NGUYÊN TẮC AUFBAU: KHÁI NIỆM VÀ GIẢI THÍCH, VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2025

Các nguyên tắc Aufbau là một cẩm nang hữu ích để dự đoán lý thuyết cấu hình điện tử của một nguyên tố. Từ aufbau dùng để chỉ động từ tiếng Đức "xây dựng." Các quy tắc được quy định bởi nguyên tắc này nhằm "giúp xây dựng nguyên tử."

Khi nói đến cấu tạo nguyên tử theo giả thuyết, nó chỉ đề cập đến các electron, do đó, đi đôi với số lượng proton ngày càng tăng. Các proton xác định số nguyên tử Z của một nguyên tố hóa học, và đối với mỗi nguyên tố được thêm vào hạt nhân, một electron được thêm vào để bù đắp cho sự gia tăng điện tích dương này.

Mặc dù có vẻ như các proton không tuân theo một trật tự đã thiết lập để tham gia vào hạt nhân của nguyên tử, nhưng các electron tuân theo một loạt các điều kiện, theo cách mà trước tiên chúng chiếm giữ các vùng của nguyên tử có năng lượng thấp hơn, cụ thể là những vùng mà xác suất tìm thấy chúng trong không gian. lớn hơn: các obitan.

Nguyên lý Aufbau, cùng với các quy tắc điền đầy điện tử khác (nguyên lý loại trừ Pauli và quy tắc Hund), giúp thiết lập thứ tự mà các điện tử cần được thêm vào đám mây điện tử; bằng cách này, có thể ấn định cấu hình điện tử thích hợp của một nguyên tố hóa học nhất định.

Khái niệm và giải thích

Nếu nguyên tử được coi như thể nó là một củ hành, một số lớp hữu hạn sẽ được tìm thấy bên trong nó, được xác định bởi số lượng tử chính n.

Xa hơn nữa, bên trong chúng, là các vỏ con, có hình dạng phụ thuộc vào phương vị l và số lượng tử từ tính m.

Các obitan được xác định bằng ba số lượng tử đầu tiên, trong khi số thứ tư, spin s, kết thúc cho biết electron sẽ nằm trong quỹ đạo nào. Sau đó, tại những vùng này của nguyên tử, nơi các electron quay, từ các lớp trong cùng đến lớp ngoài cùng: lớp hóa trị, có năng lượng cao nhất.

Trong trường hợp đó, các electron nên điền vào các obitan theo thứ tự nào? Theo nguyên tắc Aufbau, chúng phải được gán dựa trên giá trị tăng dần (n + l).

Tương tự như vậy, trong các vỏ con (n + l), các điện tử phải chiếm giữ vỏ con có giá trị năng lượng thấp nhất; nói cách khác, chúng chiếm giá trị thấp nhất của n.

Tuân theo các quy tắc xây dựng này, Madelung đã phát triển một phương pháp trực quan bao gồm vẽ các mũi tên chéo, giúp xây dựng cấu hình điện tử của nguyên tử. Trong một số lĩnh vực giáo dục, phương pháp này còn được gọi là phương pháp mưa.

Lớp và lớp con

Hình ảnh đầu tiên minh họa một phương pháp đồ họa để thu được cấu hình electron, trong khi hình ảnh thứ hai là phương pháp Madelung tương ứng. Các lớp năng lượng nhất nằm ở trên cùng và ít năng lượng nhất theo hướng đi xuống.

Từ trái sang phải, các lớp phụ s, p, d và f của các mức năng lượng chính tương ứng của chúng được “chuyển tiếp”. Làm thế nào để tính giá trị của (n + l) cho mỗi bước được đánh dấu bằng các mũi tên chéo? Ví dụ: đối với quỹ đạo 1s, phép tính này bằng (1 + 0 = 1), đối với quỹ đạo 2s (2 + 0 = 2) và cho quỹ đạo 3p (3 + 1 = 4).

Kết quả của những tính toán này bắt nguồn việc xây dựng hình ảnh. Do đó, nếu nó không có sẵn trong tay, chỉ cần xác định (n + l) cho mỗi quỹ đạo, bắt đầu lấp đầy các obitan bằng các electron từ quỹ đạo có giá trị nhỏ nhất (n + l) đến quỹ đạo có giá trị lớn nhất.

