Illing Electrons in Orbitals – Αρχή Aufbau

Κανόνες πλήρωσης ηλεκτρονίων σε τροχιακά – Αρχή Aufbau

Εισαγωγή

Η αρχή Aufbau , που προέρχεται από τη γερμανική Aufbauprinzip (αρχή δημιουργίας), μερικές φορές γνωστή ως κανόνας Aufbau, βεβαιώνει ότι τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν το χαμηλότερο επίπεδο στη θεμελιώδη κατάσταση ενός προσβάσιμου σε άτομο ή ιόντος ενεργειακά υποφλοιώματα πρώτα και μετά τα υποκέλυφα υψηλότερης ενέργειας. Το άτομο φωσφόρου, για παράδειγμα, έχει τη διαμόρφωση 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3, υποδεικνύοντας ότι το υποκέλυφος 1s διαθέτει δύο ηλεκτρόνια και ούτω καθεξής.

Άλλες αρχές της ατομικής φυσικής, όπως ο κανόνας του Hund και η αρχή του αποκλεισμού Pauli, βοηθούν στην εξήγηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων. Σύμφωνα με τον κανόνα του Hund, εάν πολλά τροχιακά της ίδιας ενέργειας είναι προσβάσιμα, τα ηλεκτρόνια θα καταλαμβάνουν ξεχωριστά τροχιακά μεμονωμένα πριν κάποια καταληφθεί δύο φορές. Εάν συμβεί διπλή κατάληψη, η αρχή του αποκλεισμού Pauli υπαγορεύει ότι τα ηλεκτρόνια στο ίδιο τροχιακό έχουν διαφορετικά σπιν (+½ και -1/2).

Όταν μετακινούμαστε από το ένα στοιχείο στο άλλο με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό, ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο προστίθενται κάθε φορά στο ουδέτερο άτομο. Οποιοδήποτε φλοιό μπορεί να έχει το πολύ 2n ηλεκτρόνια, όπου n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός. 2(2l + 1) είναι ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων σε ένα υποκέλυφος (s, p, d, ή f), όπου l =0, 1, 2, 3… Ως αποτέλεσμα, αυτά τα υποφλοιώματα μπορούν να έχουν το πολύ 2 , 6, 10 ή 14 ηλεκτρόνια. Η ηλεκτρονική διαμόρφωση μπορεί να δημιουργηθεί στη βασική κατάσταση προσθέτοντας ηλεκτρόνια στο χαμηλότερο προσβάσιμο υποκέλυφος έως ότου ο συνολικός αριθμός ισούται με τον ατομικό αριθμό. Ως αποτέλεσμα, τα υποκελύφη γεμίζουν κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας, με βάση δύο γενικά κριτήρια που βοηθούν στην πρόβλεψη ηλεκτρονικών διαμορφώσεων:

• Οι υποφλοιοί εκχωρούνται σε ηλεκτρόνια με σειρά αύξησης της τιμής n + l.
• Όταν δύο υποκέλυφοι έχουν το ίδιο 

Τιμή n + l, τα ηλεκτρόνια εκχωρούνται στο υποκέλυφος με το χαμηλότερο n πρώτα.

Το μοντέλο πυρηνικού κελύφους, μια παραλλαγή της αρχής Aufbau , προβλέπει τη διαμόρφωση των πρωτονίων και των νετρονίων σε έναν ατομικό πυρήνα.

Αρχική εντολή Aufbau :

Η αρχή Aufbau βασίζεται στην υπόθεση ότι τα τροχιακά με υψηλότερες ενέργειες έχουν χαμηλότερο ενεργό πυρηνικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια σε μια τροχιά συμπεριφέρονται σαν ένα νέφος αρνητικού φορτίου. Όσο περισσότερα ηλεκτρόνια, τόσο πιο αρνητικό είναι το νέφος. Έτσι, καθώς ένα ηλεκτρόνιο πέφτει σε ένα τροχιακό χαμηλότερης ενέργειας, μειώνει το ενεργό πυρηνικό φορτίο και προσελκύει άλλα ηλεκτρόνια στα υπόλοιπα τροχιακά. Ο Aufbau έχει δώσει πολλά σημαντικά πράγματα σχετικά με τους κανόνες πλήρωσης ηλεκτρονίων στα τροχιακά .

Συνολικά, αυτές οι δύο αρχές υπονοούν ότι οποιοδήποτε δεδομένο άτομο δεν θα έχει ποτέ περισσότερα από ένα ηλεκτρόνια σε οποιοδήποτε δεδομένο τροχιακό. Αυτό εξηγεί το αξίωμα του Bohr:τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τα τροχιακά με σειρά αυξανόμενης ενέργειας, ένα ηλεκτρόνιο ανά τροχιακό, χωρίς εξαιρέσεις.

