Aufbau-principen är en metod för att förklara arrangemanget av elektroner inom atomer av olika kemiska grundämnen. Atomteori kan vara komplex och svår, men denna princip ger en enkel uppsättning regler som kan förklara elektronkonfigurationerna för de allra flesta grundämnen. Termen kommer från ett tyskt ord som betyder ”bygga ut” och hänvisar till det sätt på vilket elektroner läggs till atomer som går från lättare till tyngre grundämnen. Principen är inte perfekt, och det finns några få undantag, men det är ett mycket användbart verktyg för att lära sig om atomstruktur.
Skal, underskal och orbitaler
För att förstå Aufbau-principen är det nödvändigt att först titta på atomens struktur. Elektronerna kan sägas kretsa kring den positivt laddade kärnan; det finns dock vissa regler som dikterar hur de kan ordnas. I den allmänt accepterade modellen upptar de skal, som kan ses som koncentriska, runt kärnan. Inom dessa finns underskal, inom vilka finns orbitaler. En orbital beskriver det utrymme som bebos av en elektron.
Skal numreras 1, 2, 3, etc., i ordning efter ökande avstånd från kärnan – och ökande energinivåer – med siffrorna som också indikerar hur många underskal de kan ha. Underskalen är märkta s, p, d och f, i allmän ordning efter den energi som elektronerna besitter i orbitalerna de innehåller. Var och en har ett maximalt antal orbitaler som den kan hålla: s har bara en, p har tre, d har fem och f har sju, och varje orbital kan innehålla maximalt två elektroner. Alla orbitaler inom ett underskal har samma energinivå.
Detta sammanfattas i tabellen nedan:
Skal, underskal och orbitaler
Shell Subshell orbitaler Maximalt antal elektroner
1s 12
2 s1 2
— s3 6
3 s1 2
— s3 6
— d5 10
4 s1 2
— s3 6
— d5 10
— f7 14
Detta visar till exempel att skal 3 har ett s, ap och ad subshell. När den är helt fylld skulle den ha totalt 2 + 6 + 10 = 18 elektroner. Elektronkonfigurationen för ett element kan till exempel skrivas som:
1s22s22p1
vilket är element nummer fem, bor. Detta visar skalnumret följt av underskalsbokstaven, med antalet elektroner som det innehåller överskrivet.
Att bygga elementen
Det är möjligt att föreställa sig att bygga allt tyngre grundämnen genom att lägga till elektroner, börja med det lättaste grundämnet, väte (1s1). När elektroner läggs till fyller de upp orbitaler inom underskal inom skal. Det är en allmän regel att alla system kommer att anta den konfiguration som har lägst energi. Även om detta är en mycket enkel regel, kan bestämning av det lägsta energiarrangemanget och förklara konfigurationer innebära många komplikationer, på grund av interaktioner mellan partiklar. Elektroner kommer naturligtvis att tendera att fylla orbitaler med lägre energi före de högre energi, och Aufbau-principen försöker förklara hur detta händer.
Regler
Aufbau-principen har bara tre regler:
Elektroner kommer att fylla orbitaler i ökande energiordning – det vill säga de kommer att fylla orbitaler med lägst energi först. Eftersom alla orbitaler i ett givet delskal har samma energinivå måste de alla fyllas innan nästa delskal börjar fyllas.
Varje orbital kan innehålla maximalt två elektroner, och dessa måste ha motsatta snurr.
Där det finns två eller flera orbitaler tillgängliga med samma energinivå, kommer ingen av dem att fyllas förrän de alla har en elektron. Med andra ord kommer elektroner att försöka fördela sig jämnt över tillgängliga orbitaler med samma energi där det är möjligt.
När det gäller det enklaste grundämnet, väte, sitter dess ena elektron i en omloppsbana i underskalet. Nästa grundämne, helium, har en andra elektron som går in i samma orbital: 1s2. Orbitalen, s-underskalet och skal 1 är alla nu fulla. Litium, med tre elektroner, har samma konfiguration som helium, men med en extra elektron i skal 2:s underskal, eftersom det är den orbital som finns med lägsta energi: 1s22s1.
Om du hoppar över ett par element har kol, med sex elektroner, en 1s22s22p2-konfiguration: båda s-underskalen är fyllda, så de två återstående elektronerna går in i p-underskalet. De kommer att gå in i olika orbitaler, enligt den tredje regeln i Aufbau-principen.
undantag
När element blir tyngre blir deras arrangemang av orbitaler mer komplexa, och ibland kan interaktionerna mellan elektroner ge undantag från Aufbau-principen. Reglerna gäller tills element nummer 24, krom. Detta är ett av en handfull element som inte riktigt överensstämmer. Den lämnar sitt 4s underskal ofyllt, medan det finns fem elektroner i nästa underskal, eftersom det i detta ovanliga fall är en något lägre energikonfiguration än den som förutsägs av reglerna. Andra undantag är koppar och silver.
du använder
Trots undantagen är Aufbau-principen användbar i kemikurser där eleverna upptäcker de grundläggande reglerna om grundämnenas atomära struktur och egenskaper. Ett diagram eller diagram kan användas för att visa hur principen fungerar för olika exempelelement. Detta visar vanligtvis skal, underskal och orbitaler på ett sätt som tydligt illustrerar hur de är fyllda.