ما هو أساس الاستثناءات من مبدأ Aufbau؟

يعني Aufbau "البناء" باللغة الألمانية ، وينص مبدأ Aufbau على أن الإلكترونات تملأ غلاف الإلكترون حول الذرات وفقًا لمستوى الطاقة. هذا يعني أن قذائف الإلكترون والأجزاء الفرعية حول الذرات تمتلئ من الداخل إلى الخارج ، باستثناء الداخل في بعض الحالات التي يكون فيها الغلاف الخارجي منخفض الطاقة ويمتلئ جزئيًا قبل الغلاف الداخلي ممتلىء.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

تستند الاستثناءات لمبدأ Aufbau إلى حقيقة أن بعض الذرات تكون أكثر ثباتًا عندما تملأ إلكتروناتها أو تملأ نصف غلاف إلكترون أو قشرة فرعية. وفقًا لمبدأ Aufbau ، يجب أن تملأ هذه الإلكترونات دائمًا الأصداف والأجزاء الفرعية وفقًا لزيادة مستويات الطاقة. تعتبر العناصر مثل النحاس والكروم استثناءات لأن إلكتروناتها تملأ نصف قشور فرعية ، مع بعض الإلكترونات في أغلفة مستوى الطاقة الأعلى.

تحتوي الإلكترونات حول النواة الذرية على مستويات طاقة منفصلة تسمى الأصداف. أدنى مستوى للطاقة هو الأقرب للنواة ، ولديه مساحة لإلكترونين فقط في غلاف يسمى غلاف s. الغلاف التالي به مساحة لثمانية إلكترونات في جزأين فرعيين ، s و p. تحتوي القشرة الثالثة على مساحة لـ 18 إلكترونًا في ثلاثة أقسام فرعية ، وهي s و p و d. تحتوي القشرة الرابعة على أربعة أقسام فرعية ، مضيفةً الجزء الفرعي f. دائمًا ما تحتوي الأجزاء الفرعية ذات الحروف على مساحة لعدد الإلكترونات نفسه: اثنان للقشرة الفرعية s ، وستة للقشرة p ، و 10 لـ d ، و 14 لـ f.

لتحديد قشرة فرعية ، يتم إعطاؤها رقم الغلاف الرئيسي وحرف الطبقة الفرعية. على سبيل المثال ، يحتوي الهيدروجين على الإلكترون الوحيد في غلاف 1s بينما يحتوي الأكسجين ، مع ثمانية إلكترونات ، على اثنين في غلاف 1s ، واثنان في الغلاف الفرعي 2s وأربعة في الغلاف الفرعي 2p. تمتلئ الأجزاء الفرعية بترتيب أرقامها وأحرفها حتى الغلاف الثالث.

تمتلئ الأجزاء الفرعية 3s و 3 p باثنين وستة إلكترونات ، لكن الإلكترونات التالية تدخل في المجموعة الفرعية 4s ، وليس القشرة الفرعية ثلاثية الأبعاد كما هو متوقع. تتمتع الطبقة الفرعية 4s بمستوى طاقة أقل من المستوى الفرعي ثلاثي الأبعاد ، وبالتالي تملأ أولاً. على الرغم من أن الأرقام خارج التسلسل ، إلا أنها تحترم مبدأ Aufbau لأن الأجزاء الفرعية للإلكترون تمتلئ وفقًا لمستويات طاقتها.

ينطبق مبدأ Aufbau على جميع العناصر تقريبًا ، خاصةً ضمن الأعداد الذرية الأقل. تستند الاستثناءات إلى حقيقة أن الأصداف أو الأصداف الفرعية نصف الممتلئة أو الكاملة أكثر استقرارًا من الأصداف المملوءة جزئيًا. عندما يكون الفرق في مستويات الطاقة بين جزأين فرعيين صغيرًا ، فقد ينتقل الإلكترون إلى الغلاف ذي المستوى الأعلى لملئه أو نصفه. يحتل الإلكترون قشرة مستوى الطاقة الأعلى في انتهاك لمبدأ Aufbau لأن الذرة أكثر استقرارًا بهذه الطريقة.

تعتبر الأجزاء الفرعية الكاملة أو نصف الممتلئة مستقرة جدًا ولديها مستوى طاقة أقل مما كانت ستحصل عليه بخلاف ذلك. بالنسبة لعدد قليل من العناصر ، يتغير التسلسل الطبيعي لمستويات الطاقة بسبب الأجزاء الفرعية الممتلئة أو نصف الممتلئة. بالنسبة لعناصر العدد الذري الأعلى ، تصبح الاختلافات في مستويات الطاقة صغيرة جدًا ، ويكون التغيير الناتج عن ملء الطبقة الفرعية أكثر شيوعًا من الأعداد الذرية الأقل. على سبيل المثال ، الروثينيوم والروديوم والفضة والبلاتين كلها استثناءات لمبدأ Aufbau بسبب الأجزاء الفرعية المملوءة أو نصف الممتلئة.

في الأرقام الذرية الأقل ، يكون الاختلاف في مستويات الطاقة للتسلسل الطبيعي لقذائف الإلكترون أكبر والاستثناءات ليست شائعة. في العناصر الثلاثين الأولى ، فقط النحاس ، العدد الذري 24 ، والكروم ، العدد الذري 29 ، هي استثناءات لمبدأ Aufbau.

من إجمالي 24 إلكترونًا للنحاس ، تملأ مستويات الطاقة بـ 2 في 1 ، واثنان في 2 ، وستة في 2p ، واثنان في 3s ، وستة في 3p ليصبح المجموع 18 في المستويات الدنيا. يجب أن تدخل الإلكترونات الستة المتبقية في الأجزاء الفرعية 4s و 3 d ، مع اثنين في 4s وأربعة في 3d. بدلاً من ذلك ، نظرًا لأن القسم الفرعي d يحتوي على مساحة لـ 10 إلكترونات ، فإن الجزء الفرعي ثلاثي الأبعاد يأخذ خمسة من الإلكترونات الستة المتاحة ويترك واحدًا للقشرة الفرعية 4s. الآن كل من الأجزاء الفرعية 4s و 3 d هي نصف ممتلئة ، تكوين مستقر ولكن استثناء لمبدأ Aufbau.

وبالمثل ، يحتوي الكروم على 29 إلكترونًا مع 18 إلكترونًا في الغلاف السفلي و 11 إلكترونًا متبقيًا. وفقًا لمبدأ Aufbau ، يجب أن ينتقل اثنان إلى 4s و 9 في 3d. لكن يمكن لـ 3d أن يحمل 10 إلكترونات ، لذا فإن واحدًا فقط يذهب إلى 4s ليجعله نصف ممتلئ و 10 يدخل في 5d لملئه. يعمل مبدأ Aufbau طوال الوقت تقريبًا ، ولكن تحدث استثناءات عندما تكون الأجزاء الفرعية نصف ممتلئة أو ممتلئة.