Aufbau bedeutet auf Deutsch "Aufbauen", und das Aufbau-Prinzip besagt, dass Elektronen Elektronenhüllen um Atome entsprechend dem Energieniveau füllen. Dies bedeutet, dass Elektronenschalen und Unterschalen um Atome von innen nach außen gefüllt werden, außer in einige Fälle, in denen eine Außenschale ein niedriges Energieniveau hat und sich teilweise füllt, bevor eine Innenschale voll.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Ausnahmen vom Aufbauprinzip beruhen darauf, dass einige Atome stabiler sind, wenn ihre Elektronen eine Elektronenschale oder -unterschale füllen oder halb ausfüllen. Nach dem Aufbauprinzip sollen diese Elektronen Schalen und Unterschalen immer entsprechend steigender Energieniveaus füllen. Elemente wie Kupfer und Chrom sind Ausnahmen, da ihre Elektronen zwei Unterschalen füllen und halb ausfüllen, wobei einige Elektronen in den Schalen höherer Energieniveaus liegen.
Füllen von Elektronenschalen und Unterschalen
Die Elektronen um einen Atomkern haben diskrete Energieniveaus, die als Schalen bezeichnet werden. Das niedrigste Energieniveau ist dem Kern am nächsten und es hat nur Platz für zwei Elektronen in einer Schale, die als s-Schale bezeichnet wird. Die nächste Schale bietet Platz für acht Elektronen in zwei Unterschalen, der s- und der p-Unterschale. Die dritte Schale bietet Platz für 18 Elektronen in drei Unterschalen, den s-, p- und d-Unterschalen. Die vierte Shell hat vier Subshells und fügt die f-Subshell hinzu. Die beschrifteten Unterschalen haben immer Platz für die gleiche Anzahl von Elektronen: zwei für die s-Unterschale, sechs für p, 10 für d und 14 für f.
Um eine Unterschale zu identifizieren, erhält sie die Nummer der Hauptschale und den Buchstaben der Unterschale. Zum Beispiel hat Wasserstoff sein einziges Elektron in der 1s-Schale, während Sauerstoff mit acht Elektronen zwei in der 1s-Schale, zwei in der 2s-Unterschale und vier in der 2p-Unterschale hat. Die Unterschalen füllen sich in der Reihenfolge ihrer Zahlen und Buchstaben bis zur dritten Schale.
Die 3s- und 3p-Unterschale füllen sich mit zwei und sechs Elektronen, aber die nächsten Elektronen gehen in die 4s-Unterschale, nicht wie erwartet in die 3d-Unterschale. Die 4s-Unterschale hat ein niedrigeres Energieniveau als die 3d-Unterschale und füllt sich daher zuerst. Obwohl die Zahlen nicht hintereinander stehen, respektieren sie das Aufbauprinzip, da sich die Elektronenunterschalen entsprechend ihrem Energieniveau auffüllen.
Wie die Ausnahmen funktionieren
Das Aufbauprinzip gilt für fast alle Elemente, insbesondere innerhalb der unteren Ordnungszahlen. Ausnahmen beruhen darauf, dass Halb- oder Vollschalen bzw. Unterschalen stabiler sind als teilgefüllte. Wenn der Unterschied der Energieniveaus zwischen zwei Unterschalen gering ist, kann ein Elektron auf die Schale höherer Niveaus übertragen werden, um diese zu füllen oder halb zu füllen. Das Elektron besetzt unter Verletzung des Aufbauprinzips die Schale mit höherem Energieniveau, weil das Atom auf diese Weise stabiler ist.
Volle oder halbvolle Unterschalen sind sehr stabil und haben ein niedrigeres Energieniveau als sonst. Bei einigen wenigen Elementen wird die normale Abfolge der Energieniveaus durch volle oder halbvolle Unterschalen verändert. Bei Elementen mit höherer Ordnungszahl werden die Unterschiede in den Energieniveaus sehr klein, und die Änderung durch das Füllen einer Unterschale ist häufiger als bei niedrigeren Ordnungszahlen. Ausnahmen vom Aufbau-Prinzip sind beispielsweise Ruthenium, Rhodium, Silber und Platin wegen gefüllter oder halbgefüllter Unterschalen.
Bei den niedrigeren Ordnungszahlen ist der Unterschied der Energieniveaus für die normale Abfolge von Elektronenschalen größer und Ausnahmen sind nicht so häufig. Von den ersten 30 Elementen sind nur Kupfer, Ordnungszahl 24, und Chrom, Ordnungszahl 29, Ausnahmen vom Aufbauprinzip.
Von den insgesamt 24 Elektronen des Kupfers füllen sie die Energieniveaus mit zwei in 1s, zwei in 2s, sechs in 2p, zwei in 3s und sechs in 3p für insgesamt 18 in den unteren Ebenen. Die verbleibenden sechs Elektronen sollten in die 4s- und 3d-Unterschalen gehen, mit zwei in 4s und vier in 3d. Da die d-Unterschale Platz für 10 Elektronen bietet, nimmt die 3d-Unterschale stattdessen fünf der sechs verfügbaren Elektronen auf und lässt eines für die 4s-Unterschale übrig. Jetzt sind sowohl die 4s- als auch die 3d-Unterschale halb voll, eine stabile Konfiguration, aber eine Ausnahme vom Aufbau-Prinzip.
Ebenso hat Chrom 29 Elektronen mit 18 in den unteren Schalen und 11 übrig. Nach dem Aufbau-Prinzip sollten zwei in 4s und neun in 3d gehen. Aber 3d kann 10 Elektronen halten, also geht nur eines in 4s, um es halb voll zu machen, und 10 gehen in 5d, um es zu füllen. Das Aufbau-Prinzip funktioniert fast immer, aber Ausnahmen treten auf, wenn die Subshells halb voll oder voll sind.