Aufbau betekent "opbouwen" in het Duits, en het Aufbau-principe stelt dat elektronen elektronenschillen rond atomen vullen volgens het energieniveau. Dit betekent dat elektronenschillen en subschillen rond atomen van binnenuit worden gevuld, behalve in sommige gevallen waarin een buitenschaal een laag energieniveau heeft en deels vol raakt voordat een binnenschaal is vol.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Uitzonderingen op het Aufbau-principe zijn gebaseerd op het feit dat enkele atomen stabieler zijn wanneer hun elektronen een elektronenschil of subschil vullen of half vullen. Volgens het Aufbau-principe moeten deze elektronen altijd schillen en subschillen vullen volgens toenemende energieniveaus. Elementen zoals koper en chroom zijn uitzonderingen omdat hun elektronen twee subschillen vullen en half vullen, met enkele elektronen in de schillen met een hoger energieniveau.
Elektronenschillen en subschillen vullen
De elektronen rond een atoomkern hebben discrete energieniveaus die schillen worden genoemd. Het laagste energieniveau bevindt zich het dichtst bij de kern en heeft ruimte voor slechts twee elektronen in een schil die de s-schil wordt genoemd. De volgende schil heeft ruimte voor acht elektronen in twee deelschillen, de s- en de p-deelschillen. De derde schil heeft plaats voor 18 elektronen in drie subschillen, de s, p en d subschillen. De vierde shell heeft vier subshells, waarbij de f-subshell wordt toegevoegd. De van letters voorziene subshells hebben altijd ruimte voor hetzelfde aantal elektronen: twee voor de s-subshell, zes voor p, 10 voor d en 14 voor f.
Om een subshell te identificeren, krijgt deze het nummer van de hoofdshell en de letter van de subshell. Waterstof heeft bijvoorbeeld zijn enige elektron in de 1s-schil, terwijl zuurstof, met acht elektronen, er twee in de 1s-schil heeft, twee in de 2s-subschil en vier in de 2p-subschil. De subshells vullen zich in de volgorde van hun cijfers en letters tot de derde shell.
De 3s- en 3p-subshells vullen zich met twee en zes elektronen, maar de volgende elektronen gaan naar de 4s-subshell, niet de 3d-subshell zoals verwacht. De 4s-subshell heeft een lager energieniveau dan de 3d-subshell en wordt daarom als eerste gevuld. Hoewel de getallen niet op volgorde staan, respecteren ze het Aufbau-principe omdat de elektronensubschillen vollopen volgens hun energieniveau.
Hoe de uitzonderingen werken
Het Aufbau-principe geldt voor bijna alle elementen, vooral binnen de lagere atoomnummers. Uitzonderingen zijn gebaseerd op het feit dat halfvolle of volledige shells of subshells stabieler zijn dan gedeeltelijk gevulde shells. Wanneer het verschil in energieniveaus tussen twee subschillen klein is, kan een elektron overgaan naar de schil van een hoger niveau om het te vullen of half te vullen. Het elektron bezet de hogere energieschaal in strijd met het Aufbau-principe omdat het atoom op die manier stabieler is.
Volledige of halfvolle subshells zijn zeer stabiel en hebben een lager energieniveau dan ze anders zouden hebben. Voor een paar elementen is de normale volgorde van energieniveaus veranderd vanwege volledige of halfvolle subschillen. Voor elementen met een hoger atoomnummer worden de verschillen in de energieniveaus erg klein, en de verandering als gevolg van het vullen van een subshell komt vaker voor dan bij lagere atoomnummers. Ruthenium, rhodium, zilver en platina zijn bijvoorbeeld allemaal uitzonderingen op het Aufbau-principe vanwege gevulde of halfgevulde subshells.
In de lagere atoomnummers is het verschil in energieniveaus voor de normale reeks elektronenschillen groter en zijn uitzonderingen niet zo gebruikelijk. In de eerste 30 elementen zijn alleen koper, atoomnummer 24 en chroom, atoomnummer 29, uitzonderingen op het Aufbau-principe.
Van de in totaal 24 elektronen van koper vullen ze de energieniveaus met twee in 1s, twee in 2s, zes in 2p, twee in 3s en zes in 3p voor een totaal van 18 in de lagere niveaus. De overige zes elektronen zouden in de 4s en 3d subshells moeten gaan, met twee in 4s en vier in 3d. In plaats daarvan, omdat de d-subshell ruimte heeft voor 10 elektronen, neemt de 3D-subshell vijf van de zes beschikbare elektronen en laat er één over voor de 4s-subshell. Nu zijn zowel de 4s als de 3d subshells halfvol, een stabiele configuratie maar een uitzondering op het Aufbau-principe.
Evenzo heeft chroom 29 elektronen met 18 in de onderste schillen en 11 over. Volgens het Aufbau-principe moeten twee in 4s en negen in 3d gaan. Maar 3d kan 10 elektronen bevatten, dus slechts één gaat in 4s om het halfvol te maken en 10 gaat in 5d om het te vullen. Het Aufbau-principe werkt bijna altijd, maar er treden uitzonderingen op wanneer subshells halfvol of vol zijn.