Aufbau vācu valodā nozīmē "uzkrāšanās", un Aufbau princips nosaka, ka elektroni aiz atomiem aizpilda elektronu čaulas atbilstoši enerģijas līmenim. Tas nozīmē, ka elektronu čaumalas un apakšapvalki ap atomiem ir piepildīti no iekšpuses uz āru, izņemot iekšpusi dažos gadījumos, kad ārējam apvalkam ir zems enerģijas līmenis un tas daļēji piepildās, pirms iekšējais apvalks ir pilns.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Izņēmumi no Aufbau principa ir balstīti uz faktu, ka daži atomi ir stabilāki, ja to elektroni aizpilda vai daļēji aizpilda elektronu apvalku vai apakškorpusu. Saskaņā ar Aufbau principu šiem elektroniem vienmēr jāaizpilda čaulas un apakšapvalki atbilstoši pieaugošajam enerģijas līmenim. Elementi, piemēram, varš un hroms, ir izņēmumi, jo to elektroni aizpilda un daļēji aizpilda divas apakškorpusus, ar dažiem elektroniem augstāka enerģijas līmeņa apvalkos.
Elektronu čaulu un apakškārtu aizpildīšana
Elektroniem ap atoma kodolu ir diskrēti enerģijas līmeņi, kurus sauc par apvalkiem. Zemākais enerģijas līmenis ir vistuvāk kodolam, un tajā čaulā ir vieta tikai diviem elektroniem, ko sauc par s apvalku. Nākamajā apvalkā ir vieta astoņiem elektroniem divās apakšshellās - s un p apakšapvalks. Trešajā apvalkā ir vieta 18 elektroniem trīs apakšslāņos, s, p un d apakššāviņos. Ceturtajam apvalkam ir četri apakšapvalki, pievienojot f apakšslāni. Ar burtiem apzīmētajos apakškorpusos vienmēr ir vieta vienādam elektronu skaitam: divi apakšslānim s, seši - p, 10 - d un 14 - f.
Lai identificētu apakšvāku, tam tiek piešķirts galvenā apvalka numurs un apakšveļas burts. Piemēram, ūdeņradim ir vienīgais elektrons 1s apvalkā, savukārt skābeklim ar astoņiem elektroniem ir divi 1s apvalkā, divi 2s apakškorpusā un četri 2p apakškorpusā. Apakškorpusi piepildās to numuru un burtu secībā līdz trešajam apvalkam.
3s un 3p apakškārtas piepildās ar diviem un sešiem elektroniem, bet nākamie elektroni nonāk 4s apakškorpusā, nevis 3d apakškorpusā, kā paredzēts. 4s apakškorpusam ir zemāks enerģijas līmenis nekā 3d apakškorpusam, un tāpēc tas vispirms piepildās. Lai gan skaitļi ir nesakārtoti, tie ievēro Aufbau principu, jo elektronu apakškorpusi piepildās atbilstoši to enerģijas līmenim.
Kā darbojas izņēmumi
Aufbau princips attiecas gandrīz uz visiem elementiem, īpaši zemāko atomu skaitļu robežās. Izņēmumi ir balstīti uz faktu, ka daļēji vai daļēji pilnas čaumalas vai apakšlodes ir stabilākas nekā daļēji piepildītas. Kad enerģijas līmeņu starpība starp divām apakškorpusām ir maza, elektrons var pāriet uz augstākā līmeņa apvalku, lai to piepildītu vai pusaizpildītu. Elektrons aizņem augstākā enerģijas līmeņa apvalku, pārkāpjot Aufbau principu, jo atoms tādā veidā ir stabilāks.
Pilnas vai puspilnīgas apakškorpusas ir ļoti stabilas, un to enerģijas līmenis ir zemāks nekā citādi. Dažiem elementiem normāla enerģijas līmeņu secība tiek mainīta pilnīgas vai puspilnas apakšshellu dēļ. Lielāka atoma skaitļa elementiem enerģijas līmeņu atšķirības kļūst ļoti mazas, un izmaiņas, kas saistītas ar apakškorpusa piepildīšanu, ir biežākas nekā pie zemākiem atomu skaitļiem. Piemēram, rutēns, rodijs, sudrabs un platīns ir visi izņēmumi no Aufbau principa piepildītu vai daļēji piepildītu apakššūnu dēļ.
Zemākajos atomu skaitļos enerģijas līmeņu atšķirība normālai elektronu čaulu secībai ir lielāka, un izņēmumi nav tik izplatīti. Pirmajos 30 elementos Aufbau principa izņēmumi ir tikai varš, atomu skaitlis 24 un hroms, atomu skaitlis 29.
No vara kopējiem 24 elektroniem tie enerģijas līmeni piepilda ar diviem vienā, diviem 2, sešiem 2p, diviem 3s un sešiem 3p, kopā 18 zemākajos līmeņos. Atlikušajiem sešiem elektroniem vajadzētu nonākt 4s un 3d apakšslāņos, divi ar 4s un četri 3d. Tā vietā, tā kā d apakškorpusā ir vieta 10 elektroniem, 3d apakškorpusā tiek uzņemti pieci no sešiem pieejamajiem elektroniem un viens tiek atstāts apakšsistēmai 4s. Tagad gan 4s, gan 3d apakšslāņi ir puslīdz pilni, stabila konfigurācija, bet izņēmums no Aufbau principa.
Līdzīgi hromam ir 29 elektroni, 18 apakšējos apvalkos un 11 paliek pāri. Pēc Aufbau principa diviem vajadzētu iet uz 4s un deviņiem uz 3d. Bet 3d var turēt 10 elektronus, tāpēc tikai viens iet uz 4s, lai padarītu to pusi pilnu, un 10 iet uz 5d, lai to aizpildītu. Aufbau princips darbojas gandrīz visu laiku, taču izņēmumi rodas, ja apakškorpusi ir puspilni vai pilni.