Aufbaun periaate on menetelmä selittää elektronien järjestelyt eri kemiallisten alkuaineiden atomeissa. Atomiteoria voi olla monimutkainen ja vaikea, mutta tämä periaate tarjoaa yksinkertaisen sääntöjoukon, joka selittää valtaosan elementtien elektronikonfiguraatiot. Termi tulee saksankielisestä sanasta, joka tarkoittaa “rakentamista”, ja viittaa tapaan, jolla elektronit lisätään atomeihin, jotka siirtyvät kevyemmistä raskaampiin elementteihin. Periaate ei ole täydellinen, ja on muutamia poikkeuksia, mutta se on erittäin hyödyllinen työkalu atomirakenteen oppimiseen.
Kuoret, alikuoret ja kiertoradat
Aufbaun periaatteen ymmärtämiseksi on ensin tarkasteltava atomin rakennetta. Elektronien voidaan sanoa kiertävän positiivisesti varautunutta ydintä; On kuitenkin olemassa tiettyjä sääntöjä, jotka määräävät, miten ne voidaan järjestää. Yleisesti hyväksytyssä mallissa ne vievät kuoria, joita voidaan ajatella samankeskisinä, ytimen ympärillä. Näiden sisällä on alikuoria, joiden sisällä on orbitaaleja. Orbitaali kuvaa elektronin asuttamaa tilaa.
Kuoret on numeroitu 1, 2, 3 jne., Etäisyyden kasvaessa ytimestä – ja lisäämällä energiatasoja -, ja numerot osoittavat myös kuinka monta alikuorta niillä voi olla. Alakuoret on merkitty s, p, d ja f, niiden energioiden yleisessä järjestyksessä, jotka niiden sisältämillä kiertoradilla on. Jokaisella on enimmäismäärä orbitaaleja, jotka se voi pitää: s: llä on vain yksi, p on kolme, d on viisi ja f on seitsemän, ja kullakin kiertoradalla voi olla enintään kaksi elektronia. Kaikilla alikuoren orbitaaleilla on sama energiataso.
Tästä on yhteenveto alla olevasta taulukosta:
Kuoret, alikuoret ja kiertoradat
Shellin alikuoren orbitaalien maksimielektronit
1s 12
2 s1 2
– s3 6
3 s1 2
– s3 6
– d5 10
4 s1 2
– s3 6
– d5 10
– f7 14
Tämä osoittaa esimerkiksi, että kuorella 3 on s, ap ja ad -alikuori. Täysin täytettynä siinä olisi yhteensä 2 + 6 + 10 = 18 elektronia. Elementin elektronikonfiguraatio voidaan kirjoittaa esimerkiksi seuraavasti:
1s22s22p1
joka on elementti numero viisi, boori. Tämä näyttää kuoren numeron, jota seuraa alikuoren kirjain, ja sen sisältämien elektronien lukumäärän.
Elementtien rakentaminen
On mahdollista kuvitella rakentavan asteittain raskaampia elementtejä lisäämällä elektroneja, alkaen kevyimmästä elementistä, vedystä (1s1). Kun elektroneja lisätään, ne täyttävät orbitaalit kuorien alikuorissa. Yleinen sääntö on, että mikä tahansa järjestelmä ottaa käyttöön kokoonpanon, jolla on pienin energia. Vaikka tämä on hyvin yksinkertainen sääntö, pienimmän energiajärjestelyn määrittäminen ja kokoonpanojen selittäminen voi aiheuttaa paljon komplikaatioita hiukkasten välisen vuorovaikutuksen vuoksi. Elektronit pyrkivät luonnollisesti täyttämään alemman energian kiertoradat ennen korkeamman energian orbitaaleja, ja Aufbau -periaate pyrkii selittämään, miten tämä tapahtuu.
Säännöt
Aufbaun periaatteessa on vain kolme sääntöä:
Elektronit täyttävät orbitaalit kasvavassa energiajärjestyksessä – eli ne täyttävät ensin alimman energian orbitaalit. Koska kaikilla tietyn alikuoren orbitaaleilla on sama energiataso, ne on täytettävä ennen seuraavan alikuoren täyttämistä.
Jokaisella kiertoradalla voi olla enintään kaksi elektronia, ja niiden on oltava vastakkaisia spinnejä.
Jos käytettävissä on kaksi tai useampia orbitaaleja, joilla on sama energiataso, yksikään niistä ei täyty ennen kuin kaikilla on elektroni. Toisin sanoen elektronit pyrkivät jakautumaan tasaisesti saman energian käytettävissä oleville orbitaaleille aina kun mahdollista.
Yksinkertaisimman alkuaineen, vedyn, tapauksessa sen yksi elektroni sijaitsee kiertoradalla s -alikuorissa. Seuraavassa elementissä, heliumissa, on toinen elektroni, joka menee samalla kiertoradalla: 1s2. Orbitaali, s -alikuori ja kuori 1 ovat nyt täynnä. Litiumilla, jossa on kolme elektronia, on sama kokoonpano kuin heliumilla, mutta kuoren 2 alikuorissa on ylimääräinen elektroni, koska se on alhaisin käytettävissä oleva kiertorata: 1s22s1.
Muutaman elementin, hiilen, ohittaminen kuudella elektronilla, on 1s22s22p2 -kokoonpano: molemmat s -alikuoret on täytetty, joten kaksi jäljellä olevaa elektronia menee p -alikuoreen. Ne menevät eri kiertoradalle Aufbau -periaatteen kolmannen säännön mukaisesti.
Poikkeukset
Kun elementit painavat, niiden orbitaalijärjestelyt muuttuvat monimutkaisemmiksi, ja joskus elektronien väliset vuorovaikutukset voivat tuottaa poikkeuksia Aufbau -periaatteesta. Säännöt ovat voimassa elementtiin numero 24, kromi. Tämä on yksi kourallisista elementeistä, jotka eivät ole täysin yhteensopivia. Se jättää 4s -alikuorensa täyttämättä, kun taas seuraavassa alikuorissa on viisi elektronia, koska tässä epätavallisessa tapauksessa se on hieman pienempi energiakonfiguraatio kuin säännöt ennustavat. Muita poikkeuksia ovat kupari ja hopea.
käytät
Poikkeuksista huolimatta Aufbau -periaate on hyödyllinen kemian kursseilla, joissa opiskelijat löytävät perussäännöt alkuaineiden rakenteesta ja ominaisuuksista. Kaaviota tai kaaviota voidaan käyttää osoittamaan, kuinka periaate toimii eri esimerkkielementteissä. Tämä näyttää yleensä kuoret, alikuoret ja kiertoradat tavalla, joka havainnollistaa selvästi niiden täyttämistä.