Принцип Ауфбау
Принцип Ауфбау, Принцип нарощування" (англ. Aufbau principle, нім. Aufbauprinzip, від німецького Aufbauprinzip, що означає «принцип нарощування») — правило, що визначає послідовність заповнення електронами електронних орбіталей.
Принцип Ауфбау відомий також як:
- Правило Маделунга (за Ервіном Маделунгом)
- Правило Джанет (за Чарльзом Джанет)
- Правило Клечковського (за Всеволодом Клечковським[2].)
- Правило Вісвессера (за Вільямом Вісвессером)
- правило aufbau або
- діагональне правило[3]
Принцип Ауфбау — це базис періодичної системи хімічних елементів, який полягає в тому, що в основному стані атома, або іона, електрон спочатку займає енергетичний рівень з найменшою доступною енергією[4], яка визначається повним квантовим числом , де — головне квантове число, яке визначає період, — азимутальне квантове число, яке визначає блок в структурі періодичної системи[1].
Вважається, що електрони першопочатково займають орбіталі із меншою енергією рівня, яку характеризує головне квантове число. Тому, згідно з цим правилом, послідовне заповнення орбіталей відбувається по мірі зростання для них суми головного та орбітального квантових чисел (n+l). А за умови рівності цієї суми першою заповнюється орбіталь із меншим значенням головного квантового числа.
Наприклад, 4s-підрівень (n=4, l=0) заповнюється перед 3d-підрівнем (n=3, l=2). А 4p-підрівень (n=4, l=1), маючи однакову із 3d-підрівнем суму квантових чисел, заповнюватиметься після нього, оскільки має більше головне квантове число.
Всі процеси у фізиці, хімії, біології та техніці відбуваються за фундаментальним принципом мінімуму потенціальної енергії, який вказує напрямок переміщення системи. В квантовій механіці це принцип мінімальності енерґії[5]. При цьому енергія вивільнюється у вигляді кванта світла. Для атомів електрони спочатку заповнюють рівні з найменшою потенційною енергією. Цей принцип був сформульований Нільсом Бором на початку 1920-х років, як принцип Ауфбау, що означає «принцип нарощування»[4]. Але з практичною реалізацією цього принципу виникли проблеми через те, що за теорією Шредінгера енергію електронного рівня визначає головне квантове число [5], а заповнення електронних оболонок складних атомів відбувається по іншому[6]. Щоб вирішити цю невідповідність у 1945 році американський хімік Вільям Вісвессер запропонував заповнювати блоки в порядку зростання значень функції[7]:
У 1962 році російський агрохімік В. М. Клечковський запропонував правило[2] за яким послідовне заповнення блоків відбувається в міру зростання суми головного та орбітального квантових чисел та зробив теоретичне пояснення важливості цього правила на основі рівняння Томаса — Фермі. Однак, це були емпіричні правила, яки описували лише відхилення будови атома від принципу Ауфбау. У 2023 році український фізик О. Кучеров та А. Мудрик знайшли енергію електронних рівнів складних атомів, яка повністю відповідає принципу Ауфбау. Для цього до рівняння Шредінгера[5] окрім електричного потенціалу, що характеризується головним квантовим числом , було додано магнітний потенціал, що створюється магнітним полем обертального руху електронів і характеризується азимутальним квантовим числом . В результаті для енергетичного рівня складного атома було знайдено наступне рішення[1]:
;
де — стала Рідберга.
Отже, енергію атомів періодичної системи визначає повне квантове число :
у відповідності з принципом Ауфбау. Тобто, групу визначає головне квантове число , блок визначає азимутальне квантове число .
Електронна конфігурація — послідовність розташування електронів на різних електронних оболонках атома хімічного елемента:
| 1s2 | 2s2 | 2p6 | 3s2 | 3p6 | 4s2 | 3d10 | 4p6 | 5s2 | 4d10 | 5p6 | 6s2 | 4f14 | 5d10 | 6p6 | 7s2 | 5f14 | 6d10 | 7p6 |
Наявність азимутального квантового числа у повному квантовому числі призводить до того, що лише блоки s2 та p6 з'являються у своєму періоді, в той час, як блок d10 з'являється на один період пізніше, а блок f14 — на два. Саме так побудована періодична система хімічних елементів.
Квантовомеханічною основою Принципа Ауфбау є те, що заповнення електронних рівнів атомів відбувається за принципом мінімуму потенціальної енергії відповідно до повного квантового числа [1].
Додатково, на кожній з орбіталей не може бути більше від двох електронів (виконується принцип Паулі), а також при розміщенні електронів на вироджених орбіталях, вони спочатку займають кожну вакантну орбіталь по одному електронові, а лише потім паруються (виконується правило Гунда).
- ↑ а б в г Kucherov, Olexandr; Mudryk, Andrey (2023). Picoscopy Discoveries of the Binary Atomic Structure. Applied Functional Materials AFM. 3 (2): 1—7.
- ↑ а б Klechkovskii, V.M. (1962). Justification of the Rule for Successive Filling of (n+l) Groups. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 14 (2): 334. Процитовано 23 червня 2022.
- ↑ Electron Configuration. WyzAnt. 19 вересня 2013.
- ↑ а б Kragh, Helge, '7 A Theory of the Chemical Elements', Niels Bohr and the Quantum Atom: The Bohr Model of Atomic Structure 1913—1925 (Oxford, 2012; online edn, Oxford Academic, 24 May 2012) https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199654987.003.0007, accessed 23 Feb. 2024
- ↑ а б в Вакарчук І. О. Квантова механіка. — 4-е видання, доповнене. — Львів : ЛНУ ім. Івана Франка, 2012. — 872 с.
- ↑ а б Білий М.У. Атомна фізика. — Київ : Вища школа, 1973. — 395 с.
- ↑ Wiswesser, William J. (July 1945). The Periodic System and Atomic Structure I. An Elementary Physical Approach. Journal of Chemical Education. 22 (7): 314—322. Bibcode:1945JChEd..22..314W. doi:10.1021/ed022p314. Процитовано 5 вересня 2020.
- Глосарій термінів з хімії / укладачі: Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Донецьк : Вебер, 2008. — 738 с. — ISBN 978-966-335-206-0.
- Романова Н. В. Загальна та неорганічна хімія. — К., Ірпінь : Перун, 2004. — С. 50. — ISBN 966-569-106-6.
 | |
|---|---|
| Словники та енциклопедії | |
| Нормативний контроль |