หลักการของ AUFBAU: แนวคิดและคำอธิบายตัวอย่าง - เคมี

หลักการ Aufbauเป็นคู่มือที่มีประโยชน์ที่จะคาดการณ์ในทางทฤษฎีการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบ คำว่า aufbau หมายถึงกริยาภาษาเยอรมัน "to build" กฎที่กำหนดโดยหลักการนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อ "ช่วยสร้างอะตอม"

เมื่อพูดถึงโครงสร้างอะตอมสมมุติมันหมายถึงอิเล็กตรอนเท่านั้นซึ่งจะไปพร้อมกับจำนวนโปรตอนที่เพิ่มขึ้น โปรตอนกำหนดเลขอะตอม Z ขององค์ประกอบทางเคมีและสำหรับแต่ละธาตุที่เพิ่มเข้าไปในนิวเคลียสจะมีการเพิ่มอิเล็กตรอนเพื่อชดเชยการเพิ่มขึ้นของประจุบวกนี้

แม้ว่าโปรตอนจะไม่ปฏิบัติตามคำสั่งที่กำหนดไว้เพื่อเข้าร่วมนิวเคลียสของอะตอม แต่อิเล็กตรอนจะทำตามเงื่อนไขต่างๆในลักษณะที่พวกมันยึดครองพื้นที่ของอะตอมที่มีพลังงานต่ำกว่าเป็นครั้งแรกโดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งที่มีความเป็นไปได้ที่จะพบในอวกาศ มีค่ามากกว่า: วงโคจร

หลักการของ Aufbau พร้อมกับกฎการเติมอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ (หลักการยกเว้น Pauli และกฎของ Hund) ช่วยในการกำหนดลำดับที่ควรเพิ่มอิเล็กตรอนในเมฆอิเล็กตรอน ด้วยวิธีนี้จึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดรูปแบบอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบทางเคมีบางอย่าง

แนวคิดและคำอธิบาย

ถ้าอะตอมถูกพิจารณาว่าเป็นหัวหอมจะพบจำนวนชั้น จำกัด ภายในซึ่งพิจารณาจากเลขควอนตัมหลัก n

ยิ่งไปกว่านั้นข้างในนั้นคือ subshells ซึ่งมีรูปร่างขึ้นอยู่กับ azimuthal l และเลขควอนตัมแม่เหล็ก m

วงโคจรถูกระบุด้วยเลขควอนตัมสามตัวแรกในขณะที่วงที่สี่วงโคจร s จะลงท้ายด้วยการระบุตำแหน่งที่อิเล็กตรอนจะอยู่ในวงโคจร จากนั้นในบริเวณเหล่านี้ของอะตอมซึ่งอิเล็กตรอนหมุนจากชั้นในสุดไปยังชั้นนอกสุด: ชั้นวาเลนซ์ซึ่งมีพลังมากที่สุดในบรรดาทั้งหมด

ในกรณีนี้อิเล็กตรอนควรเติมเต็มวงโคจรในลำดับใด? ตามหลักการ Aufbau ต้องกำหนดตามค่าที่เพิ่มขึ้น (n + l)

ในทำนองเดียวกันภายใน subshells (n + l) อิเล็กตรอนจะต้องครอบครอง subshell ที่มีค่าพลังงานต่ำที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาครอบครองค่าต่ำสุดของ n

ตามกฎการก่อสร้างเหล่านี้ Madelung ได้พัฒนาวิธีการแสดงภาพที่ประกอบด้วยการวาดลูกศรแนวทแยงซึ่งช่วยในการสร้างโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม ในบางพื้นที่การศึกษาวิธีนี้เรียกอีกอย่างว่าวิธีฝน

เลเยอร์และชั้นย่อย

ภาพแรกแสดงวิธีการแบบกราฟิกเพื่อให้ได้การกำหนดค่าอิเล็กตรอนในขณะที่ภาพที่สองเป็นวิธีการ Madelung ตามลำดับ ชั้นที่มีพลังมากที่สุดจะอยู่ที่ด้านบนและชั้นที่มีพลังน้อยที่สุดจะอยู่ในทิศทางลง

จากซ้ายไปขวาชั้นย่อย s, p, d และ f ของระดับพลังงานหลักที่เกี่ยวข้องจะ "เปลี่ยนผ่าน" จะคำนวณค่าของ (n + l) สำหรับแต่ละขั้นตอนที่ลูกศรทแยงมุมทำเครื่องหมายได้อย่างไร? ตัวอย่างเช่นสำหรับออร์บิทัล 1s การคำนวณนี้จะเท่ากับ (1 + 0 = 1) สำหรับออร์บิทัล 2s (2 + 0 = 2) และสำหรับออร์บิทัล 3p (3 + 1 = 4)

ผลลัพธ์ของการคำนวณเหล่านี้ก่อให้เกิดการสร้างภาพ ดังนั้นหากไม่มีอยู่ในมือเพียงกำหนด (n + l) สำหรับแต่ละออร์บิทัลโดยเริ่มเติมออร์บิทัลด้วยอิเล็กตรอนจากอันที่มีค่าน้อยที่สุด (n + l) ไปยังออร์บิทัลที่มีค่าสูงสุด

อย่างไรก็ตามการใช้วิธี Madelung ช่วยอำนวยความสะดวกอย่างมากในการสร้างโครงร่างอิเล็กตรอนและทำให้เป็นกิจกรรมที่สนุกสนานสำหรับผู้ที่เรียนรู้ตารางธาตุ

