AUFBAU ELV: FOGALOM ÉS MAGYARÁZAT, PÉLDÁK - KÉMIA - 2025

Az Aufbau elv hasznos útmutató egy elem elektronikus konfigurációjának elméleti előrejelzésére. Az aufbau szó a német igére utal: "építni". Az ezen elv által diktált szabályok "az atom felépítésének elősegítésére" irányulnak.

A hipotetikus atomi konstrukcióról kizárólag az elektronokra vonatkozik, amelyek viszont együtt járnak a növekvő protonszámmal. A protonok meghatározzák egy kémiai elem Z atomszámát, és a atommaghoz hozzáadott mindegyikéhez hozzáadunk egy elektronot, hogy kompenzáljuk ezt a pozitív töltés növekedését.

Bár úgy tűnik, hogy a protonok nem követik az atommaghoz való csatlakozásra vonatkozó megállapított rendet, az elektronok egy sorozatot követnek, oly módon, hogy először az atom alacsonyabb energiájú régióit elfoglalják, különösen azokat, amelyekben valószínűleg megtalálják őket az űrben nagyobb: az orbitálisok.

Az Aufbau-elv és más elektronikus kitöltési szabályok (Pauli kizárási elv és Hund-szabály) együtt segít meghatározni az elektronok felhőbe való felvételének sorrendjét; Ilyen módon lehet hozzárendelni egy bizonyos kémiai elem elektronikus konfigurációját.

Fogalom és magyarázat

Ha az atom úgy tekinthető, mintha hagyma lenne, akkor véges számú réteg található benne, amelyet az n fő kvantumszám határoz meg.

Ezen kívül belül vannak az alsó részek, amelyek alakja az l azimutál és az m mágneses kvantumszámtól függ.

Az orbitálokat az első három kvantumszám azonosítja, míg a negyedik, a spin, azt jelzi, hogy az elektron melyik pályán helyezkedik el. Az atom ezeken a részein az elektronok a legbelsõ rétegektõl a legkülsõkig forognak: a valenciaréteg, a legintenzívebb.

Ebben az esetben milyen sorrendben kell az elektronok kitölteniük az orbitákat? Az Aufbau elv szerint őket a növekvő érték (n + l) alapján kell kiosztani.

Hasonlóképpen, az alhéjban (n + l) az elektronoknak el kell foglalniuk a legalacsonyabb energiaértékű alhéjat; más szóval, az n legalacsonyabb értékét foglalják el.

Ezeket az építési szabályokat követve, Madelung kifejlesztett egy vizuális módszert, amely átlós nyilak rajzolását foglalja magában, amelyek elősegítik az atom elektronikus konfigurációjának felépítését. Egyes oktatási területeken ezt a módszert eső módszernek is nevezik.

Rétegek és alrétegek

Az első kép az elektronkonfigurációk meghatározására szolgáló grafikus módszert szemlélteti, míg a második kép a vonatkozó Madelung módszer. A legintenzívebb rétegek a tetején vannak, a legkevésbé az alsó irányban vannak.

Balról jobbra a hozzájuk tartozó fő energiaszint s, p, d és f alrétegei „átmennek”. Hogyan lehet kiszámítani az (n + l) értéket az átlós nyilakkal jelölt minden lépésnél? Például az 1s-es keringőnél ez a számítás egyenlő (1 + 0 = 1), a 2s-es keringőnél (2 + 0 = 2) és a 3p-es keringőnél (3 + 1 = 4).

Ezen számítások eredménye a kép felépítését eredményezi. Ezért, ha ez nem áll rendelkezésre, egyszerűen meg kell határozni (n + l) minden pályára, kezdve az orbitális pályákat elektronokkal feltölteni, a legkisebb (n + l) értékűtől a maximális értékig.

A Madelung módszer használata azonban nagyban megkönnyíti az elektronkonfiguráció felépítését, és szórakoztatóvá teszi azt azok számára, akik a periódusos rendszert tanulják.

