Aufbauovo načelo
Aufbauovo načelo je metoda za sestavo približne elektronske konfiguracije osnovnega stanja: elektrone razporedimo v razpoložljiva stanja tako, da je skupna energija atoma čim nižja. Znano zaporedje 1s, 2s, 2p, 3s… je uporabna shema, ne temeljni zakon, neodvisen od medelektronskih interakcij.
Najprej energija, ne slika diagonalnih puščic
V preprostem modelu podlupine razvrsti pravilo n + ℓ: manjši n+ℓ se zasede prej, ob izenačenju pa ima prednost manjši n. Zato 4s pride pred 3d, ker ima 4s n+ℓ=4, 3d pa 5.
To zaporedje pogosto imenujemo Madelungovo pravilo. Kot prvi približek je zelo učinkovito, dejanske energije podlupin pa so odvisne od Z, zasedenosti in medsebojnega delovanja elektronov.
Aufbau deluje skupaj s Paulijem in Hundom
Aufbau pove, katero podlupino obravnavamo kot naslednjo. Pauli omeji orbitalo na dva elektrona z nasprotnim spinom, Hund pa določi posamično zasedanje degeneriranih orbital pred parjenjem.
Pri dušiku po 1s²2s² ostanejo trije elektroni v 2p in Hund da ↑ ↑ ↑. Nobeno od teh pravil ne nadomesti drugih.
Primerjaj n+ℓ
Zakaj sta 4s in 3d lahko zavajajoča
Pri lažjih nevtralnih prehodnih atomih se 4s lahko zasede pred 3d, po zasedbi d pa se relativne energije spremenijo. Pri nastanku številnih kationov se elektroni 4s odstranijo pred 3d.
To ni protislovje: vrstni red polnjenja ni toga energijska lestev za vsak naboj in vsako konfiguracijo. Orbitale se prilagajajo polju vseh elektronov.
Izjeme govorijo o skupni energiji
Cr ima osnovno konfiguracijo približno [Ar]3d⁵4s¹, Cu pa [Ar]3d¹⁰4s¹ namesto preprostih napovedi [Ar]3d⁴4s² in [Ar]3d⁹4s². Energijski razliki med 3d in 4s sta majhni.
Izjem ni pravilno razložiti samo z geslom „napol ali povsem polna podlupina je stabilna“. Odloča bilanca orbitalnih energij, elektronskega odboja, izmenjave in relaksacije.
Kako Aufbau pravilno uporabljati
Najprej sestavite konfiguracijo po približnem vrstnem redu s kapacitetami s=2, p=6, d=10, f=14 ter s Paulijem in Hundom. Nato preverite znane odklone konkretnega elementa.
Pri težkih atomih in vzbujenih stanjih je vrstni red lahko še bolj zapleten, relativistični učinki pa pomembnejši. Aufbau je zemljevid za razmišljanje, ne nespremenljiv seznam narave.
Kaj atom v resnici minimizira
Fizikalna količina ni položaj na diagramu puščic, temveč energija celotnega večelektronskega stanja. Vsak dodani elektron spremeni zasenčenje in odboj, zato se energije orbital z zasedenostjo premikajo.
Madelungov vrstni red je zato odlično izhodišče, končna konfiguracija pa je rezultat energijskega tekmovanja. Spektroskopija in ionizacijske energije to tekmovanje eksperimentalno preverjajo.
Rešeni primeri
1. 4s i 3d
Rešitev
4s: n+ℓ=4; 3d: n+ℓ=5, zato je v preprosti shemi 4s prej.
2. Cr
Rešitev
Preprosta shema da 3d⁴4s², osnovno stanje pa je približno 3d⁵4s¹.
3. Cu
Rešitev
Osnovno stanje je približno [Ar]3d¹⁰4s¹; Aufbau je energijski model.