พื้นฐานสำหรับการยกเว้นหลักการ Aufbau คืออะไร?

Aufbau หมายถึง "การสร้างขึ้น" ในภาษาเยอรมัน และหลักการของ Aufbau ระบุว่าอิเล็กตรอนเติมเปลือกอิเล็กตรอนรอบอะตอมตามระดับพลังงาน ซึ่งหมายความว่าเปลือกอิเล็กตรอนและเปลือกย่อยรอบอะตอมจะถูกเติมจากภายในสู่ภายนอก ยกเว้นใน บางกรณีที่เปลือกชั้นนอกมีระดับพลังงานต่ำและเติมบางส่วนก่อนที่เปลือกชั้นในจะเป็น เต็ม.

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

ข้อยกเว้นของหลักการ Aufbau นั้นขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าอะตอมสองสามอะตอมมีความเสถียรมากกว่าเมื่ออิเล็กตรอนของพวกมันเติมหรือเติมเปลือกอิเล็กตรอนหรือเปลือกย่อยครึ่งหนึ่ง ตามหลักการของ Aufbau อิเล็กตรอนเหล่านี้ควรเติมเปลือกและเปลือกย่อยตามระดับพลังงานที่เพิ่มขึ้นเสมอ องค์ประกอบเช่นทองแดงและโครเมียมเป็นข้อยกเว้นเนื่องจากอิเล็กตรอนของพวกมันเติมและเติมครึ่งย่อยสอง subshell โดยมีอิเล็กตรอนบางตัวในเปลือกระดับพลังงานที่สูงกว่า

อิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมมีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่องเรียกว่าเปลือก ระดับพลังงานต่ำสุดอยู่ใกล้นิวเคลียสมากที่สุด และมีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอนเพียงสองอิเล็กตรอนในเปลือกที่เรียกว่าเปลือกเอส เปลือกถัดไปมีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอนแปดตัวในสอง subshells, s และ p subshells เปลือกที่สามมีที่ว่างสำหรับ 18 อิเล็กตรอนในสาม subshells, s, p และ d subshells เชลล์ที่สี่มีสี่ subshells โดยเพิ่ม f subshell เปลือกย่อยที่เป็นตัวอักษรจะมีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอนจำนวนเท่ากันเสมอ: สองสำหรับเปลือกย่อย s, หกสำหรับ p, 10 สำหรับ d และ 14 สำหรับ f

ในการระบุ subshell จะได้รับหมายเลขของ main shell และตัวอักษรของ subshell ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในเปลือก 1 ในขณะที่ออกซิเจนซึ่งมีอิเล็กตรอนแปดตัว มีอิเล็กตรอนสองตัวในเปลือก 1s สองตัวในเปลือกย่อย 2s และสี่ตัวในเปลือกย่อย 2p ซับเชลล์จะเติมตามลำดับตัวเลขและตัวอักษรจนถึงเปลือกที่สาม

เชลล์ย่อย 3s และ 3p เติมด้วยอิเล็กตรอน 2 และ 6 ตัว แต่อิเล็กตรอนตัวต่อไปจะเข้าสู่ subshell 4s ไม่ใช่ subshell 3d ตามที่คาดไว้ เชลล์ย่อย 4s มีระดับพลังงานต่ำกว่าเชลล์ย่อย 3d ดังนั้นจึงเติมก่อน แม้ว่าตัวเลขจะไม่เรียงตามลำดับ แต่ก็เคารพหลักการของ Aufbau เพราะอิเล็กตรอนย่อยจะเต็มตามระดับพลังงาน

หลักการของ Aufbau มีองค์ประกอบเกือบทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในเลขอะตอมที่ต่ำกว่า ข้อยกเว้นขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าเชลล์หรือเชลล์ย่อยแบบครึ่งเต็มหรือเต็มหรือย่อยนั้นมีความเสถียรมากกว่าเชลล์ที่เติมบางส่วน เมื่อความแตกต่างของระดับพลังงานระหว่างเปลือกย่อยสองส่วนมีขนาดเล็ก อิเล็กตรอนอาจถ่ายโอนไปยังเปลือกระดับที่สูงกว่าเพื่อเติมหรือเติมครึ่งหนึ่ง อิเล็กตรอนครอบครองเปลือกระดับพลังงานที่สูงขึ้นซึ่งละเมิดหลักการ Aufbau เนื่องจากอะตอมมีความเสถียรมากกว่า

ซับเชลล์เต็มหรือครึ่งเต็มมีความเสถียรมากและมีระดับพลังงานต่ำกว่าที่ควรจะเป็น สำหรับองค์ประกอบบางอย่าง ลำดับระดับพลังงานปกติจะเปลี่ยนไปเนื่องจากเชลล์ย่อยเต็มหรือครึ่งเต็ม สำหรับองค์ประกอบเลขอะตอมที่สูงขึ้น ความแตกต่างในระดับพลังงานจะน้อยมาก และการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเติมเปลือกย่อยนั้นพบได้บ่อยกว่าที่เลขอะตอมที่ต่ำกว่า ตัวอย่างเช่น รูทีเนียม โรเดียม เงิน และแพลตตินั่ม ล้วนเป็นข้อยกเว้นสำหรับหลักการของ Aufbau เนื่องจากเปลือกย่อยที่เติมหรือเติมไว้ครึ่งหนึ่ง

ในเลขอะตอมที่ต่ำกว่า ความแตกต่างของระดับพลังงานสำหรับลำดับปกติของเปลือกอิเล็กตรอนจะมีขนาดใหญ่กว่าและข้อยกเว้นนั้นไม่ธรรมดา ใน 30 องค์ประกอบแรก มีเพียงทองแดง เลขอะตอม 24 และโครเมียม เลขอะตอม 29 เท่านั้นที่เป็นข้อยกเว้นสำหรับหลักการ Aufbau

จากอิเล็กตรอนทั้งหมด 24 ตัวของทองแดง พวกมันเติมระดับพลังงานด้วยสองใน 1 วินาที, สองใน 2 วินาที, หกใน 2p, สองใน 3 และหกใน 3p รวมเป็น 18 ในระดับที่ต่ำกว่า อิเล็กตรอนหกตัวที่เหลือควรเข้าไปในเปลือกย่อย 4s และ 3d โดยมีสองใน 4s และสี่ใน 3d แต่เนื่องจากเปลือกย่อย d มีที่ว่างสำหรับอิเล็กตรอน 10 ตัว เปลือกย่อย 3 มิติจึงใช้อิเลคตรอนห้าจากหกอิเล็กตรอนที่มีอยู่ และเหลือหนึ่งอันสำหรับเปลือกย่อย 4s ตอนนี้ทั้งเชลล์ย่อย 4s และ 3d นั้นเต็มครึ่งหนึ่ง การกำหนดค่าที่เสถียร แต่เป็นข้อยกเว้นสำหรับหลักการ Aufbau

ในทำนองเดียวกัน โครเมียมมีอิเล็กตรอน 29 ตัว เปลือกด้านล่าง 18 ตัว และเหลืออีก 11 ตัว ตามหลักการของ Aufbau สองคนควรเข้า 4s และ 9 เป็น 3d แต่ 3d สามารถเก็บอิเลคตรอนได้ 10 ตัว ดังนั้นตัวเดียวเท่านั้นที่เข้าไปใน 4s เพื่อให้เต็มครึ่งหนึ่ง และ 10 เข้าไป 5d เพื่อเติมเต็ม หลักการของ Aufbau ใช้งานได้เกือบตลอดเวลา แต่มีข้อยกเว้นเกิดขึ้นเมื่อซับเชลล์เต็มหรือเต็ม