Aufbau princips ir metode, kas izskaidro elektronu izvietojumu dažādu ķīmisko elementu atomos. Atomu teorija var būt sarežģīta un sarežģīta, taču šis princips nodrošina vienkāršu noteikumu kopumu, kas var izskaidrot lielākās daļas elementu elektronu konfigurācijas. Termins cēlies no vācu vārda, kas nozīmē “izbūvēt”, un attiecas uz veidu, kādā elektroni tiek pievienoti atomiem, kas kļūst no vieglākiem uz smagākiem elementiem. Princips nav ideāls, un ir daži izņēmumi, taču tas ir ļoti noderīgs instruments, lai uzzinātu par atomu struktūru.
Apvalki, apakščaulas un orbitāles
Lai saprastu Aufbau principu, vispirms ir jāaplūko atoma struktūra. Var teikt, ka elektroni riņķo ap pozitīvi lādētu kodolu; tomēr ir daži noteikumi, kas nosaka, kā tos var sakārtot. Vispārpieņemtajā modelī tie ap kodolu aizņem apvalkus, kurus var uzskatīt par koncentriskiem. Tajos ir apakščaulas, kurās atrodas orbitāles. Orbitāle apraksta telpu, kurā dzīvo elektrons.
Korpusi ir numurēti ar 1, 2, 3 utt., palielinot attālumu no kodola un palielinot enerģijas līmeni, un skaitļi norāda arī, cik apakščaulu tiem var būt. Apakšapvalki ir apzīmēti ar s, p, d un f, vispārīgā secībā, kāda enerģija piemīt elektroniem to saturošajās orbitālēs. Katrai no tām ir maksimālais orbitāļu skaits, ko tā var noturēt: s ir tikai viena, p ir trīs, d ir piecas un f ir septiņas, un katra orbitāle var saturēt ne vairāk kā divus elektronus. Visām orbitālēm apakšapvalkā ir vienāds enerģijas līmenis.
Tas ir apkopots tabulā:
Apvalki, apakščaulas un orbitāles
Apvalka apakščaulas orbitāļu maksimālais elektronu skaits
1s 12
2 s1 2
— p3 6
3 s1 2
— p3 6
— d5 10
4 s1 2
— p3 6
— d5 10
— f7 14
Tas parāda, piemēram, ka 3. čaulai ir s, ap un reklāmas apakščaula. Kad tas ir pilnībā piepildīts, tajā kopā būtu 2 + 6 + 10 = 18 elektroni. Elementa elektronu konfigurāciju var uzrakstīt, piemēram, šādi:
1s22s22p1
kas ir elements numur pieci, bors. Tas parāda čaulas numuru, kam seko apakščaulas burts, un tajā esošo elektronu skaits ir norādīts augšrakstā.
Elementu konstruēšana
Ir iespējams iedomāties pakāpeniski smagāku elementu veidošanu, pievienojot elektronus, sākot ar vieglāko elementu – ūdeņradi (1s1). Pievienojot elektronus, tie aizpilda orbitāles čaulu apakščaulās. Parasti jebkura sistēma pieņems konfigurāciju, kurai ir viszemākā enerģija. Lai gan šis ir ļoti vienkāršs noteikums, zemākās enerģijas izkārtojuma noteikšana un konfigurāciju izskaidrošana var radīt daudz sarežģījumu daļiņu mijiedarbības dēļ. Elektroniem, protams, ir tendence aizpildīt zemākas enerģijas orbitāles pirms augstākās enerģijas orbitālēm, un Aufbau princips cenšas izskaidrot, kā tas notiek.
Noteikumi
Aufbau principam ir tikai trīs noteikumi:
Elektroni aizpildīs orbitāles pieaugošā enerģijas secībā, tas ir, tie vispirms aizpildīs zemākās enerģijas orbitāles. Tā kā visām orbitālēm dotajā apakščaulā ir vienāds enerģijas līmenis, tās visas ir jāaizpilda, pirms sāk pildīties nākamā apakščaula.
Katrā orbitālē var būt ne vairāk kā divi elektroni, un tiem jābūt pretējiem spiniem.
Ja ir pieejamas divas vai vairākas orbitāles ar vienādu enerģijas līmeni, neviena no tām netiks piepildīta, kamēr tajās visās nebūs elektronu. Citiem vārdiem sakot, elektroni centīsies vienmērīgi sadalīties pa vienas un tās pašas enerģijas pieejamajām orbitālēm, kur vien iespējams.
Vienkāršākā elementa, ūdeņraža, gadījumā tā viens elektrons atrodas s apakščaulas orbitālē. Nākamajam elementam, hēlijam, ir otrs elektrons, kas nonāk tajā pašā orbitālē: 1s2. Orbitāle, s apakščaula un 1. apvalks tagad ir pilni. Litijam ar trim elektroniem ir tāda pati konfigurācija kā hēlijam, bet ar papildu elektronu 2. apvalka s apakšapvalkā, jo tā ir zemākās enerģijas orbitāle: 1s22s1.
Izlaižot pāris elementus, ogleklim ar sešiem elektroniem ir 1s22s22p2 konfigurācija: abi s apakšapvalki ir piepildīti, tāpēc divi atlikušie elektroni nonāk p apakšapvalkā. Viņi dosies dažādās orbitālēs saskaņā ar Aufbau principa trešo noteikumu.
Izņēmumi
Elementiem kļūstot smagākiem, to orbitāļu izvietojums kļūst sarežģītāks, un dažreiz elektronu mijiedarbība var radīt izņēmumus no Aufbau principa. Noteikumi ir spēkā līdz elementam ar numuru 24, hromu. Šis ir viens no nedaudzajiem elementiem, kas neatbilst. Tā atstāj savu 4s apakšapvalku neaizpildītu, savukārt nākamajā apakšapvalkā ir pieci elektroni, jo šajā neparastajā gadījumā tā ir nedaudz zemāka enerģijas konfigurācija, nekā paredz noteikumi. Citi izņēmumi ir varš un sudrabs.
Izmanto
Neskatoties uz izņēmumiem, Aufbau princips ir noderīgs ķīmijas kursos, kur studenti atklāj pamatnoteikumus par atomu uzbūvi un elementu īpašībām. Diagrammu vai diagrammu var izmantot, lai parādītu, kā princips darbojas dažādiem piemēru elementiem. Tas parasti parāda čaulas, apakščaulas un orbitāles tādā veidā, kas skaidri parāda, kā tie ir aizpildīti.