Aufbau в переводе с немецкого означает «строить», а принцип Aufbau гласит, что электроны заполняют электронные оболочки вокруг атомов в соответствии с уровнем энергии. Это означает, что электронные оболочки и подоболочки вокруг атомов заполнены изнутри, за исключением некоторые случаи, когда внешняя оболочка имеет низкий уровень энергии и частично заполняется до того, как внутренняя оболочка будет полный.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Исключения из принципа Ауфбау основаны на том факте, что некоторые атомы более стабильны, когда их электроны заполняют или наполовину заполняют электронную оболочку или подоболочку. Согласно принципу Ауфбау, эти электроны всегда должны заполнять оболочки и подоболочки в соответствии с возрастающими уровнями энергии. Такие элементы, как медь и хром, являются исключением, потому что их электроны заполняют и наполовину заполняют две подоболочки, причем некоторые электроны находятся в оболочках более высоких уровней энергии.
Заполнение электронных оболочек и подоболочек
Электроны вокруг атомного ядра имеют дискретные уровни энергии, называемые оболочками. Самый низкий уровень энергии находится ближе всего к ядру, и в нем есть место только для двух электронов в оболочке, называемой s-оболочкой. Следующая оболочка имеет место для восьми электронов в двух подоболочках, s- и p-подоболочках. Третья оболочка имеет место для 18 электронов в трех подоболочках: s, p и d подоболочки. Четвертая оболочка имеет четыре подоболочки, добавляя подоболочку f. Оболочки, обозначенные буквами, всегда имеют место для одинакового количества электронов: два для подоболочки s, шесть для p, 10 для d и 14 для f.
Чтобы идентифицировать подоболочку, ей дается номер основной оболочки и буква подоболочки. Например, водород имеет единственный электрон в оболочке 1s, в то время как кислород с восемью электронами имеет два в оболочке 1s, два в подоболочке 2s и четыре в подоболочке 2p. Подоболочки заполняются в порядке их номеров и букв до третьей оболочки.
Подоболочки 3s и 3p заполняются двумя и шестью электронами, но следующие электроны переходят в подоболочку 4s, а не в подоболочку 3d, как ожидалось. Подоболочка 4s имеет более низкий уровень энергии, чем подоболочка 3d, и поэтому заполняется первой. Хотя числа не в порядке, они соблюдают принцип Ауфбау, потому что электронные подоболочки заполняются в соответствии с их уровнями энергии.
Как работают исключения
Принцип Ауфбау справедлив почти для всех элементов, особенно в пределах нижних атомных номеров. Исключения основаны на том факте, что наполовину заполненные или полные оболочки или подоболочки более стабильны, чем частично заполненные. Когда разница в уровнях энергии между двумя подоболочками мала, электрон может перейти на оболочку более высокого уровня, чтобы заполнить или наполовину заполнить ее. Электрон занимает оболочку более высокого энергетического уровня в нарушение принципа Ауфбау, потому что в этом случае атом более стабилен.
Полные или наполовину заполненные подоболочки очень стабильны и имеют более низкий уровень энергии, чем в противном случае. Для некоторых элементов нормальная последовательность уровней энергии изменяется из-за полной или наполовину заполненной подоболочки. Для элементов с более высокими атомными номерами различия в уровнях энергии становятся очень небольшими, и изменение из-за заполнения подоболочки более распространено, чем при более низких атомных номерах. Например, рутений, родий, серебро и платина являются исключениями из принципа Ауфбау из-за заполненных или наполовину заполненных подоболочек.
В более низких атомных номерах разница в уровнях энергии для нормальной последовательности электронных оболочек больше, и исключения встречаются не так часто. Из первых 30 элементов только медь с атомным номером 24 и хром с атомным номером 29 являются исключениями из принципа Ауфбау.
Из 24 электронов меди они заполняют энергетические уровни двумя в 1, двумя в 2, шестью в 2p, двумя в 3 и шестью в 3p, всего 18 на нижних уровнях. Оставшиеся шесть электронов должны перейти в подоболочки 4s и 3d, причем два в 4s и четыре в 3d. Вместо этого, поскольку подоболочка d имеет место для 10 электронов, подоболочка 3d берет пять из шести доступных электронов и оставляет один для подоболочки 4s. Теперь обе подоболочки 4s и 3d наполовину заполнены, это стабильная конфигурация, но исключение из принципа Aufbau.
Точно так же хром имеет 29 электронов, 18 из которых находятся в нижних оболочках и 11 остаются. По принципу Ауфбау, два должны переходить в 4, а девять - в 3. Но 3d может содержать 10 электронов, поэтому только один идет на 4s, чтобы заполнить его наполовину, и 10 - на 5d, чтобы заполнить его. Принцип Aufbau работает почти всегда, но исключения возникают, когда подоболочки заполнены наполовину или заполнены.