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Introduction au principe de Aufbau en chimie

Introduction au principe de Aufbau en chimie



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Les atomes stables ont autant d'électrons que de protons dans le noyau. Les électrons se rassemblent autour du noyau dans les orbitales quantiques selon quatre règles de base appelées principe d’Aufbau.

  • Deux électrons dans l'atome ne partageront pas les mêmes quatre nombres quantiquesnlm, ets.
  • Les électrons occuperont d’abord les orbitales du niveau d’énergie le plus bas.
  • Les électrons rempliront une orbitale avec le même nombre de tours jusqu'à ce que l'orbitale soit remplie avant de commencer à se remplir avec le nombre de tours opposé.
  • Les électrons rempliront les orbitales par la somme des nombres quantiquesn etl. Orbitales avec des valeurs égales de (n+l) remplira avec le basn valeurs en premier.

Les deuxième et quatrième règles sont fondamentalement les mêmes. Le graphique montre les niveaux d'énergie relatifs des différentes orbitales. Un exemple de règle quatre serait le 2p et 3s orbitales. UNE 2p orbitale estn = 2 etl = 2 et un 3s orbitale estn = 3 etl = 1; (n + l) = 4 dans les deux cas, mais le 2p orbitale a la plus basse énergie ou inférieure n valeur et seront remplis avant la 3s coquille.

Utiliser le principe Aufbau

Todd Helmenstine

La pire façon d'utiliser le principe d'Aufbau pour calculer l'ordre de remplissage des orbitales d'un atome est d'essayer de mémoriser cet ordre par force brute:

  • 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 8s

Heureusement, il existe une méthode beaucoup plus simple pour obtenir cette commande:

  1. Ecrire une colonne de s orbitales de 1 à 8.
  2. Ecrire une seconde colonne pour le p orbitales à partir de n=2. (1p n’est pas une combinaison orbitale autorisée par la mécanique quantique.)
  3. Ecrire une colonne pour le orbitales à partir de n=3.
  4. Ecrire une dernière colonne pour 4f et 5f. Il n'y a pas d'éléments qui auront besoin d'un 6f ou 7f coquille à remplir.
  5. Lisez le tableau en parcourant les diagonales à partir de 1s.

Le graphique montre ce tableau et les flèches indiquent le chemin à suivre. Maintenant que vous connaissez l'ordre des orbitales à remplir, il vous suffit de mémoriser la taille de chaque orbitale.

  • Les orbitales S ont une valeur possible de m tenir deux électrons.
  • Les orbitales P ont trois valeurs possibles de m tenir six électrons.
  • Les orbitales D ont cinq valeurs possibles de m tenir 10 électrons.
  • Les orbitales F ont sept valeurs possibles de m tenir 14 électrons.

C'est tout ce dont vous avez besoin pour déterminer la configuration électronique d'un atome stable d'un élément.

Par exemple, prenons l'élément azote, qui a sept protons et donc sept électrons. La première orbitale à remplir est la 1s orbital. Un s orbitale détient deux électrons, donc cinq électrons sont laissés. La prochaine orbitale est la 2s orbitale et détient les deux suivants. Les trois derniers électrons iront à la 2p orbitale, qui peut contenir jusqu'à six électrons.

Exemple de configuration de silicium électronique

Todd Helmenstine

Ceci est un exemple de problème travaillé montrant les étapes nécessaires pour déterminer la configuration électronique d'un élément en utilisant les principes appris dans les sections précédentes

Problème

Déterminer la configuration électronique du silicium.

Solution

Le silicium est l'élément n ° 14. Il a 14 protons et 14 électrons. Le niveau d'énergie le plus bas d'un atome est rempli en premier. Les flèches dans le graphique montrent la s nombres quantiques, accélèrent et ralentissent.

  • L’étape A montre les deux premiers électrons qui remplissent la 1s orbitale et laissant 12 électrons.
  • L'étape B montre les deux électrons suivants qui remplissent la 2s orbitale laissant 10 électrons. (Le 2p L’orbite est le prochain niveau d’énergie disponible et peut contenir six électrons.)
  • L'étape C montre ces six électrons et laisse quatre électrons.
  • L'étape D remplit le niveau d'énergie suivant, 3s avec deux électrons.
  • L'étape E montre que les deux électrons restants commencent à remplir le 3p orbital.

Une des règles du principe Aufbau est que les orbitales sont remplies par un type de spin avant que le spin opposé ne commence à apparaître. Dans ce cas, les deux électrons de spin-up sont placés dans les deux premiers emplacements vides, mais l'ordre réel est arbitraire. Cela aurait pu être les deuxième et troisième places ou les première et troisième.

Répondre

La configuration électronique du silicium est:

1s22s2p63s23p2

Notation et exceptions au principal d'Aufbau

Todd Helmenstine

La notation vue sur les tables de période pour les configurations électroniques utilise la forme:

nOe
  • n est le niveau d'énergie
  • O est le type orbital (s, p, , ou F)
  • e est le nombre d'électrons dans cette coque orbitale.

Par exemple, l'oxygène a huit protons et huit électrons. Le principe Aufbau dit que les deux premiers électrons rempliraient le 1s orbital. Les deux prochaines rempliraient le 2s orbitale laissant les quatre électrons restants à prendre des taches dans le 2p orbital. Ceci serait écrit comme:

1s22s2p4

Les gaz nobles sont les éléments qui remplissent complètement leur plus grande orbitale sans reste d'électrons. Le néon remplit le 2p orbitale avec ses six derniers électrons et serait écrit comme:

1s22s2p6

L’élément suivant, le sodium, serait le même avec un électron supplémentaire dans la 3s orbital. Plutôt que d'écrire:

1s22s2p43s1

et prenant une longue ligne de texte répété, une notation abrégée est utilisée:

Ne3s1

Chaque période utilisera la notation du gaz noble de la période précédente. Le principe Aufbau fonctionne pour presque tous les éléments testés. Il existe deux exceptions à ce principe, le chrome et le cuivre.

Le chrome est l’élément n ° 24 et, selon le principe d’Aufbau, la configuration électronique doit être Ar3d4s2. Les données expérimentales réelles montrent que la valeur doit être Ar3d5s1. Le cuivre est l'élément n ° 29 et devrait être Ar3d92s2, mais il a été déterminé à être Ar3d104s1.

Le graphique montre les tendances du tableau périodique et la plus haute orbitale d'énergie de cet élément. C'est un excellent moyen de vérifier vos calculs. Une autre méthode de vérification consiste à utiliser un tableau périodique contenant ces informations.