Aufbauov princip je metoda objašnjavanja rasporeda elektrona unutar atoma različitih kemijskih elemenata. Atomska teorija može biti složena i teška, ali ovaj princip pruža jednostavan skup pravila koja mogu objasniti elektronske konfiguracije velike većine elemenata. Izraz dolazi od njemačke riječi koja znači “izgradnja” i odnosi se na način na koji se elektroni dodaju atomima koji prelaze od lakših prema težim elementima. Princip nije savršen i postoji nekoliko izuzetaka, ali je vrlo koristan alat za učenje o atomskoj strukturi.
Školjke, podljuske i orbitale
Da bismo razumjeli Aufbauov princip, potrebno je prvo pogledati strukturu atoma. Može se reći da elektroni kruže oko pozitivno nabijene jezgre; međutim, postoje određena pravila koja nalažu kako se oni mogu rasporediti. U općeprihvaćenom modelu, oni zauzimaju ljuske, koje se mogu smatrati koncentričnima, oko jezgre. Unutar njih su podljuske, unutar kojih su orbitale. Orbitala opisuje prostor u kojem živi elektron.
Školjke su označene brojevima 1, 2, 3, itd., redoslijedom povećanja udaljenosti od jezgre – i povećanja razine energije – s brojevima koji također pokazuju koliko podljuska mogu imati. Podljuske su označene s, p, d i f, općim redoslijedom energije koju posjeduju elektroni u orbitalama koje sadrže. Svaka ima maksimalan broj orbitala koje može držati: s ima samo jednu, p ima tri, d ima pet i f ima sedam, a svaka orbitala može sadržavati najviše dva elektrona. Sve orbitale unutar podljuske imaju istu razinu energije.
To je sažeto u tablici u nastavku:
Školjke, podljuske i orbitale
Orbitale podljuske ljuske Maksimalni elektroni
1s 12
2 s1 2
— p3 6
3 s1 2
— p3 6
— d5 10
4 s1 2
— p3 6
— d5 10
— f7 14
To pokazuje, na primjer, da ljuska 3 ima podljusku s, ap i ad. Kada je potpuno ispunjen, imao bi ukupno 2 + 6 + 10 = 18 elektrona. Konfiguracija elektrona za element može se napisati, na primjer, kao:
1s22s22p1
što je element broj pet, bor. Ovo pokazuje broj ljuske iza kojeg slijedi slovo podljuske, s brojem elektrona koje sadrži u superkriptu.
Konstruiranje elemenata
Moguće je zamisliti izgradnju progresivno težih elemenata dodavanjem elektrona, počevši od najlakšeg elementa, vodika (1s1). Kako se dodaju elektroni, oni popunjavaju orbitale unutar podljuska unutar ljuski. Opće je pravilo da će svaki sustav usvojiti konfiguraciju koja ima najnižu energiju. Iako je ovo vrlo jednostavno pravilo, određivanje rasporeda najniže energije i objašnjenje konfiguracija može uključivati mnogo komplikacija, zbog interakcija između čestica. Elektroni će, naravno, težiti popuniti orbitale niže energije prije onih više energije, a Aufbauov princip nastoji objasniti kako se to događa.
Pravila
Aufbau princip ima samo tri pravila:
Elektroni će ispuniti orbitale rastućim redoslijedom energije – to jest, prvo će ispuniti orbitale najniže energije. Budući da sve orbitale u danoj podljusci imaju istu energetsku razinu, sve se moraju popuniti prije nego se sljedeća podljuska počne puniti.
Svaka orbitala može sadržavati najviše dva elektrona, a oni moraju imati suprotne vrtnje.
Gdje su dostupne dvije ili više orbitala s istom razinom energije, nijedna od njih neće biti popunjena dok sve ne dobiju elektron. Drugim riječima, elektroni će se pokušati ravnomjerno rasporediti po dostupnim orbitalama iste energije gdje god je to moguće.
U slučaju najjednostavnijeg elementa, vodika, njegov jedan elektron nalazi se u orbitali u s podljusci. Sljedeći element, helij, ima drugi elektron koji ide u istu orbitalu: 1s2. Orbitala, s podljuska i ljuska 1 sada su pune. Litij, s tri elektrona, ima istu konfiguraciju kao helij, ali s dodatnim elektronom u s podljusci ljuske 2, jer je to najniža energetska orbitala dostupna: 1s22s1.
Preskakanje nekoliko elemenata, ugljik, sa šest elektrona, ima 1s22s22p2 konfiguraciju: obje s podljuske su popunjene, tako da dva preostala elektrona idu u p podljusku. Oni će ići u različite orbitale, prema trećem pravilu Aufbauovog principa.
iznimke
Kako elementi postaju teži, njihov raspored orbitala postaje složeniji, a ponekad interakcije između elektrona mogu proizvesti iznimke od Aufbauovog principa. Pravila vrijede do elementa broj 24, kroma. Ovo je jedan od nekolicine elemenata koji se baš i ne podudaraju. Svoju 4s podljusku ostavlja neispunjenom, dok je u sljedećoj podljusci pet elektrona, jer je u ovom neobičnom slučaju to nešto niža energetska konfiguracija od one predviđene pravilima. Ostale iznimke su bakar i srebro.
Koristi
Unatoč iznimkama, Aufbau princip je koristan u kolegijima kemije gdje studenti otkrivaju temeljna pravila o atomskoj strukturi i svojstvima elemenata. Može se koristiti dijagram ili dijagram kako bi se pokazalo kako princip funkcionira za različite primjere elemenata. Ovo će obično pokazati ljuske, podljuske i orbitale na način koji jasno ilustrira kako su ispunjene.