หลักการแนวคิดของ Aufbau และคำอธิบายตัวอย่าง

หลักการของ Aufbau ประกอบด้วยคำแนะนำที่เป็นประโยชน์ในการทำนายการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบ คำว่า Aufbau มันหมายถึงคำกริยาภาษาเยอรมัน "สร้าง" กฎที่กำหนดโดยหลักการนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อ "ช่วยสร้างอะตอม".

เมื่อพูดถึงการสร้างปรมาณูเชิงสมมุติมันหมายถึงอิเล็กตรอนเท่านั้นซึ่งจะไปจับมือกับจำนวนโปรตอนที่เพิ่มขึ้น โปรตอนกำหนดเลขอะตอมมิกซีขององค์ประกอบทางเคมีและสำหรับแต่ละนิวเคลียสที่เติมเข้าไปจะมีการเพิ่มอิเล็กตรอนเพื่อชดเชยการเพิ่มขึ้นของประจุบวก.

แม้ว่าดูเหมือนว่าโปรตอนจะไม่ทำตามคำสั่งที่จัดตั้งขึ้นเพื่อเข้าร่วมนิวเคลียสของอะตอม แต่อิเล็กตรอนจะทำตามเงื่อนไขต่าง ๆ เพื่อให้พวกมันได้ครอบครองพื้นที่ของอะตอมของพลังงานต่ำเป็นพิเศษ ยิ่งใหญ่กว่า: วงโคจร.

หลักการ Aufbau พร้อมกับกฎการเติมอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ (หลักการกีดกัน Pauli และกฎ Hund) ช่วยในการกำหนดลำดับการเพิ่มอิเล็กตรอนในคลาวด์อิเล็กทรอนิกส์ ด้วยวิธีนี้จึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดองค์ประกอบทางอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง.

ดัชนี

• 1 แนวคิดและคำอธิบาย
  • 1.1 เลเยอร์และเลเยอร์ย่อย
  • 1.2 หลักการกีดกัน Pauli และการปกครองของ Hund
• 2 ตัวอย่าง
  • 2.1 คาร์บอน
  • 2.2 ออกซิเจน
  • 2.3 แคลเซียม
• 3 ข้อ จำกัด ของหลักการ Aufbau
• 4 อ้างอิง 

แนวคิดและคำอธิบาย

ถ้าอะตอมถูกพิจารณาว่าเป็นหัวหอมมันจะอยู่ในปริมาณ จำกัด ของเลเยอร์ซึ่งกำหนดโดยควอนตัมหมายเลขหลัก n.

นอกจากนั้นข้างในนั้นเป็น sublayers ซึ่งรูปแบบขึ้นอยู่กับจำนวนควอนตัมราบและแม่เหล็ก.

วงโคจรจะถูกระบุโดยตัวเลขควอนตัมสามตัวแรกในขณะที่สี่ของการหมุนเสร็จสิ้นการระบุว่าวงโคจรของอิเล็กตรอนจะอยู่ที่ใด มันอยู่ในบริเวณเหล่านี้ของอะตอมที่อิเล็กตรอนหมุนจากชั้นในสุดไปยังด้านนอกสุด: ชั้นวาเลนซ์พลังที่สุดของทั้งหมด.

ถ้าเป็นเช่นนั้นอิเล็กตรอนควรเติมวงโคจรในลำดับใด ตามหลักการ Aufbau พวกเขาจะต้องได้รับมอบหมายตามมูลค่าที่เพิ่มขึ้น (n + l).

นอกจากนี้ภายในเลเยอร์ย่อย (n + l) อิเล็กตรอนจะต้องครอบครองเลเยอร์ย่อยที่มีค่าพลังงานต่ำที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาครอบครองค่าต่ำสุดของ n.

ตามกฎการก่อสร้างเหล่านี้ Madelung ได้พัฒนาวิธีการแสดงภาพที่ประกอบด้วยลูกศรติดตามแนวทแยงซึ่งช่วยสร้างโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม ในบางพื้นที่การศึกษาวิธีการนี้เรียกว่าวิธีฝน.

เลเยอร์และเลเยอร์ย่อย

ภาพแรกแสดงวิธีการแบบกราฟิกเพื่อรับการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ในขณะที่ภาพที่สองเป็นวิธีการที่ Madelung เลเยอร์ที่ทรงพลังที่สุดตั้งอยู่ที่ด้านบนสุดและเลเยอร์ที่ทรงพลังน้อยที่สุดอยู่ในทิศทางที่ลดลง.

จากซ้ายไปขวา sublayers s, p, d และ f ของระดับพลังงานหลักที่เกี่ยวข้องจะถูก "ผ่าน" วิธีคำนวณค่าของ (n + l) สำหรับแต่ละขั้นตอนที่ทำเครื่องหมายด้วยลูกศรแนวทแยง ตัวอย่างเช่นสำหรับ 1s วงโคจรการคำนวณนี้เท่ากับ (1 + 0 = 1) สำหรับวงโคจร 2s (2 + 0 = 2) และสำหรับ 3p วงโคจร (3 + 1 = 4).

ผลลัพธ์ของการคำนวณเหล่านี้มาจากการสร้างภาพ ดังนั้นหากไม่มีอยู่ในมือก็เพียงพอที่จะกำหนด (n + l) สำหรับแต่ละวงเริ่มที่จะเติม orbitals ด้วยอิเล็กตรอนจากที่มีค่าต่ำสุด (n + l) ถึงค่าสูงสุด.

อย่างไรก็ตามการใช้วิธีการ Madelung ช่วยอำนวยความสะดวกในการสร้างการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์อย่างมากและทำให้มันเป็นกิจกรรมที่สนุกสนานสำหรับผู้ที่กำลังเรียนรู้ตารางธาตุ.