Pauli kizárási elve és Hund szabálya

Madelung módszere nem jelzi az alsó részek keringési idejét. Figyelembe véve őket, a Pauli kizárás elve kijelenti, hogy egyetlen elektronnak sem lehet azonos kvantumszáma, mint egy másiknak; vagy ami ugyanaz, az elektronpárok nem rendelkezhetnek sem pozitív, sem negatív spinnel.

Ez azt jelenti, hogy spin kvantumszáma s nem lehet azonos, ezért spinreknek párosulniuk kell, amikor ugyanazt a pályát foglalják el.

Másrészt az orbitális pályákat úgy kell megtölteni, hogy energiájukban degenerálódjanak (Hund szabálya). Ezt úgy érjük el, hogy az orbitális csatornákban az összes elektronot pár nélkül tartjuk, amíg szigorúan nem szükséges párosítani ezeket (az oxigénhez hasonlóan).

Példák

A következő példák az Aufbau-elv teljes koncepcióját foglalják össze.

Szén

Elektronikus konfigurációjának meghatározásához először meg kell ismerni a Z atomszámot, tehát az elektronok számát. A szénnek Z = 6 van, tehát 6 elektronjának a Madelung módszerrel az orbitális csatornákban kell lennie:

A nyilak megfelelnek az elektronoknak. Az 1 és 2 másodperc kitöltése után, mindegyik két elektronnal, a 2p pályákat különbséggel osztjuk meg a fennmaradó két elektron között. Hund uralma tehát nyilvánvaló: két degenerált pálya és egy üres.

Oxigén

Az oxigénnek Z = 8, tehát a szénhez képest két extra elektronja van. Ezen elektronok egyikét az üres 2p-es pályán kell elhelyezni, a másiknak párosítania kell az első pár kialakításához, lefelé mutató nyíllal. Következésképpen itt jelenik meg a Pauli kizárási elv.

Kalcium

A kalciumnak 20 elektronja van, és az orbitálokat még mindig ugyanazzal a módszerrel töltik meg. A töltés sorrendje a következő: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Megjegyzendő, hogy ahelyett, hogy először kitöltnénk a 3D-es keringőt, az elektronok elfoglalják a 4s-t. Ez akkor fordul elő, mielőtt megkezdené az átmeneti fémek alkalmazását, az elemek megtöltik a belső 3d réteget.

Az Aufbau elv korlátozásai

Az Aufbau elve nem tudja megjósolni sok átmeneti fémek és ritkaföldfémek (lantanidok és aktinidok) elektronikus konfigurációját.

Ennek oka az, hogy az ns és (n-1) d pályázatok közötti energiakülönbségek alacsonyak. A kvantummechanika által támasztott okokból az elektronok inkább eldönthetik az (n-1) d pályázatok elbomlását az elektronok n n körüli orbitálból történő kibontásának vagy eltávolításának költségén.

Híres példa erre a réz. Elektronkonfigurációja az Aufbau elve alapján jósolja 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹, amikor kísérletileg kimutatták, hogy 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ¹⁰.

Az elsőben egy magányos elektron párosul a 3D-s pályán, míg a másodikban a 3D-es pályákon az összes elektron párosul.

Irodalom

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2017. június 15.) Az Aufbau elv meghatározása. Forrás: gondolat.com
2. Prof. N. De Leon. (2001). Az Aufbau-elv. Forrás: iun.edu
3. Kémia 301. Aufbau elv. Feltöltve: ch301.cm.utexas.edu
4. Hozefa Arsiwala és a teacherlookup.com. (2017. június 1.) Mélységben: Aufbau elv példákkal. Forrás: teacherlookup.com
5. Whitten, Davis, Peck és Stanley. Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Learning, 199-203. Old.
6. Goodphy. (2016. július 27.). A Madelung rendszer.. Forrás: commons.wikimedia.org