Principiul Aufbau

Principiul Aufbau este o regulă utilizată în chimie care spune că în starea fundamentală a unui atom sau ion, ocuparea orbitalilor atomici cu electroni se face începând cu nivelele energetice cele mai slabe în energie, iar aceasta se continuă spre nivelele mai bogate în energie doar după ocuparea celor inferioare (de exemplu, nivelul 1s este mereu ocupat înaintea 2s). În acest fel, electronii unui atom sau ion vor forma cea mai stabilă configurație electronică posibilă. Principiul este derivat din principiul de excluziune al lui Pauli.^[1]

Denumirea Aufbau provine din germană Aufbauen „a construi”, și face referire la modul în care acesta descrie „construirea” configurației electronice a atomului sau a ionului respectiv.^[1]

Formulare

Stările energetice trasate cu săgeată roșie prezintă aceeași valoare a

n+\ell

. Direcția săgeții indică ordinare în care are loc ocuparea orbitalilor cu electroni.

În cazul atomilor neutri, regula generală de ocupare a substraturilor cu electroni este n + ℓ, sau regula Madelung. În acest caz n este numărul cuantic principal iar ℓ este numărul cuantic secundar; valorile ℓ = 0, 1, 2, 3 corespund blocurilor s, p, d și respectiv f. Ordinea în care are loc ocuparea conform regulii este 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s, ... De exemplu, titanul (Z = 22) prezintă configurația în stare fundamentală 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d².^[2]

Excepția în cazul metalelor tranziționale

În cazul unor metale tranziționale (crom, cupru, niobiu, molibden, ruteniu, rodiu, paladiu, argint, platină și aur), substratul de valență d preia un electron (în cazul paladiului doi electroni) din substratul de valență s, astfel că măsurările experimentale sunt diferite de ceea ce prevede regula lui Madelung.^[3] Atomii acceptă această configurație excepțională deoarece astfel se află într-o stare energetică mai joasă.

Atom	₂₄Cr	₂₉Cu	₄₁Nb	₄₂Mo	₄₄Ru	₄₅Rh	₄₆Pd	₄₇Ag	₇₈Pt	₇₉Au
Configurația gazului rar	[Ar]	[Ar]	[Kr]	[Kr]	[Kr]	[Kr]	[Kr]	[Kr]	[Xe]	[Xe]
Configurația - Madelung	3d⁴4s²	3d⁹4s²	4d³5s²	4d⁴5s²	4d⁶5s²	4d⁷5s²	4d⁸5s²	4d⁹5s²	4f¹⁴5d⁸6s²	4f¹⁴5d⁹6s²
Configurația - empirică	3d⁵4s¹	3d¹⁰4s¹	4d⁴5s¹	4d⁵5s¹	4d⁷5s¹	4d⁸5s¹	4d¹⁰	4d¹⁰5s¹	4f¹⁴5d⁹6s¹	4f¹⁴5d¹⁰6s¹

Excepția în cazul lantanidelor și actinidelor

În cazul unor lantanide^[4] și actinide (lantan, ceriu, gadoliniu, actiniu, toriu, protactiniu, uraniu, neptuniu, curiu și lawrenciu), substratul de valență d preia un electron (în cazul toriului doi electroni) din substratul de valență f, astfel că măsurările experimentale sunt diferite de ceea ce prevede regula lui Madelung.^[3] Atomii acceptă această configurație excepțională deoarece astfel se află într-o stare energetică mai joasă. Un caz special este lawrenciul (₁₀₃Lr), unde electronul 6d este înlocuit de un electron 7p: regula Madelung prezice configurația [Rn]5f¹⁴6d¹7s², iar cea măsurată empiric este [Rn]5f¹⁴7s²7p¹.

Atom	₅₇La	₅₈Ce	₆₄Gd	₈₉Ac	₉₀Th	₉₁Pa	₉₂U	₉₃Np	₉₆Cm	₁₀₃Lr
Configurația gazului rar	[Xe]	[Xe]	[Xe]	[Rn]	[Rn]	[Rn]	[Rn]	[Rn]	[Rn]	[Rn]
Configurația - Madelung	4f¹6s²	4f²6s²	4f⁸6s²	5f¹7s²	5f²7s²	5f³7s²	5f⁴7s²	5f⁵7s²	5f⁸7s²	5f¹⁴6d¹7s²
Configurația - empirică	5d¹6s²	4f¹5d¹6s²	4f⁷5d¹6s²	6d¹7s²	6d²7s²	5f²6d¹7s²	5f³6d¹7s²	5f⁴6d¹7s²	5f⁷6d¹7s²	5f¹⁴7s²7p¹

Note

^ ^a ^b „Aufbau Principle”, Chemistry LibreTexts, 2 octombrie 2013, accesat în 29 iulie 2019
^ Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A. (1998). Inorganic Chemistry (ed. 2nd). Prentice Hall. p. 38. ISBN 0-13-841891-8.
^ ^a ^b „What is the Basis For Exceptions to the Aufbau Principle?”, Sciencing, accesat în 29 iulie 2019
^ „Lanthanides: Electron Configuration & Oxidation States - Video & Lesson Transcript”, Study.com, accesat în 29 iulie 2019

Vezi și

[CLTxts-1] „Aufbau Principle”, Chemistry LibreTexts, 2 octombrie 2013, accesat în 29 iulie 2019

[2] Miessler, Gary L.; Tarr, Donald A. (1998). Inorganic Chemistry (ed. 2nd). Prentice Hall. p. 38. ISBN 0-13-841891-8.

[Sciencing-3] „What is the Basis For Exceptions to the Aufbau Principle?”, Sciencing, accesat în 29 iulie 2019

[Study-4] „Lanthanides: Electron Configuration & Oxidation States - Video & Lesson Transcript”, Study.com, accesat în 29 iulie 2019

[1]

[2]

[3]

[4]