หลักการกีดกันของ Pauli และกฎของ Hund

วิธีการของ Madelung ไม่ได้ระบุวงโคจรของ subshells หลักการกีดกันของ Pauli กล่าวว่าไม่มีอิเล็กตรอนใดที่จะมีเลขควอนตัมเหมือนกับตัวอื่นได้ หรือสิ่งที่เหมือนกันอิเล็กตรอนคู่หนึ่งไม่สามารถมีทั้งสปินบวกหรือลบ

ซึ่งหมายความว่าเลขควอนตัมสปินของพวกเขาไม่สามารถเหมือนกันได้ดังนั้นการหมุนของพวกมันจะต้องจับคู่เมื่อครอบครองออร์บิทัลเดียวกัน

ในทางกลับกันการเติมออร์บิทัลจะต้องทำในลักษณะที่พลังงานเสื่อม (กฎของฮันด์) สิ่งนี้ทำได้โดยการทำให้อิเล็กตรอนทั้งหมดในวงโคจรไม่มีการจับคู่จนกว่าจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องจับคู่คู่ของสิ่งเหล่านี้ (เช่นเดียวกับออกซิเจน)

ตัวอย่าง

ตัวอย่างต่อไปนี้สรุปแนวคิดทั้งหมดของหลักการ Aufbau

คาร์บอน

ในการกำหนดโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ต้องทราบเลขอะตอม Z ก่อนจึงจะกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนได้ คาร์บอนมี Z = 6 ดังนั้นอิเล็กตรอน 6 ตัวต้องอยู่ในวงโคจรโดยใช้วิธี Madelung:

ลูกศรสอดคล้องกับอิเล็กตรอน หลังจากเติมออร์บิทัล 1s และ 2s แล้วแต่ละวงมีอิเล็กตรอนสองตัววงโคจร 2p จะถูกกำหนดโดยความแตกต่างของอิเล็กตรอนที่เหลืออีกสองตัว กฎของฮันด์จึงเป็นที่ประจักษ์: วงโคจรเสื่อม 2 วงและวงโคจรว่าง

ออกซิเจน

ออกซิเจนมี Z = 8 ดังนั้นจึงมีอิเล็กตรอนพิเศษสองตัวซึ่งแตกต่างจากคาร์บอน อิเล็กตรอนตัวใดตัวหนึ่งเหล่านี้จะต้องถูกวางไว้ในออร์บิทัล 2p ที่ว่างและอีกตัวหนึ่งจะต้องจับคู่เพื่อสร้างคู่แรกโดยลูกศรชี้ลง ดังนั้นหลักการยกเว้น Pauli จึงปรากฏที่นี่

แคลเซียม

แคลเซียมมีอิเล็กตรอน 20 ตัวและวงโคจรยังคงเต็มไปด้วยวิธีการเดียวกัน ลำดับการเติมมีดังนี้: 1s-2s-2p-3s-3p-4s

สังเกตได้ว่าแทนที่จะเติมออร์บิทัล 3 มิติก่อนอิเล็กตรอนจะครอบครอง 4s สิ่งนี้เกิดขึ้นก่อนที่จะหาทางสำหรับโลหะทรานซิชันซึ่งเป็นองค์ประกอบที่เติมชั้น 3 มิติด้านใน

ข้อ จำกัด ของหลักการ Aufbau

หลักการของ Aufbau ไม่สามารถทำนายการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของโลหะทรานซิชันจำนวนมากและธาตุหายากของโลก (แลนทาไนด์และแอกทิไนด์)

เนื่องจากความแตกต่างของพลังระหว่างวงโคจร ns และ (n-1) d อยู่ในระดับต่ำ ด้วยเหตุผลที่ได้รับการสนับสนุนจากกลศาสตร์ควอนตัมอิเล็กตรอนอาจต้องการที่จะทำให้ออร์บิทัล (n-1) d เสื่อมสภาพโดยเสียค่าใช้จ่ายในการคลายหรือขับอิเล็กตรอนออกจากวงโคจร ns

ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงคือกรณีของทองแดง การกำหนดค่าอิเล็กตรอนที่คาดการณ์โดยหลักการ Aufbau เป็น 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹เมื่อทดลองจะได้รับการแสดงที่จะ 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d 10

ในครั้งแรกอิเล็กตรอนโดดเดี่ยวจะไม่ถูกจับคู่ในออร์บิทัล 3 มิติในขณะที่ในวินาทีที่สองอิเล็กตรอนทั้งหมดในวงโคจร 3 มิติจะจับคู่กัน

อ้างอิง

Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (15 มิถุนายน 2560). นิยามหลักการ Aufbau นำมาจาก: thoughtco.com
ศ. เอ็นเดอเลออน (2001) หลักการ Aufbau นำมาจาก: iun.edu
เคมี 301 หลักการ Aufbau นำมาจาก: ch301.cm.utexas.edu
Hozefa Arsiwala และ teacherlookup.com (1 มิถุนายน 2560). ในเชิงลึก: หลักการของ Aufbau พร้อมตัวอย่าง นำมาจาก: teacherlookup.com
Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, p 199-203
กู๊ดฟี. (27 กรกฎาคม 2559). โครงการ Madelung . นำมาจาก: commons.wikimedia.org

หลักการของ AUFBAU: แนวคิดและคำอธิบายตัวอย่าง - เคมี - 2025