Aufbau betyder "bygga upp" på tyska, och Aufbau-principen säger att elektroner fyller elektronskal runt atomer enligt energinivån. Detta innebär att elektronskal och subshells runt atomer fylls inifrån och ut, utom i i vissa fall där ett yttre skal har låg energinivå och delvis fylls innan ett inre skal är full.
TL; DR (för lång; Läste inte)
Undantag från Aufbau-principen baseras på det faktum att några atomer är mer stabila när deras elektroner fyller eller halvfyller ett elektronskal eller subshell. Enligt Aufbau-principen bör dessa elektroner alltid fylla skal och underskal enligt ökande energinivåer. Element som koppar och krom är undantag eftersom deras elektroner fyller och halvfyller två underskal, med vissa elektroner i de högre energinivåskalena.
Fyllning av elektronskal och subshells
Elektronerna runt en atomkärna har diskreta energinivåer som kallas skal. Den lägsta energinivån är närmast kärnan, och den har plats för endast två elektroner i ett skal som kallas s-skalet. Nästa skal har plats för åtta elektroner i två subshells, s och p subshells. Det tredje skalet har plats för 18 elektroner i tre subshells, s, p och d subshells. Det fjärde skalet har fyra subshells, där f subshell läggs till. De bokstäverna subshellsna har alltid plats för samma antal elektroner: två för s subshell, sex för p, 10 för d och 14 för f.
För att identifiera en subshell ges numret på huvudskalet och bokstaven i subshell. Till exempel har väte sin enda elektron i 1s skalet medan syre, med åtta elektroner, har två i 1s skalet, två i 2s subshell och fyra i 2p subshell. Underskalarna fylls i ordning efter siffror och bokstäver upp till det tredje skalet.
3s och 3p subshells fylls med två och sex elektroner, men nästa elektroner går in i 4s subshell, inte 3d subshell som förväntat. 4s subshell har en lägre energinivå än 3d subshell och fylls därför först. Även om siffrorna är ur sekvens respekterar de Aufbau-principen eftersom elektronunderskalarna fylls på enligt deras energinivåer.
Hur undantagen fungerar
Aufbau-principen gäller nästan alla element, särskilt inom de lägre atomnumren. Undantag baseras på det faktum att halv-fulla eller fulla skal eller subshells är mer stabila än delvis fyllda. När skillnaden i energinivåer mellan två subshells är liten kan en elektron överföras till det högre nivåskalet för att fylla eller halvfyll det. Elektronen upptar det högre energinivåskalet i strid med Aufbau-principen eftersom atomen är stabilare på det sättet.
Hela eller halvfulla subshells är mycket stabila och har en lägre energinivå än de annars skulle ha. För några element ändras den normala sekvensen av energinivåer på grund av hela eller halvfulla subshells. För elementen med högre atomnummer blir skillnaderna i energinivåer mycket små, och förändringen på grund av att fylla ett underskal är vanligare än vid lägre atomnummer. Till exempel är rutenium, rodium, silver och platina undantag från Aufbau-principen på grund av fyllda eller halvfyllda underskal.
I de lägre atomnumren är skillnaden i energinivåer för den normala sekvensen av elektronskal större och undantag är inte lika vanliga. I de första 30 elementen är endast koppar, atomnummer 24 och krom, atomnummer 29, undantag från Aufbau-principen.
Av kopparnas totalt 24 elektroner fyller de upp energinivåerna med två i 1s, två i 2s, sex i 2p, två i 3s och sex i 3p för totalt 18 i de lägre nivåerna. De återstående sex elektronerna ska gå in i 4s och 3d subshells, med två i 4s och fyra i 3d. Istället, för att d-underskalet har plats för 10 elektroner, tar 3d-underskalet fem av de sex tillgängliga elektronerna och lämnar en för 4-underskalet. Nu är både 4s och 3d subshells halvfulla, en stabil konfiguration men ett undantag från Aufbau-principen.
På samma sätt har krom 29 elektroner med 18 i de nedre skalen och 11 kvar. Enligt Aufbau-principen bör två gå in i 4s och nio till 3d. Men 3d kan hålla 10 elektroner så bara en går in i 4s för att göra den halvfull och 10 går in i 5d för att fylla den. Aufbau-principen fungerar nästan hela tiden, men undantag inträffar när subshells är halvfulla eller fulla.