Tuy nhiên, việc sử dụng phương pháp Madelung tạo điều kiện rất nhiều cho việc xây dựng cấu hình electron và biến nó thành một hoạt động giải trí cho những ai đang học bảng tuần hoàn.

Nguyên tắc loại trừ của Pauli và quy tắc của Hund

Phương pháp của Madelung không chỉ ra quỹ đạo của các vỏ con. Khi tính đến chúng, nguyên lý loại trừ Pauli tuyên bố rằng không electron nào có thể có cùng số lượng tử với electron khác; hoặc giống nhau, một cặp electron không thể có cả spin dương hoặc quay âm.

Điều này có nghĩa là các số lượng tử spin của chúng không thể giống nhau và do đó, các spin của chúng phải ghép đôi khi chiếm cùng một quỹ đạo.

Mặt khác, việc lấp đầy các obitan phải được thực hiện theo cách mà chúng suy giảm năng lượng (quy tắc Hund). Điều này đạt được bằng cách giữ cho tất cả các electron trong các obitan không được ghép đôi, cho đến khi thực sự cần thiết phải ghép đôi một cặp này (như với oxy).

Ví dụ

Các ví dụ sau đây tóm tắt toàn bộ khái niệm của nguyên tắc Aufbau.

Carbon

Để xác định cấu hình điện tử của nó, trước tiên phải biết số nguyên tử Z, và do đó là số electron. Carbon có Z = 6, do đó 6 electron của nó phải nằm trong các obitan theo phương pháp Madelung:

Các mũi tên tương ứng với các electron. Sau khi các obitan 1s và 2s được lấp đầy, mỗi obitan có hai electron, các obitan 2p được gán hiệu số cho hai electron còn lại. Do đó, quy tắc Hund được biểu hiện: hai obitan suy biến và một rỗng.

Ôxy

Oxy có Z = 8 nên có thêm 2 electron không giống như cacbon. Một trong những electron này phải được đặt vào quỹ đạo trống 2p, và electron còn lại phải ghép đôi để tạo thành cặp đầu tiên, với mũi tên hướng xuống. Do đó, nguyên tắc loại trừ Pauli được thể hiện ở đây.

Canxi

Canxi có 20 electron, và các obitan vẫn được điền bằng phương pháp cũ. Thứ tự điền như sau: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

Có thể lưu ý rằng, thay vì lấp đầy quỹ đạo 3d trước, các electron chiếm vị trí 4s. Điều này xảy ra trước khi nhường chỗ cho các kim loại chuyển tiếp, các nguyên tố lấp đầy lớp 3d bên trong.

Hạn chế của nguyên tắc Aufbau

Nguyên lý Aufbau không dự đoán được cấu hình điện tử của nhiều kim loại chuyển tiếp và các nguyên tố đất hiếm (lanthanides và actinides).

Điều này là do sự khác biệt về năng lượng giữa các obitan ns và (n-1) d là thấp. Vì những lý do được hỗ trợ bởi cơ học lượng tử, các điện tử có thể thích làm suy biến các obitan (n-1) d với cái giá phải trả là hoàn tác hoặc tách các electron khỏi quỹ đạo ns.

Một ví dụ nổi tiếng là trường hợp của đồng. Cấu hình electron của nó được dự đoán bởi nguyên lý Aufbau là 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹ , khi thực nghiệm nó được chứng minh là 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ¹⁰ .

Trong lần đầu tiên, một điện tử đơn độc không được ghép đôi trong một quỹ đạo 3d, trong khi trong lần thứ hai, tất cả các điện tử trong các quỹ đạo 3d đều được ghép đôi.

Người giới thiệu

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 15 tháng 6 năm 2017). Định nghĩa nguyên lý Aufbau. Lấy từ: thinkco.com
2. GS N. De Leon. (2001). Nguyên tắc Aufbau. Lấy từ: iun.edu
3. Hóa học 301. Nguyên lý Aufbau. Lấy từ: ch301.cm.utexas.edu
4. Hozefa Arsiwala và teacherlookup.com. (Ngày 1 tháng 6 năm 2017). Nói sâu hơn: Nguyên tắc Aufbau với các ví dụ. Lấy từ: teacherlookup.com
5. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Learning, tr 199-203.
6. Goodphy. (Ngày 27 tháng 7 năm 2016). Đề án của Madelung. . Lấy từ: commons.wikimedia.org