμα "build". Οι κανόνες που υπαγορεύονται από αυτή την αρχή έχουν σκοπό να "βοηθήσουν στην κατασκευή του ατόμου".

Όταν μιλάμε για την υποθετική ατομική κατασκευή, αναφέρεται αποκλειστικά σε ηλεκτρόνια, τα οποία με τη σειρά τους συμβαδίζουν με τον αυξανόμενο αριθμό πρωτονίων. Τα πρωτόνια ορίζουν τον ατομικό αριθμό Ζ ενός χημικού στοιχείου και για κάθε ένα που προστίθεται στον πυρήνα προστίθεται ένα ηλεκτρόνιο για να αντισταθμιστεί αυτή η αύξηση του θετικού φορτίου.

Αν και φαίνεται ότι τα πρωτόνια δεν ακολουθούν σταθερή τάξη για να ενταχθούν στον πυρήνα του ατόμου, τα ηλεκτρόνια ακολουθούν μια σειρά συνθηκών, έτσι ώστε να καταλαμβάνουν πρώτα τις περιοχές του ατόμου με χαμηλότερη ενέργεια, ειδικά εκείνες όπου η πιθανότητα να τους βρεθεί στο διάστημα είναι μεγαλύτερη: τα τροχιακά.

Η αρχή Aufbau, μαζί με άλλους κανόνες ηλεκτρονικής πλήρωσης (η αρχή αποκλεισμού Pauli και ο κανόνας Hund), συμβάλλει στην καθιέρωση της τάξης με την οποία πρέπει να προστεθούν ηλεκτρόνια στο ηλεκτρονικό σύννεφο. Με αυτό τον τρόπο, είναι δυνατή η αντιστοίχιση μιας ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός συγκεκριμένου χημικού στοιχείου.

Ευρετήριο

  • 1 Έννοια και εξήγηση
    • 1.1 Στρώματα και υποστρώματα
    • 1.2 Αρχή του αποκλεισμού της Παύλης και της κυριαρχίας του Χουντ
  • 2 Παραδείγματα
    • 2.1 Άνθρακας
    • 2.2 Οξυγόνο
    • 2.3 Ασβέστιο
  • 3 Περιορισμοί της αρχής Aufbau
  • 4 Αναφορές 

Έννοια και εξήγηση

Εάν το άτομο θεωρήθηκε σαν ένα κρεμμύδι, θα ήταν εντός αυτού μια πεπερασμένη ποσότητα στρωμάτων, που καθορίζεται από τον κύριο αριθμό κ.

Πέρα από αυτά, μέσα τους, είναι οι υποστοιχείες, οι μορφές των οποίων εξαρτώνται από τους κβαντικούς αριθμούς αζιμουθαλικούς και μαγνητικούς.

Οι τροχιές προσδιορίζονται από τους τρεις πρώτους κβαντικούς αριθμούς, ενώ ο τέταρτος, εκείνος της περιστροφής, τελειώνει υποδεικνύοντας σε ποιο τροχιακό θα βρίσκεται το ηλεκτρόνιο. Είναι τότε σε αυτές τις περιοχές του ατόμου όπου τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται, από τα εσωτερικά στρώματα έως τα εξώτατα: το στρώμα σθένους, το πιο ενεργητικό από όλα.

Εάν ναι, με ποια σειρά θα έπρεπε τα ηλεκτρόνια να γεμίσουν τις τροχιές; Σύμφωνα με την αρχή του Aufbau, πρέπει να κατανέμονται ανάλογα με την αυξανόμενη αξία (n + l).

Επίσης, μέσα στα υποστρώματα (n + 1) τα ηλεκτρόνια πρέπει να καταλαμβάνουν την υποστοιβάδα με τη χαμηλότερη ενεργειακή τιμή. με άλλα λόγια, καταλαμβάνουν τη χαμηλότερη τιμή του n.

Σύμφωνα με αυτούς τους κανόνες κατασκευής, ο Madelung ανέπτυξε μια οπτική μέθοδο που συνίσταται στον εντοπισμό των διαγώνιων βέλων, τα οποία βοηθούν στην κατασκευή της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης ενός ατόμου. Σε μερικές εκπαιδευτικές σφαίρες η μέθοδος αυτή είναι επίσης γνωστή ως μέθοδος βροχής.

Επίπεδα και υποστρώματα

Η πρώτη εικόνα απεικονίζεται μια γραφική μέθοδο για ηλεκτρονικές διαμορφώσεις, ενώ η δεύτερη εικόνα είναι το αντίστοιχο μέθοδος Madelung. Τα πιο ενεργητικά στρώματα βρίσκονται στην κορυφή και τα λιγότερο ενεργητικά βρίσκονται προς τα κάτω.

Από τα αριστερά προς τα δεξιά οι υποστρώσεις s, p, d και f των αντίστοιχων κύριων ενεργειακών επιπέδων τους "διέρχονται". Πώς να υπολογίσετε την τιμή του (n + l) για κάθε βήμα που σημειώνεται από τα διαγώνια βέλη; Για παράδειγμα, για τον τροχό 1s ο υπολογισμός αυτός είναι ίσος με (1 + 0 = 1), για τον τροχό 2s (2 + 0 = 2).

Το αποτέλεσμα αυτών των υπολογισμών προέρχεται από την κατασκευή της εικόνας. Επομένως, εάν δεν είναι διαθέσιμη στο χέρι, αρκεί να προσδιοριστεί (n + l) για κάθε τροχιά, αρχίζοντας να γεμίζει τα τροχιακά με τα ηλεκτρόνια από εκείνα με τη χαμηλότερη τιμή (n + l) στη μέγιστη τιμή.