Ο κανόνας (n+l), γνωστός και ως αρχή Aufbau ή ακολουθία Aufbau, καθορίζει την ενέργεια όλων των ατομικών τροχιακών. Ο κανόνας λέει ότι το τροχιακό με χαμηλότερη τιμή (n+l) συμπληρώνεται πρώτα. Αν δύο τροχιακά έχουν το ίδιο n+l, αυτό με χαμηλότερο n συμπληρώνεται πρώτο.

Το πρώτο τροχιακό που συμπληρώνουμε είναι το τροχιακό 1s. Αυτό γεμίζει με δύο ηλεκτρόνια. Το επόμενο τροχιακό που θα συμπληρώσει το τροχιακό 2s. Γεμίζει με άλλα δύο ηλεκτρόνια. Το τρίτο τροχιακό που γεμίζει είναι το τροχιακό 2p, το οποίο γεμίζει με άλλα έξι ηλεκτρόνια. Τα επόμενα τροχιακά που θα γεμίσουν θα είναι τα τροχιακά 3s και 3p, το καθένα γεμάτο με οκτώ επιπλέον ηλεκτρόνια.

Το επόμενο υψηλότερο επίπεδο ενέργειας έχει τέσσερα τροχιακά. Τα γεμίζουμε ως εξής:4s γεμίζει με δύο ηλεκτρόνια. 4p γεμίζει με έξι? και μετά έρχεται το 4d, το οποίο γεμίζει με 10 ηλεκτρόνια. Ακολουθεί η πλήρωση 5s με οκτώ ηλεκτρόνια. μετά έρχεται το 5d, το οποίο γεμίζει με 14 ακόμα. και τέλος έρχεται η πλήρωση 5p, η οποία συμπληρώνει τη λίστα με τις γεμάτες ομάδες τροχιακών γεμίζοντας με 18 επιπλέον ηλεκτρόνια.

Έτσι, το παρακάτω διάγραμμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καλύτερη οπτικοποίηση της πλήρωσης των τροχιακών.

Μετακινούμαστε από την ουρά του βέλους προς το κεφάλι και μετά προχωράμε στην ουρά του βέλους παρακάτω.

Η καταγραφή τους με αυτή τη σειρά μας δίνει την αύξουσα σειρά της τροχιακής ενέργειας καθώς και τη σειρά με την οποία πρέπει να γεμίσουν τα ηλεκτρόνια στο άτομο.

Εξαιρέσεις:

Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του Chromium είναι [Ar]3d54s1, όχι [Ar]3d44s2 (όπως προτείνεται από την αρχή Aufbau ). Αυτό οφείλεται σε πολλές μεταβλητές, συμπεριλαμβανομένης της βελτιωμένης σταθερότητας των μισογεμισμένων υποκελυφών και του σχετικά μικρού ενεργειακού χάσματος μεταξύ των υποκελύφων 3d και 4s.

Οι χαμηλές απωθήσεις ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίων στα τροχιακά των μισογεμισμένων υποκελυφών αυξάνουν τη σταθερότητα μειώνοντας τις απωθήσεις ηλεκτρονίων-ηλεκτρονίου. Ομοίως, τα γεμάτα υποκέλυφα βελτιώνουν τη σταθερότητα του ατόμου. Ως αποτέλεσμα, οι διαμορφώσεις ηλεκτρονίων ορισμένων ατόμων αψηφούν το Aufbau αρχή (ανάλογα με το ενεργειακό κενό μεταξύ των τροχιακών).

Ο χαλκός, για παράδειγμα, αποτελεί εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα, έχοντας μια ηλεκτρική διαμόρφωση που αντιστοιχεί στο [Ar]3d104s1. Η σταθερότητα που δίνεται από ένα γεμάτο τρισδιάστατο υποκέλυφος εξηγεί αυτό.

Κανόνες πλήρωσης ηλεκτρονίων σε διάφορα τροχιακά:

1. Κανόνας του Χουντ:Η αρχή του Aufbau δηλώνει ότι τα ηλεκτρόνια γεμίζουν πρώτα τα τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας. Αφού καταληφθούν τα τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται σε τροχιακά υψηλότερης ενέργειας. Η δυσκολία με αυτόν τον κανόνα είναι ότι παραλείπει πληροφορίες για τα τρία τροχιακά 2p και την ακολουθία πλήρωσής τους.

