Qual é a base para exceções ao Princípio de Aufbau?

Aufbau significa "acumular" em alemão, e o princípio de Aufbau afirma que os elétrons preenchem as camadas de elétrons ao redor dos átomos de acordo com o nível de energia. Isso significa que as camadas e subcamadas de elétrons ao redor dos átomos são preenchidas de dentro para fora, exceto em alguns casos em que uma camada externa tem um baixo nível de energia e parcialmente se enche antes que uma camada interna seja cheio.

TL; DR (muito longo; Não li)

As exceções ao princípio de Aufbau são baseadas no fato de que alguns átomos são mais estáveis ​​quando seus elétrons preenchem ou preenchem metade de uma camada ou subcamada de elétrons. De acordo com o princípio de Aufbau, esses elétrons devem sempre preencher camadas e subcamadas de acordo com o aumento dos níveis de energia. Elementos como cobre e cromo são exceções porque seus elétrons preenchem e preenchem duas sub-camadas, com alguns elétrons nas camadas de nível de energia mais alto.

Os elétrons ao redor de um núcleo atômico têm níveis de energia discretos chamados camadas. O nível de energia mais baixo está mais próximo do núcleo e tem espaço para apenas dois elétrons em uma camada chamada camada s. A próxima camada tem espaço para oito elétrons em duas sub-camadas, as sub-camadas se p. A terceira camada tem espaço para 18 elétrons em três sub-camadas, as sub-camadas s, p e d. O quarto shell possui quatro subshells, adicionando o subshell f. As subcamadas com letras sempre têm espaço para o mesmo número de elétrons: dois para a subcamada s, seis para p, 10 para d e 14 para f.

Para identificar um subshell, é dado o número do shell principal e a letra do subshell. Por exemplo, o hidrogênio tem seu único elétron na camada 1s enquanto o oxigênio, com oito elétrons, tem dois na camada 1s, dois na sub camada 2s e quatro na sub camada 2p. Os subshells são preenchidos na ordem de seus números e letras até o terceiro shell.

As sub-camadas 3s e 3p são preenchidas com dois e seis elétrons, mas os próximos elétrons vão para a sub-camada 4s, não para a sub-camada 3d, como esperado. A subcamada 4s tem um nível de energia mais baixo do que a subcamada 3d e, portanto, é preenchida primeiro. Embora os números estejam fora de seqüência, eles respeitam o princípio de Aufbau porque as sub-camadas de elétrons se enchem de acordo com seus níveis de energia.

O princípio Aufbau vale para quase todos os elementos, especialmente dentro dos números atômicos mais baixos. As exceções são baseadas no fato de que as camadas ou subcamadas cheias ou meio-cheias são mais estáveis ​​do que as parcialmente preenchidas. Quando a diferença nos níveis de energia entre duas sub camadas é pequena, um elétron pode ser transferido para a camada de nível superior para preenchê-la ou preenchê-la pela metade. O elétron ocupa a camada de nível de energia mais alto, violando o princípio de Aufbau porque o átomo é mais estável dessa forma.

As subcamadas cheias ou meio cheias são muito estáveis ​​e têm um nível de energia mais baixo do que teriam. Para alguns elementos, a sequência normal de níveis de energia é alterada por causa de subcamadas cheias ou meio cheias. Para elementos de número atômico mais alto, as diferenças nos níveis de energia tornam-se muito pequenas, e a mudança devido ao preenchimento de uma subcamada é mais comum do que em números atômicos mais baixos. Por exemplo, rutênio, ródio, prata e platina são exceções ao princípio de Aufbau por causa de subcamadas preenchidas ou parcialmente preenchidas.

Nos números atômicos mais baixos, a diferença nos níveis de energia para a sequência normal de camadas de elétrons é maior e as exceções não são tão comuns. Nos primeiros 30 elementos, apenas cobre, número atômico 24, e cromo, número atômico 29, são exceções ao princípio de Aufbau.

Do total de 24 elétrons do cobre, eles preenchem os níveis de energia com dois em 1s, dois em 2s, seis em 2p, dois em 3s e seis em 3p para um total de 18 nos níveis inferiores. Os seis elétrons restantes devem ir para as subcamadas 4s e 3d, com dois em 4s e quatro em 3d. Em vez disso, como a subcamada d tem espaço para 10 elétrons, a subcamada 3d pega cinco dos seis elétrons disponíveis e deixa um para a subcamada 4s. Agora, os subshells 4s e 3d estão meio cheios, uma configuração estável, mas uma exceção ao princípio Aufbau.

Da mesma forma, o cromo tem 29 elétrons, com 18 nas camadas inferiores e 11 restantes. Pelo princípio de Aufbau, dois deveriam ir para 4s e nove para 3d. Mas 3d pode conter 10 elétrons, então apenas um vai para 4s para torná-lo meio cheio e 10 vai para 5d para preenchê-lo. O princípio de Aufbau funciona quase o tempo todo, mas as exceções ocorrem quando os subshells estão meio cheios ou cheios.