מה הבסיס לחריגים מעקרון Aufbau?

משמעות Aufbau היא "בנייה" בגרמנית, ועיקרון Aufbau קובע כי אלקטרונים ממלאים קליפות אלקטרונים סביב אטומים בהתאם לרמת האנרגיה. משמעות הדבר היא כי קליפות אלקטרונים ותתי מעטפות סביב האטומים מלאים מבפנים החוצה, למעט בתוך במקרים מסוימים שבהם מעטפת חיצונית היא בעלת רמת אנרגיה נמוכה ובחלקה מתמלאת לפני שהקליפה הפנימית נמצאת מלא.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

חריגים מעקרון Aufbau מבוססים על העובדה שכמה אטומים יציבים יותר כאשר האלקטרונים שלהם ממלאים או ממלאים מעט מעטפת אלקטרונים או מעטפת משנה. על פי עקרון Aufbau, אלקטרונים אלה צריכים תמיד למלא פגזים ותתי פגזים על פי רמות אנרגיה הולכות וגוברות. אלמנטים כמו נחושת וכרום הם יוצאים מן הכלל מכיוון שהאלקטרונים שלהם ממלאים וחצי ממלאים שתי קליפות משנה, כאשר חלק מהאלקטרונים נמצאים בקליפות ברמת האנרגיה הגבוהה יותר.

לאלקטרונים סביב גרעין אטום יש רמות אנרגיה נפרדות הנקראות קליפות. רמת האנרגיה הנמוכה ביותר היא הקרובה ביותר לגרעין, ויש בה מקום לשני אלקטרונים בלבד בקליפה הנקראת מעטפת s. בקליפה הבאה יש מקום לשמונה אלקטרונים בשתי קליפות משנה, תת הקונכיות s. בקליפה השלישית יש מקום ל -18 אלקטרונים בשלוש קליפות משנה, תת הקליפות s, p ו- d. לקליפה הרביעית ארבע קליפות משנה, להוסיף את מעטפת המשנה f. בתת-הקליפות האותיות יש תמיד מקום לאותו מספר אלקטרונים: שניים לקובץ המשנה s, שש ל- p, 10 ל- d ו- 14 ל- f.

לזיהוי תת קליפה, הוא מקבל את מספר המעטפת הראשית ואת אות המעטפת. לדוגמא, למימן יש את האלקטרון היחיד בקליפת 1s ואילו לחמצן, עם שמונה אלקטרונים, יש שניים בקליפת 1s, שניים בקונכיית המשנה 2s וארבעה בקוביית המשנה 2p. קליפות המשנה מתמלאות בסדר המספרים והאותיות עד לקליפה השלישית.

קליפות המשנה 3s ו- 3p מתמלאות בשניים ושש אלקטרונים, אך האלקטרונים הבאים נכנסים לקוביית המשנה 4s, ולא בתת המעטפת 3D כצפוי. תת המעטפת 4S יש רמת אנרגיה נמוכה יותר מאשר תת המעטפת 3D ולכן מתמלא ראשון. למרות שהמספרים אינם ברצף, הם מכבדים את עקרון Aufbau מכיוון שקליפות המשנה האלקטרוניים מתמלאות בהתאם לרמות האנרגיה שלהם.

עקרון Aufbau מקיים כמעט את כל היסודות, במיוחד בתוך המספרים האטומיים הנמוכים יותר. חריגים מבוססים על העובדה שקונכיות או תת קליפות חצי מלאות או מלאות יציבות יותר מזו המלאות בחלקן. כאשר ההבדל ברמות האנרגיה בין שתי תת-מעטפות קטן, אלקטרון עשוי לעבור לקליפה ברמה הגבוהה יותר כדי למלא אותה או למלא אותה חצי. האלקטרון תופס את מעטפת רמת האנרגיה הגבוהה יותר בניגוד לעיקרון Aufbau מכיוון שהאטום יציב יותר באופן זה.

מעטפי משנה מלאים או חצי מלאים יציבים מאוד ובעלי רמת אנרגיה נמוכה מזו שהיתה אחרת. עבור כמה אלמנטים, הרצף הרגיל של רמות האנרגיה משתנה בגלל מעטפות משנה מלאות או חצי מלאות. עבור אלמנטים של מספר אטומי גבוה יותר, ההבדלים ברמות האנרגיה הופכים להיות קטנים מאוד, והשינוי עקב מילוי תת קליפה שכיח יותר מאשר במספרים אטומיים נמוכים יותר. לדוגמא, רותניום, רודיום, כסף ופלטינה הם כולם יוצאים מן הכלל לעיקרון Aufbau בגלל מעטפות משנה מלאות או חצי מלאות.

במספרים האטומיים הנמוכים, ההבדל ברמות האנרגיה לרצף הרגיל של קליפות האלקטרונים גדול יותר וחריגים אינם נפוצים באותה מידה. ב -30 היסודות הראשונים, רק נחושת, מספר אטומי 24 וכרום, מספר אטומי 29, הם יוצאים מן הכלל לעיקרון Aufbau.

מכלל 24 האלקטרונים הנחושתיים הם ממלאים את רמות האנרגיה בשניים ב- 1, שניים ב- 2, שש ב- 2p, שניים ב- 3 ו- שש ב- 3p, בסך הכל 18 ברמות התחתונות. ששת האלקטרונים הנותרים צריכים להיכנס לקליפות המשנה 4 ו -3, עם שניים ב -4 וארבעה ב -3. במקום זאת, מכיוון שבקליפת המשנה d יש מקום לעשרה אלקטרונים, תת הקליפה התלת-ממדית לוקחת חמישה מתוך שש האלקטרונים הזמינים ומשאירה אחת לקוביית המשנה 4s. כעת גם מעטפי המשנה 4s וגם תלת-ממדיים מלאים למחצה, תצורה יציבה אך חריגה מעקרון Aufbau.

באופן דומה, לכרום יש 29 אלקטרונים עם 18 בקליפות התחתונות ונותרו 11. על פי עקרון Aufbau, שניים צריכים לעבור ל -4 ו -9 לתלת-ממד. אבל תלת מימד יכול להכיל 10 אלקטרונים כך שרק אחד נכנס לארבע-עשרה כדי להפוך אותו לחצי מלא ו -10 נכנס ל -5 ד כדי למלא אותו. עקרון Aufbau פועל כמעט כל הזמן, אך חריגים מתרחשים כאשר מעטפי המשנה מלאים למחצה או מלאים.