Il principio Aufbau è un metodo per spiegare le disposizioni degli elettroni all’interno degli atomi di diversi elementi chimici. La teoria atomica può essere complessa e difficile, ma questo principio fornisce un semplice insieme di regole che possono spiegare le configurazioni elettroniche della stragrande maggioranza degli elementi. Il termine deriva da una parola tedesca che significa “costruzione” e si riferisce al modo in cui gli elettroni vengono aggiunti agli atomi passando dagli elementi più leggeri a quelli più pesanti. Il principio non è perfetto e ci sono alcune eccezioni, ma è uno strumento molto utile per conoscere la struttura atomica.
Conchiglie, sottoconchiglie e orbitali
Per comprendere il principio di Aufbau, è necessario esaminare prima la struttura dell’atomo. Si può dire che gli elettroni orbitano attorno al nucleo caricato positivamente; tuttavia, ci sono alcune regole che dettano come possono essere organizzati. Nel modello generalmente accettato, occupano i gusci, che possono essere pensati come concentrici, attorno al nucleo. All’interno di questi ci sono i subshell, all’interno dei quali ci sono gli orbitali. Un orbitale descrive lo spazio abitato da un elettrone.
I gusci sono numerati 1, 2, 3, ecc., in ordine crescente di distanza dal nucleo – e crescenti livelli di energia – con i numeri che indicano anche quanti subshell possono avere. I subshell sono etichettati s, p, d e f, in ordine generale dell’energia posseduta dagli elettroni negli orbitali che contengono. Ciascuno ha un numero massimo di orbitali che può contenere: s ne ha solo uno, p ne ha tre, d ne ha cinque e f ne ha sette, e ogni orbitale può contenere un massimo di due elettroni. Tutti gli orbitali all’interno di una subshell hanno lo stesso livello di energia.
Questo è riassunto nella tabella seguente:
Conchiglie, sottoconchiglie e orbitali
Shell Subshell Orbitali Elettroni massimi
1s 12
2 s1 2
— p3 6
3 s1 2
— p3 6
— d5 10
4 s1 2
— p3 6
— d5 10
— f7 14
Questo mostra, ad esempio, che la shell 3 ha una sottoshell s, ap e ad. Una volta riempito completamente, avrebbe un totale di 2 + 6 + 10 = 18 elettroni. La configurazione elettronica di un elemento può essere scritta, ad esempio, come:
1s22s22p1
che è l’elemento numero cinque, il boro. Questo mostra il numero di shell seguito dalla lettera di subshell, con il numero di elettroni che contiene in apice.
Costruire gli elementi
È possibile immaginare di costruire elementi progressivamente più pesanti aggiungendo elettroni, partendo dall’elemento più leggero, l’idrogeno (1s1). Quando gli elettroni vengono aggiunti, riempiono gli orbitali all’interno dei subshell all’interno dei gusci. È regola generale che qualsiasi sistema adotterà la configurazione con l’energia più bassa. Sebbene questa sia una regola molto semplice, determinare la disposizione a energia più bassa e spiegare le configurazioni può comportare molte complicazioni, a causa delle interazioni tra le particelle. Gli elettroni, naturalmente, tenderanno a riempire gli orbitali a energia inferiore prima di quelli a energia superiore, e il principio di Aufbau cerca di spiegare come ciò avvenga.
Le regole
Il principio Aufbau ha solo tre regole:
Gli elettroni riempiranno gli orbitali in ordine crescente di energia, cioè riempiranno prima gli orbitali a energia più bassa. Poiché tutti gli orbitali in una data subshell hanno lo stesso livello di energia, devono essere riempiti prima che la subshell successiva inizi a riempirsi.
Ogni orbitale può contenere un massimo di due elettroni e questi devono avere spin opposti.
Laddove sono disponibili due o più orbitali con lo stesso livello di energia, nessuno di essi verrà riempito finché non avranno tutti un elettrone. In altre parole, gli elettroni cercheranno di distribuirsi uniformemente tra gli orbitali disponibili della stessa energia ove possibile.
Nel caso dell’elemento più semplice, l’idrogeno, il suo unico elettrone si trova in un orbitale nella subshell s. L’elemento successivo, l’elio, ha un secondo elettrone che entra nello stesso orbitale: 1s2. L’orbitale, il subshell s e il guscio 1 ora sono tutti pieni. Il litio, con tre elettroni, ha la stessa configurazione dell’elio, ma con un elettrone in più nel subshell s del guscio 2, poiché questo è l’orbitale a più bassa energia disponibile: 1s22s1.
Tralasciando un paio di elementi, il carbonio, con sei elettroni, ha una configurazione 1s22s22p2: entrambe le subshell s sono piene, quindi i due elettroni rimanenti vanno nella subshell p. Andranno in orbitali diversi, secondo la terza regola del principio Aufbau.
eccezioni
Man mano che gli elementi diventano più pesanti, la loro disposizione degli orbitali diventa più complessa e, a volte, le interazioni tra gli elettroni possono produrre eccezioni al principio di Aufbau. Le regole valgono fino all’elemento numero 24, cromo. Questo è uno dei pochi elementi che non sono del tutto conformi. Lascia la sua subshell 4s vuota, mentre ci sono cinque elettroni nella subshell successiva, perché, in questo caso insolito, è una configurazione energetica leggermente inferiore a quella prevista dalle regole. Altre eccezioni sono il rame e l’argento.
si utilizza
Nonostante le eccezioni, il principio Aufbau è utile nei corsi di chimica in cui gli studenti scoprono le regole fondamentali sulla struttura atomica e le proprietà degli elementi. Un grafico o un diagramma può essere utilizzato per mostrare come funziona il principio per vari elementi di esempio. Questo di solito mostrerà i gusci, i subshell e gli orbitali in un modo che illustra chiaramente come sono riempiti.