Ωστόσο, η χρήση της μεθόδου Madelung διευκολύνει σημαντικά την κατασκευή της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης και την καθιστά μια διασκεδαστική δραστηριότητα για όσους μαθαίνουν τον περιοδικό πίνακα.

Αρχή αποκλεισμού της Παύλης και κυριαρχία του Χουντ

Η μέθοδος Madelung δεν υποδεικνύει τις τροχιές των υποστρωμάτων. Λαμβάνοντας αυτά υπόψη, η αρχή του Pauli δηλώνει ότι δεν ηλεκτρονίων μπορούν να έχουν τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς άλλη? ή ό, τι είναι το ίδιο, ένα ζεύγος ηλεκτρονίων δεν μπορεί να έχει και τις δύο περιστροφές θετικές ή αρνητικές.

Αυτό σημαίνει ότι ο κβαντικός τους αριθμός περιστροφών δεν μπορεί να είναι ίσος και, επομένως, πρέπει να ταιριάζουν με τις περιστροφές τους ώστε να καταλαμβάνουν το ίδιο τροχιακό.

Από την άλλη πλευρά, η πλήρωση των τροχιακών πρέπει να γίνεται με τέτοιο τρόπο ώστε να εκφυλίζονται στην ενέργεια (κανόνας του Hund). Αυτό επιτυγχάνεται διατηρώντας όλα τα ηλεκτρόνια των τροχιακών μη ζευγαρωμένα, μέχρις ότου είναι απολύτως απαραίτητο να ζευγαρώσετε ένα ζεύγος αυτών (όπως με το οξυγόνο).

Παραδείγματα

Τα ακόλουθα παραδείγματα συνοψίζουν ολόκληρη την έννοια της αρχής της Aufbau.

Άνθρακα

Για τον προσδιορισμό ηλεκτρονική διαμόρφωση του, θα πρέπει πρώτα να γνωρίζουμε τον ατομικό αριθμό Ζ, και έτσι τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Carbon έχει Ζ = 6, έτσι πρέπει να εντοπίσει έξι ηλεκτρόνια του στο τροχιακά με τη μέθοδο Madelung:

Τα βέλη αντιστοιχούν στα ηλεκτρόνια. Μετά την πλήρωση των τροχιακών 1s και 2s, κάθε ένα με δύο ηλεκτρόνια, τα δύο εναπομείναντα ηλεκτρόνια αντιστοιχούν στα διαφορικά 2b τροχιακά. Έτσι εκδηλώνεται ο κανόνας του Hund: δύο εκφυλισμένοι τροχιακοί και ένας κενός.

Οξυγόνο

Το οξυγόνο έχει Z = 8, οπότε έχει δύο επιπλέον ηλεκτρόνια, σε αντίθεση με τον άνθρακα. Ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια πρέπει να τοποθετηθεί στο κενό 2p τροχιακό, και το άλλο πρέπει να ζευγαρωθεί για να σχηματίσει το πρώτο ζεύγος, με το βέλος να δείχνει προς τα κάτω. Κατά συνέπεια, η αρχή αποκλεισμού του Pauli εκδηλώνεται εδώ.

Ασβέστιο

Το ασβέστιο έχει 20 ηλεκτρόνια και οι τροχιές γεμίζονται με την ίδια μέθοδο. Η σειρά πλήρωσης έχει ως εξής: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Μπορεί να σημειωθεί ότι αντί της πλήρωσης του 3d τροχιακή πρώτο, ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τις 4s. Αυτό συμβαίνει πριν ανοίξετε τα μεταβατικά μέταλλα, στοιχεία που γεμίζουν το εσωτερικό στρώμα 3d.

Περιορισμοί της αρχής Aufbau

Η αρχή του Aufbau δεν προβλέπει την πρόβλεψη των ηλεκτρονικών συνθέσεων πολλών μεταβατικών μετάλλων και στοιχείων σπανίων γαιών (λανθανίδες και ακτινίδες).

Αυτό συμβαίνει επειδή οι διαφορές ενέργειας μεταξύ των ns και (n-1) d τροχιακών είναι χαμηλές. Λόγω των λόγων που υποστηρίζονται από την κβαντική μηχανική, τα ηλεκτρόνια ενδέχεται να προτιμούν να εκφυλίσουν τα τροχιακά (n-1) d με την προϋπόθεση ότι θα εξαφανιστούν ή θα απομακρυνθούν τα ηλεκτρόνια από τα ns orbital.

Ένα διάσημο παράδειγμα είναι η περίπτωση του χαλκού. Η ηλεκτρονική του διαμόρφωση που προβλέπεται από την αρχή Aufbau είναι 1s22s22ρ63s23ρ64s23d9, όταν πειραματικά έχει αποδειχθεί ότι είναι 1s22s22ρ63s23ρ64s13d10.

Στο πρώτο ένα μοναχικό ηλεκτρόνιο δεν είναι ζευγαρωμένο σε ένα 3δ τροχιακό, ενώ στο δεύτερο όλα τα ηλεκτρόνια των 3 τροχιακών είναι ζευγαρωμένα.

Αναφορές

  1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (15 Ιουνίου 2017). Ορισμός αρχής Aufbau. Από: thoughtco.com
  2. Καθ. N. De Leon. (2001). Η αρχή Aufbau. Λαμβάνεται από: iun.edu
  3. Χημεία 301. Αρχή Aufbau. Λαμβάνεται από: ch301.cm.utexas.edu
  4. Hozefa Arsiwala και teacherlookup.com. (1η Ιουνίου 2017). Σε βάθος: αρχή Aufbau με παραδείγματα. Λήψη από: teacherlookup.com
  5. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Χημεία (8η έκδοση). CENGAGE Learning, σελ. 199-203.
  6. Goodphy (27 Ιουλίου 2016). Σχέδιο του Madelung. [Εικόνα] Από: commons.wikimedia.org