Aufbau significa "costruire" in tedesco e il principio Aufbau afferma che gli elettroni riempiono i gusci di elettroni attorno agli atomi in base al livello di energia. Ciò significa che i gusci elettronici e i gusci secondari attorno agli atomi sono riempiti dall'interno verso l'esterno, tranne che in alcuni casi in cui un guscio esterno ha un basso livello di energia e si riempie parzialmente prima che un guscio interno sia pieno.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Le eccezioni al principio di Aufbau si basano sul fatto che alcuni atomi sono più stabili quando i loro elettroni riempiono o riempiono a metà un guscio o un sottolivello di elettroni. Secondo il principio Aufbau, questi elettroni dovrebbero sempre riempire shell e subshell in base a livelli di energia crescenti. Elementi come il rame e il cromo sono eccezioni perché i loro elettroni riempiono e riempiono a metà due subshell, con alcuni elettroni nelle shell di livello energetico più elevato.
Riempimento di gusci elettronici e subshell
Gli elettroni attorno a un nucleo atomico hanno livelli energetici discreti chiamati gusci. Il livello di energia più basso è il più vicino al nucleo e ha spazio solo per due elettroni in un guscio chiamato guscio s. Il guscio successivo ha spazio per otto elettroni in due subshell, s e p subshell. La terza shell ha spazio per 18 elettroni in tre subshell, le subshell s, p e d. La quarta shell ha quattro subshell, aggiungendo la subshell f. Le subshell con lettere hanno sempre spazio per lo stesso numero di elettroni: due per la subshell s, sei per p, 10 per d e 14 per f.
Per identificare una subshell, viene dato il numero della shell principale e la lettera della subshell. Ad esempio, l'idrogeno ha il suo unico elettrone nel guscio 1s mentre l'ossigeno, con otto elettroni, ne ha due nel guscio 1s, due nel subshell 2s e quattro nel subshell 2p. Le subshell si riempiono nell'ordine dei loro numeri e lettere fino alla terza shell.
Le subshell 3s e 3p si riempiono con due e sei elettroni, ma gli elettroni successivi vanno nella subshell 4s, non nella subshell 3d come previsto. Il subshell 4s ha un livello di energia inferiore rispetto al subshell 3d e quindi si riempie per primo. Sebbene i numeri siano fuori sequenza, rispettano il principio Aufbau perché i subshell degli elettroni si riempiono in base ai loro livelli di energia.
Come funzionano le eccezioni
Il principio di Aufbau vale per quasi tutti gli elementi, specialmente all'interno dei numeri atomici inferiori. Le eccezioni si basano sul fatto che le shell o le subshell semipiene o complete sono più stabili di quelle parzialmente riempite. Quando la differenza nei livelli di energia tra due subshell è piccola, un elettrone può trasferirsi al livello superiore per riempirlo o riempirlo a metà. L'elettrone occupa il livello di energia più alto in violazione del principio di Aufbau perché l'atomo è più stabile in quel modo.
I subshell pieni o semipieni sono molto stabili e hanno un livello di energia inferiore a quello che avrebbero altrimenti. Per alcuni elementi, la normale sequenza dei livelli di energia viene modificata a causa di subshell pieni o semipieni. Per gli elementi con numero atomico più alto, le differenze nei livelli di energia diventano molto piccole e il cambiamento dovuto al riempimento di una subshell è più comune rispetto a numeri atomici inferiori. Ad esempio, rutenio, rodio, argento e platino sono tutte eccezioni al principio Aufbau a causa di subshell riempiti o riempiti a metà.
Nei numeri atomici inferiori, la differenza nei livelli di energia per la normale sequenza di gusci di elettroni è maggiore e le eccezioni non sono così comuni. Nei primi 30 elementi, solo il rame, numero atomico 24, e il cromo, numero atomico 29, sono eccezioni al principio di Aufbau.
Dei 24 elettroni totali del rame, riempiono i livelli di energia con due in 1, due in 2, sei in 2p, due in 3 e sei in 3p per un totale di 18 nei livelli inferiori. I restanti sei elettroni dovrebbero andare nelle subshell 4s e 3d, con due in 4s e quattro in 3d. Invece, poiché la subshell d ha spazio per 10 elettroni, la subshell 3d prende cinque dei sei elettroni disponibili e ne lascia uno per la subshell 4s. Ora entrambe le subshell 4s e 3d sono piene per metà, una configurazione stabile ma un'eccezione al principio Aufbau.
Allo stesso modo, il cromo ha 29 elettroni con 18 nei gusci inferiori e 11 rimasti. Per il principio Aufbau, due dovrebbero andare in 4 e nove in 3d. Ma 3d può contenere 10 elettroni, quindi solo uno va in 4 per riempirlo a metà e 10 in 5d per riempirlo. Il principio Aufbau funziona quasi sempre, ma si verificano eccezioni quando le subshell sono piene a metà o piene.