Aufbau signifie "construire" en allemand, et le principe Aufbau stipule que les électrons remplissent les couches d'électrons autour des atomes en fonction du niveau d'énergie. Cela signifie que les couches et sous-couches électroniques autour des atomes sont remplies de l'intérieur vers l'extérieur, sauf dans certains cas où une coque extérieure a un faible niveau d'énergie et se remplit en partie avant qu'une coque intérieure ne soit plein.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
Les exceptions au principe d'Aufbau reposent sur le fait que quelques atomes sont plus stables lorsque leurs électrons remplissent ou remplissent à moitié une couche ou une sous-couche d'électrons. Selon le principe d'Aufbau, ces électrons doivent toujours remplir les couches et sous-couches selon des niveaux d'énergie croissants. Des éléments tels que le cuivre et le chrome sont des exceptions car leurs électrons remplissent et remplissent à moitié deux sous-couches, avec quelques électrons dans les couches de niveau d'énergie plus élevé.
Remplissage des coques et sous-couches électroniques
Les électrons autour d'un noyau atomique ont des niveaux d'énergie discrets appelés coquilles. Le niveau d'énergie le plus bas est le plus proche du noyau, et il n'a de place que pour deux électrons dans une couche appelée coque s. La couche suivante a de la place pour huit électrons dans deux sous-couches, les sous-couches s et p. La troisième couche a de la place pour 18 électrons dans trois sous-couches, les sous-couches s, p et d. Le quatrième shell a quatre sous-shells, en ajoutant le sous-shell f. Les sous-couches lettrées ont toujours de la place pour le même nombre d'électrons: deux pour la sous-couche s, six pour p, 10 pour d et 14 pour f.
Pour identifier un sous-shell, on lui donne le numéro du shell principal et la lettre du sous-shell. Par exemple, l'hydrogène a son seul électron dans la couche 1s tandis que l'oxygène, avec huit électrons, en a deux dans la couche 1s, deux dans la sous-couche 2s et quatre dans la sous-couche 2p. Les sous-coquilles se remplissent dans l'ordre de leurs chiffres et lettres jusqu'à la troisième coquille.
Les sous-couches 3s et 3p se remplissent de deux et six électrons, mais les électrons suivants vont dans la sous-couche 4s, pas la sous-couche 3d comme prévu. Le sous-shell 4s a un niveau d'énergie inférieur au sous-shell 3d et se remplit donc en premier. Bien que les nombres soient hors séquence, ils respectent le principe d'Aufbau car les sous-couches électroniques se remplissent en fonction de leurs niveaux d'énergie.
Comment fonctionnent les exceptions
Le principe Aufbau est valable pour presque tous les éléments, en particulier dans les numéros atomiques inférieurs. Les exceptions sont basées sur le fait que les coques ou sous coques à moitié pleines ou pleines sont plus stables que les coques partiellement remplies. Lorsque la différence de niveaux d'énergie entre deux sous-couches est faible, un électron peut être transféré vers la couche de niveau supérieur pour la remplir ou la remplir à moitié. L'électron occupe la couche de niveau d'énergie le plus élevé en violation du principe d'Aufbau car l'atome est ainsi plus stable.
Les sous-couches pleines ou à moitié pleines sont très stables et ont un niveau d'énergie inférieur à celui qu'elles auraient autrement. Pour quelques éléments, la séquence normale des niveaux d'énergie est modifiée en raison de sous-couches pleines ou à moitié pleines. Pour les éléments de numéro atomique plus élevé, les différences dans les niveaux d'énergie deviennent très faibles et le changement dû au remplissage d'une sous-couche est plus fréquent qu'aux numéros atomiques inférieurs. Par exemple, le ruthénium, le rhodium, l'argent et le platine sont tous des exceptions au principe Aufbau en raison de sous-coquilles remplies ou à moitié remplies.
Dans les numéros atomiques inférieurs, la différence de niveaux d'énergie pour la séquence normale de couches d'électrons est plus grande et les exceptions ne sont pas aussi courantes. Dans les 30 premiers éléments, seuls le cuivre, numéro atomique 24, et le chrome, numéro atomique 29, sont des exceptions au principe Aufbau.
Sur le total de 24 électrons du cuivre, ils remplissent les niveaux d'énergie avec deux en 1, deux en 2, six en 2p, deux en 3 et six en 3p pour un total de 18 dans les niveaux inférieurs. Les six électrons restants devraient aller dans les sous-couches 4s et 3d, avec deux en 4s et quatre en 3d. Au lieu de cela, parce que la sous-couche d a de la place pour 10 électrons, la sous-couche 3d prend cinq des six elctrons disponibles et en laisse un pour la sous-couche 4s. Maintenant, les sous-shells 4s et 3d sont à moitié pleins, une configuration stable mais une exception au principe Aufbau.
De même, le chrome a 29 électrons avec 18 dans les couches inférieures et 11 restants. Selon le principe d'Aufbau, deux devraient entrer en 4s et neuf en 3d. Mais le 3d peut contenir 10 électrons, donc un seul passe en 4s pour le rendre à moitié plein et 10 en 5d pour le remplir. Le principe Aufbau fonctionne presque tout le temps, mais des exceptions se produisent lorsque les sous-shells sont à moitié pleins ou pleins.