Ο κανόνας του Hund είναι ο εξής:

• Καταλαμβάνεται μεμονωμένα προτού οποιοδήποτε τροχιακό στο υποεπίπεδο γίνει διπλά κατειλημμένο.
• Όλα τα ηλεκτρόνια σε ένα τροχιακό μονής κατοχής έχουν το ίδιο σπιν για να μεγιστοποιήσουν το συνολικό σπιν.

Ένα ηλεκτρόνιο δεν θα συζευχθεί με ένα άλλο ηλεκτρόνιο σε ένα μισογεμάτο τροχιακό αφού μπορεί να γεμίσει όλα τα τροχιακά του με παρόμοια ενέργεια. Τα άτομα στη θεμελιώδη κατάσταση έχουν μεγάλο αριθμό ασύζευκτων ηλεκτρονίων. Όταν δύο ηλεκτρόνια έρχονται σε επαφή, συμπεριφέρονται παρόμοια με δύο μαγνήτες. Πριν συζευχθούν, τα ηλεκτρόνια θέλουν να απομακρυνθούν όσο το δυνατόν περισσότερο το ένα από το άλλο.

1. Διαγράμματα πλήρωσης τροχιακών:Ένα διάγραμμα τροχιακής πλήρωσης αναπαριστά οπτικά πώς είναι διατεταγμένα όλα τα ηλεκτρόνια σε ένα συγκεκριμένο άτομο. Τα μεμονωμένα τροχιακά εμφανίζονται ως κύκλοι (ή τετράγωνα) σε ένα διάγραμμα τροχιακής πλήρωσης και εντός ενός υποεπίπεδου, τα τροχιακά σχεδιάζονται οριζόντια το ένα δίπλα στο άλλο. Το κύριο ενεργειακό επίπεδο και το υποεπίπεδο κάθε υποεπίπεδου επισημαίνονται. Τα βέλη μέσα στους δακτυλίους αντιπροσωπεύουν ηλεκτρόνια. Η μία κατεύθυνση στυψίματος εμφανίζεται με ένα βέλος που δείχνει προς τα πάνω, ενώ η άλλη με ένα βέλος που δείχνει προς τα κάτω.

1. Αρχή αποκλεισμού Pauli:Ο ρυθμός γυμνής σκέδασης που δίνεται από την Εξ. (17) πρέπει να αλλάξει κατά έναν συντελεστή 1fm(k′) στο ολοκλήρωμα σύγκρουσης του BTE, όπου FM(k′) είναι η συνάρτηση κατανομής ενός σωματιδίου για την κατάσταση k′ στη ζώνη (υποζώνη) m μετά τη σκέδαση, σύμφωνα με την αρχή του αποκλεισμού Pauli.

1. Κανόνας οκτάδας:Ο κανόνας της οκτάδας είναι ένας εμπειρικός χημικός κανόνας που δηλώνει ότι τα στοιχεία της κύριας ομάδας τείνουν να συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε άτομο να έχει οκτώ ηλεκτρόνια στο κέλυφος σθένους του, με αποτέλεσμα σε ηλεκτρονική διαμόρφωση παρόμοια με αυτή ενός ευγενούς αερίου. Ο νόμος ισχύει ιδιαίτερα για τον άνθρακα, το άζωτο, το οξυγόνο και τα αλογόνα, συμπεριλαμβανομένων των πρωτογενών μετάλλων όπως το νάτριο και το μαγνήσιο. Άλλοι νόμοι ισχύουν για άλλα στοιχεία, όπως ο κανόνας διπλής χρήσης για το υδρογόνο και το ήλιο ή ο κανόνας των 18 ηλεκτρονίων για τα μέταλλα μετάπτωσης.

Συμπέρασμα

Η Αρχή Aufbau χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση ηλεκτρονικών συσκευών:

• Διαμόρφωση ηλεκτρονίων θείου στη γραφή
• Το θείο έχει ατομικό αριθμό 16, που δείχνει ότι έχει 16 ηλεκτρόνια.
• Σύμφωνα με την αρχή Aufbau , δύο από αυτά τα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο υποκέλυφος 1s, οκτώ στο υποκέλυφος 2s και 2p και τα υπόλοιπα είναι διασκορπισμένα μεταξύ των υποστυλωμάτων 3s και 3p.

Ως αποτέλεσμα, η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του θείου μπορεί να εκφραστεί ως 1s22s22p63s23p4.

Διαμόρφωση ηλεκτρονίων αζώτου: 

• Το άζωτο είναι ένα στοιχείο επτά ηλεκτρονίων (καθώς ο ατομικός του αριθμός είναι 7).
• Τα ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν τα τροχιακά 1s, 2s και 2p.
• Η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του αζώτου είναι γραμμένη ως 1s22s22p3.