Принцип Aufbau

Электроны в атоме заполняют сначала самые низкие орбиты, а затем более высокие.

Атом водорода устроен достаточно просто: один электрон вращается по орбите вокруг ядра, состоящего из одного протона. Принцип Aufbau (от немецкого Aufbau — «строительство, сборка») помогает нам понять, как изменяется атомная структура при переходе от простейшего атома водорода к все более сложным атомам. Он исходит из двух предпосылок — из квантовой механики, которая объясняет, как функционируют электронные оболочки, расположенные вокруг ядра, и из принципа запрета Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном состоянии. Из этого следует, что количество электронов, которые могут располагаться на одной электронной оболочке атома, ограничено .

Принцип Aufbau работает примерно так: представим, что мы создаем атомные структуры — начиная с водорода мы раз за разом добавляем к ядру по одному протону (и соответствующее количество нейтронов), получая атомы большего размера. Каждый раз, когда мы добавляем к ядру положительно заряженный протон, необходимо добавить и дополнительный электрон. По мере перехода от маленьких атомов к большим свободные места на электронной орбитали заполняются, и мы вынуждены помещать очередной электрон на первую позицию в следующей доступной орбитали (см. Атом Бора). Что-то похожее мы наблюдаем, когда каменщик, строя стену, кирпич за кирпичом выкладывает один ряд и начинает следующий.

Принцип Aufbau непосредственно вытекает из принципа запрета Паули, согласно которому два электрона в атоме не могут находиться в одинаковом состоянии, — хотя эта связь не всегда была очевидна. То есть электроны на атомных орбиталях чем-то напоминают автомобили на парковке — если место уже занято, надо найти себе другое, свободное, место. Точно так же, когда мы строим сложный атом, если места на низших орбитах уже заняты, электроны могут занять место только на более высокой орбите.

Чтобы понять, как работает принцип Aufbau, необходимо знать еще одну вещь — что электроны обладают спином. Представьте, что электроны вращаются вокруг своей оси так же, как Земля вращается вокруг оси, проходящей через ее полюса. При этом электроны часто образуют пары — один вращается по часовой стрелке, другой против.

На следующем уровне сложности после атома водорода находится атом гелия, который в нормальном состоянии имеет в ядре два протона и два нейтрона. Этот второй электрон, который нам нужно добавить, чтобы получить атом гелия, мы можем поместить на ту же орбиталь, что и первый — для этого нам просто нужно придать ему противоположный спин; при этом два электрона будут спарены. Итак, в соответствии с принципом Aufbau, оба электрона в атоме гелия находятся на низшей доступной орбитали, но имеют противоположные спины. Это утверждение было подтверждено экспериментально.

Следующий элемент, литий, имеет в своем ядре три протона (и обычно четыре нейтрона), значит, в его атом должно быть три электрона. Однако низшая электронная оболочка уже заполнена, поэтому дополнительный электрон должен занять место на один уровень выше. У бериллия (четыре протона) дополнительный электрон будет спарен с третьим электроном, — тем самым, который участвовал в образовании лития.

Так мы можем продолжать заполнять вторую оболочку, где есть место для четырех пар электронов. (Элемент с десятью электронами, двумя на низшем уровне и восемью на следующем уровне, — неон.) Теперь можно перейти на третий электронный уровень. Атом с одним электроном на этом уровне — натрий, а когда уровень заполнится, мы получим атом аргона. После этого, в соответствии с положениями квантовой механики, орбитали становятся несколько сложнее — на третьей оболочке, например, могут располагаться девять пар электронов, а на четвертой и на высших уровнях еще больше. Тем не менее выполняется все тот же основной принцип. На каждой оболочке есть место только для определенного количества электронных пар, и как только уровень заполняется, принцип Aufbau говорит нам, что надо передвигаться на следующий.

Принцип Aufbau также объясняет регулярность химических свойств элементов, открытую Дмитрием Менделеевым и упорядоченную им в его периодической системе.


9
Показать комментарии (9)
Свернуть комментарии (9)

  • spark  | 13.02.2006 | 11:58 Ответить
    Мне кажется, можно было бы полностью перевести термин как "принцип надстройки".