หลักการของการกีดกันของ Pauli และกฎของ Hund

วิธีการ Madelung ไม่ได้บ่งชี้ถึงวงโคจรของ sublayers เมื่อพิจารณาถึงหลักการกีดกันของ Pauli ระบุว่าไม่มีอิเล็กตรอนใดสามารถมีจำนวนควอนตัมเหมือนกัน หรืออะไรที่เหมือนกันอิเล็กตรอนคู่หนึ่งไม่สามารถมีทั้งหมุนเป็นบวกหรือลบได้.

ซึ่งหมายความว่าจำนวนควอนตัมของสปินของพวกเขาจะไม่เท่ากันและดังนั้นพวกเขาจะต้องจับคู่สปินของพวกเขาเพื่อให้อยู่ในวงโคจรเดียวกัน.

ในทางตรงกันข้ามการเติม orbitals จะต้องทำในลักษณะที่พวกเขาจะเสื่อมโทรมในพลังงาน (กฎของ Hund) นี่คือความสำเร็จโดยการรักษาอิเล็กตรอนทั้งหมดของ orbitals unpaired จนกว่าจะมีความจำเป็นอย่างเคร่งครัดในการจับคู่คู่ของเหล่านี้ (เช่นเดียวกับออกซิเจน).

ตัวอย่าง

ตัวอย่างต่อไปนี้สรุปแนวคิดทั้งหมดของหลักการของ Aufbau.

คาร์บอน

ในการตรวจสอบการกำหนดค่าทางอิเล็คทรอนิกส์นั้นเราจะต้องรู้เลขอะตอมก่อนและจึงต้องทราบจำนวนอิเล็กตรอน คาร์บอนมีค่า Z = 6 ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องค้นหาอิเล็กตรอน 6 ตัวในวงโคจรโดยวิธีการของ Madelung:

ลูกศรสอดคล้องกับอิเล็กตรอน หลังจากเติมวงโคจร 1s และ 2s แต่ละอันมีอิเล็กตรอนสองตัวอิเล็กตรอนที่เหลือสองตัวจะถูกกำหนดให้กับวงโคจร 2p โดยความแตกต่าง นี่คือกฎของ Hund ที่ปรากฏตัว: วงโคจรที่เสื่อมโทรมสองอันและอันที่ว่างเปล่าหนึ่งอัน.

ออกซิเจน

ออกซิเจนมี Z = 8 ดังนั้นมันจึงมีอิเล็กตรอนเพิ่มอีกสองตัวซึ่งแตกต่างจากคาร์บอน อิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งเหล่านี้จะต้องอยู่ในวงว่าง 2p ที่ว่างเปล่าและอีกอันจะต้องจับคู่กันเพื่อก่อตัวเป็นคู่แรกโดยที่ลูกศรชี้ลง ดังนั้นหลักการกีดกันของ Pauli จึงปรากฏตัวที่นี่.

แคลเซียม

แคลเซียมมีอิเล็กตรอน 20 ตัวและวงโคจรก็เติมเต็มด้วยวิธีเดียวกัน ลำดับการเติมมีดังนี้: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

จะสังเกตได้ว่าแทนที่จะเติมเต็มวงโคจร 3 มิติก่อนอิเล็กตรอนจะเข้ายึด 4s สิ่งนี้เกิดขึ้นก่อนที่จะเปิดโลหะทรานซิชันองค์ประกอบที่เติมชั้นในชั้นใน 3d.

ข้อ จำกัด ของหลักการ Aufbau

หลักการ Aufbau ล้มเหลวในการทำนายการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของโลหะทรานซิชันจำนวนมากและองค์ประกอบธาตุหายาก (lanthanides และ actinides).

นี่เป็นเพราะความแตกต่างของพลังงานระหว่างวงโคจร ns และ (n-1) d อยู่ในระดับต่ำ เนื่องจากเหตุผลที่ได้รับการสนับสนุนจากกลศาสตร์ควอนตัมอิเล็กตรอนอาจต้องการทำให้วงโคจรแย่ลง (n-1) d ในราคาที่หายไปหรือหลุดอิเล็กตรอนออกจากวงโคจร ns.

ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงคือกรณีของทองแดง การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของมันทำนายโดยหลักการ Aufbau คือ 1²2s²2p⁶3S²3p⁶4s²3d⁹, เมื่อทดลองแสดงว่าเป็น 1 วินาที²2s²2p⁶3S²3p⁶4s¹3d¹⁰.

ในครั้งแรกหนึ่งอิเล็กตรอนเดี่ยวโดดเดี่ยว unpaired ในวงโคจร 3 มิติในขณะที่ในครั้งที่สองอิเล็กตรอนทั้งหมดของ orbitals 3d จะถูกจับคู่.

การอ้างอิง

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (15 มิถุนายน 2017) คำจำกัดความหลักการของ Aufbau นำมาจาก: thoughtco.com
2. ศ. เอ็น. เดอลีออง (2001) หลักการ Aufbau นำมาจาก: iun.edu
3. เคมี 301. หลักการ Aufbau นำมาจาก: ch301.cm.utexas.edu
4. Hozefa Arsiwala และ teacherlookup.com (1 มิถุนายน 2017) ในเชิงลึก: หลักการ Aufbau ด้วยตัวอย่าง นำมาจาก: teacherlookup.com
5. Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี (8th ed.) CENGAGE Learning, หน้า 199-203.
6. Goodphy (27 กรกฎาคม 2016) โครงการของ Madelung [รูป] นำมาจาก: commons.wikimedia.org