Nguyên tắc của Aufbau Khái niệm và giải thích, ví dụ



các Nguyên tắc của Aufbau Nó bao gồm một hướng dẫn hữu ích để dự đoán về mặt lý thuyết cấu hình điện tử của một yếu tố. Từ aufbau nó đề cập đến động từ tiếng Đức "xây dựng". Các quy tắc được quy định bởi nguyên tắc này có nghĩa là "giúp xây dựng nguyên tử".

Khi nói về cấu trúc nguyên tử giả thuyết, nó chỉ đề cập đến các electron, lần lượt đi đôi với số lượng proton ngày càng tăng. Các proton xác định số nguyên tử Z của một nguyên tố hóa học và với mỗi hạt nhân được thêm vào hạt nhân, một electron được thêm vào để bù cho sự tăng của điện tích dương này.

Mặc dù có vẻ như các proton không tuân theo một trật tự đã được thiết lập để tham gia hạt nhân của nguyên tử, các electron thực hiện theo một loạt các điều kiện, để chúng chiếm giữ các vùng của nguyên tử có năng lượng thấp hơn, đặc biệt là những nơi có xác suất tìm thấy chúng trong không gian lớn hơn: quỹ đạo.

Nguyên tắc Aufbau, cùng với các quy tắc điền điện tử khác (nguyên tắc loại trừ Pauli và quy tắc Hund), giúp thiết lập thứ tự các electron phải được thêm vào đám mây điện tử; Theo cách này, có thể chỉ định cấu hình điện tử của một nguyên tố hóa học cụ thể.

Chỉ số

  • 1 Khái niệm và giải thích
    • 1.1 Lớp và lớp con
    • 1.2 Nguyên tắc loại trừ Pauli và sự cai trị của Hund
  • 2 ví dụ
    • 2.1 Carbon
    • 2.2 Oxy
    • 2.3 Canxi
  • 3 hạn chế của nguyên tắc Aufbau
  • 4 tài liệu tham khảo 

Khái niệm và giải thích

Nếu nguyên tử được coi như là một củ hành, thì nó sẽ nằm trong số lượng hữu hạn của các lớp, được xác định bởi số lượng tử chính n.

Ngoài ra, bên trong chúng, là các lớp con, có dạng phụ thuộc vào số lượng tử phương vị và từ tính.

Các quỹ đạo được xác định bởi ba số lượng tử đầu tiên, trong khi số thứ tư, của spin, kết thúc cho biết quỹ đạo của electron sẽ nằm ở đâu. Sau đó, ở các vùng này của nguyên tử, nơi các electron quay, từ các lớp trong cùng đến ngoài cùng: lớp hóa trị, năng lượng mạnh nhất trong tất cả.

Nếu vậy, các electron nên điền vào quỹ đạo theo thứ tự nào? Theo nguyên tắc Aufbau, chúng phải được gán theo giá trị tăng dần (n + l).

Ngoài ra, trong các lớp con (n + l), các electron phải chiếm lớp con có giá trị năng lượng thấp nhất; nói cách khác, chúng chiếm giá trị thấp nhất của n.

Theo các quy tắc xây dựng này, Madelung đã phát triển một phương pháp trực quan bao gồm các mũi tên chéo, giúp xây dựng cấu hình điện tử của một nguyên tử. Trong một số lĩnh vực giáo dục, phương pháp này còn được gọi là phương pháp mưa.

Lớp và lớp con

Hình ảnh đầu tiên minh họa một phương pháp đồ họa để có được cấu hình điện tử, trong khi hình ảnh thứ hai là phương pháp Madelung tương ứng. Các lớp năng lượng nhất nằm ở trên cùng và ít năng lượng nhất là theo hướng xuống.

Từ trái sang phải các lớp con s, p, d và f của các mức năng lượng chính tương ứng của chúng được "chuyển đổi". Làm thế nào để tính giá trị của (n + l) cho mỗi bước được đánh dấu bằng các mũi tên chéo? Ví dụ: đối với quỹ đạo 1s, phép tính này bằng (1 + 0 = 1), đối với quỹ đạo 2s (2 + 0 = 2) và đối với quỹ đạo 3p (3 + 1 = 4).

Kết quả của những tính toán này bắt nguồn từ việc xây dựng hình ảnh. Do đó, nếu không có sẵn trong tay, nó đủ để xác định (n + l) cho mỗi quỹ đạo, bắt đầu lấp đầy quỹ đạo bằng các electron từ giá trị thấp nhất (n + l) đến giá trị tối đa.

Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp Madelung tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng cấu hình điện tử và biến nó thành một hoạt động giải trí cho những người đang học bảng tuần hoàn.

Nguyên tắc loại trừ Pauli và cai trị Hund

Phương pháp Madelung không chỉ ra quỹ đạo của các lớp con. Cân nhắc chúng, nguyên tắc loại trừ của Paul nói rằng không có điện tử nào có thể có cùng số lượng tử như nhau; hoặc giống nhau, một cặp electron không thể có cả hai spin dương hay âm.

Điều này có nghĩa là số lượng spin của chúng không thể bằng nhau và do đó, chúng phải khớp với số spin của chúng để chiếm cùng quỹ đạo.

Mặt khác, việc lấp đầy các quỹ đạo phải được thực hiện theo cách mà chúng bị thoái hóa trong năng lượng (quy tắc của Hund). Điều này đạt được bằng cách giữ cho tất cả các electron của quỹ đạo không bị ghép đôi, cho đến khi thật cần thiết phải ghép một cặp trong số chúng (như với oxy).

Ví dụ

Các ví dụ sau đây tóm tắt toàn bộ khái niệm về nguyên tắc của Aufbau.

Carbon

Để xác định cấu hình điện tử của nó, trước tiên chúng ta phải biết số nguyên tử Z, và do đó là số lượng điện tử. Cacbon có Z = 6, do đó cần xác định vị trí 6 electron của nó trong quỹ đạo bằng phương pháp Madelung:

Các mũi tên tương ứng với các điện tử. Sau khi điền vào quỹ đạo 1s và 2s, mỗi quỹ đạo có hai electron, hai electron còn lại được gán cho quỹ đạo 2p một cách khác nhau. Đây là cách mà quy tắc của Hund thể hiện: hai quỹ đạo suy biến và một trống rỗng.

Oxy

Oxy có Z = 8, vì vậy nó có thêm hai electron, không giống như carbon. Một trong những electron này phải được đặt trong quỹ đạo 2p trống và cái còn lại phải được ghép để tạo thành cặp đầu tiên, với mũi tên hướng xuống dưới. Do đó, nguyên tắc loại trừ của Pauli thể hiện ở đây.

Canxi

Canxi có 20 electron, và các quỹ đạo cũng được lấp đầy với cùng một phương pháp. Thứ tự điền như sau: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Có thể nhận thấy rằng, thay vì lấp đầy quỹ đạo 3d trước tiên, các electron chiếm 4s. Điều này xảy ra trước khi mở các kim loại chuyển tiếp, các yếu tố lấp đầy lớp bên trong 3d.

Hạn chế của nguyên tắc Aufbau

Nguyên lý Aufbau không dự đoán được cấu hình điện tử của nhiều kim loại chuyển tiếp và các nguyên tố đất hiếm (lanthanides và actinide).

Điều này là do sự khác biệt về năng lượng giữa các quỹ đạo ns và (n-1) d là thấp. Do các lý do được hỗ trợ bởi cơ học lượng tử, các electron có thể thích làm suy giảm quỹ đạo (n-1) d với chi phí biến mất hoặc đánh bật các electron khỏi quỹ đạo ns.

Một ví dụ nổi tiếng là trường hợp của đồng. Cấu hình điện tử của nó được dự đoán theo nguyên tắc Aufbau là 1s22s22p63s23p64 giây23d9, khi thử nghiệm nó đã được hiển thị là 1s22s22p63s23p64 giây13d10.

Trong trường hợp thứ nhất, một electron đơn độc được ghép cặp trong quỹ đạo 3d, trong khi ở lần thứ hai, tất cả các electron của quỹ đạo 3d được ghép nối.

Tài liệu tham khảo

  1. Helmenstine, Anne Marie, Tiến sĩ (Ngày 15 tháng 6 năm 2017). Định nghĩa nguyên lý Aufbau. Lấy từ: thinkco.com
  2. Giáo sư N. De Leon. (2001). Nguyên lý Aufbau. Lấy từ: iun.edu
  3. Hóa học 301. Nguyên lý Aufbau. Lấy từ: ch602.cm.utexas.edu
  4. Hozefa Arsiwala và teacherlookup.com. (Ngày 1 tháng 6 năm 2017). Trong chiều sâu: Nguyên tắc Aufbau với các ví dụ. Lấy từ: teacherlookup.com
  5. Whites, Davis, Peck & Stanley. Hóa học (Tái bản lần thứ 8). Học tập CENGAGE, trang 199-203.
  6. Chúc mừng (Ngày 27 tháng 7 năm 2016). Sơ đồ của Madelung. [Hình] Lấy từ: commons.wik mega.org