    Кстати, принцип надстройки нарушается при конструировании адронов из кварков: более сложные (возбужденные) адроны получаются вовсе не из большего числа кварков. Я об этом как-то писал: http://elementy.ru/blogs/users/spark/276/
    Ответить
    • Korotkoff > spark | 04.12.2006 | 07:19 Ответить
      Давайте всерьез будем говорить о кварках только как о гипотезе, экспериментальных данных об их сушествовании нет и пока не предвидится.
      Ответить
  • dpi  | 13.08.2007 | 16:54 Ответить
    На самом деле все происходит с точностью до наоборот.
    Первые два электрона (у гелия и других газообразных элементов) обычно занимают самую удаленную от ядра атома орбиту. А уже потом заполняются внутренние орбиты.
    Дело в том, что молекулярно-кинетическая теория - чушь, так как никакого хаотического (теплового) движения молекул, атомов и ионов нет. Поэтому неизбежен пересмотр многих, сегодня кажущихся незыблемыми, положений квантовой теории и моделей строения атомов и молекул.
    Иначе надо будет опровергать экспериментальный закон Авогадро, то есть в основном соответствующий действительности. Ведь тогда никак не объяснить, почему при одинаковом давлении и температуре в одинаковых объемах газов находится примерно одинаковое количество молекул.
    Кстати, после этого придется отправить на свалку и набившую оскомину теорию валентности. Замечательную теорию, которая "абсолютно ясно" объясняет одновременное образование закиси, окиси и перекиси, а также гомосексуальные наклонности большинства элементов - N2, O2, H2, Cl2 ... etc... etc...
    Скорее всего, расположение электронов в том или ином электронном слое (K, L, M, N etc...) как раз и определяет агрегатное состояние вещества. При этом есть предположение, что электронные системы молекул жидкости или газа аналогичны атомарной. То есть при объединении двух атомов в одну молекулу объединяются в единую их электронные системы, а ядра атомов располагаются в, так скажем, ядерной зоне, создавая ядро молекулы. То есть ядерной реакции при этом не происходит. Такие химические реакции происходят с выделением или поглощением теплоты - в зависимости от того, каким именно образом перераспределяются в результате химической реакции электроны.

    Если два электрона (атома или молекулы) заняли K-слой (больше этот слой не вмещает), по-моему, САМЫЙ УДАЛЕННЫЙ ОТ ЯДРА АТОМА, то агрегатное состояние такого ыещества - газ., Если они перешли на L-слой, существенно ближе к ядру - то жидкость, если же и K-слой и L-слой свободны от молекул, а самые удаленные электроны располагаются на M-слое то для гелия это переход от гелия-I к гелию-II. Переход электронов на еще более близкий к ядру N-слой - приводит к переходу гелия в твердое состояние.
    По всей видимости, у лития при обычных (нормальных) условиях все его 3 электрона располагаются именно на N-слое. Но при нагревании они могут переходить на более удаленные от ядра орбиты, превращая литий сначала в жидкость, а затем и в газ.
    Ответить
    • sanchik > dpi | 24.01.2008 | 01:52 Ответить
      а мне понравилась теория последнего оратора (первичный для заполнения слой самый дальний)! единственная проблема объяснить активность молекул, у которых первичные слои вроде бы как заполнены, а вот на последних (внутренних) ощущается нехватка электронов.
      Ответить
    • XOM > dpi | 27.04.2008 | 10:09 Ответить
      Вряд ли закон Авогадро может может быть основанием для утверждения о равенстве размеров атомов разных элементов. Ведь этот закон относится к газам . А в газообразном состоянии между отдельными молекулами нет постоянных связей и расстояние между ними много больше, чем размер атомов. Для того, чтобы оценить действительный размер атомов, нужно перевести моль газа в твердое кристаллическое состояние и сравнивать его объем с объемом другого отвержденного моля газа.
      Ответить
      • Валя Гриневич > XOM | 02.07.2014 | 16:55 Ответить
        Е
        Ответить
  • moikariver  | 19.12.2009 | 12:14 Ответить
    Приницип Паули - это принцип квантовомеханический, следствие статистки Ферми. Поэтому противопоставлять его, как сделано в начале, принципам квантовой механики некорректно.
    Ответить
    • Hom > moikariver | 22.01.2016 | 15:32 Ответить
      AUFBAU PRINCIPLE,
      Aufbau Принцип
      * не имеет теоретического обоснования.
      * был изобретен (!) три раза в ХХ веке.
      В хронологическом порядке:
      01. Джанет правило. (Чарльз Джанет. Франция)
      02. Маделунг правило. (Эрвин Маделунг. Немецкий физик.)
      03. Правило Клечковского. (Всеволода Клечковского. СССР)

      AUFBAU PRINCIPLE — эмпирическое (изобретённое !) правило (rule), как-бы описывающее энергетическое распределение орбиталей в многоэлектронных атомах, привлекающее к этому квантовую механику водородного атома. Это принципиально не подходит для описания единственно правильной,целостной и завершенной системы химических элементов. Такое сильное утверждение строго доказано нашими математиками в конце ХХ века !(Ю.Б.Румер, А.И.Фет, Ю.И. Кулаков).
      a) http://tinyurl.com/ztrabea
      b). Изобретённый "долгоиграющий" тупик
      https://en.wikipedia.org/wiki/Aufbau_principle
      Ответить
      • Hom > Hom | 07.02.2017 | 10:38 Ответить
        https://eic.rsc.org/section/feature/the-trouble-with-the-aufbau-principle/2000133.article
        The trouble with the aufbau principle
        By Eric Scerri 7 November 2013
        Generations of teachers are misleading their charges by teaching a sloppy version of the aufbau principle, claims Eric Scerri

        Tr. Google
        Проблема с принципом Aufbau
        Эрик Скерри 7 ноября 2013

        Поколения учителей вводят в заблуждение своих подопечных, обучая их неаккуратной версии принципа Aufbau, утверждает Эрик Скерри

        P.S. ..,обучая их абсолютно неадекватной версии принципа Aufbau, утверждает Hom
        Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»