Contenido
Introducción La declaración La regla Madelung Orden de llenado Excepciones Tabla periódica Conceptos erróneos Preguntas frecuentes Fuentes Introducción
El principio de Aufbau ("construcción") es la regla según la cual los electrones en un átomo multielectrónico llenan orbitales en orden creciente de energía. Combinado con el principio de exclusión de Pauli y las reglas de Hund, determina la configuración electrónica del estado fundamental de cualquier átomo neutro y es la base de la estructura de la tabla periódica. El principio fue introducido por Niels Bohr en 1920 como parte de su antigua teoría cuántica y perfeccionado a medida que se desarrollaba la mecánica cuántica.
La declaración
El principio establece que, en el estado fundamental de un átomo, los electrones ocupan primero los orbitales de menor energía. Específicamente:
Cada orbital contiene como máximo 2 electrones (exclusión de Pauli).
Los orbitales se llenan en orden creciente de energía.
Para los orbitales degenerados, los electrones obedecen la regla de Hund (primero el espín máximo).
La combinación de estas reglas da la configuración electrónica que es la "huella digital" química de un elemento.
La regla Madelung
El ordenamiento energético de los orbitales en átomos multielectrónicos no es el simple ordenamiento n del hidrógeno. La regla empírica de Madelung (o regla n+ℓ) [1 ] afirma:
Los orbitales se llenan en orden creciente n + ℓ.
Para n + ℓ igual, el orbital con n más pequeño se llena primero.
Esto produce el orden: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, ...
Por qué funciona
En los átomos multielectrónicos, los electrones internos protegen la carga nuclear de los electrones externos. El orbital 4s (con ℓ = 0 relativamente bajo) penetra más cerca del núcleo que 3d (ℓ = 2) y siente más carga nuclear, lo que hace que 4s tenga menos energía que 3d en muchos átomos a pesar de tener un n más alto.
Limitaciones
La regla de Madelung es una aproximación empírica. Las energías orbitales reales dependen del átomo y la configuración específicos. La regla predice el orden de llenado bruto, pero tiene excepciones notables.
Orden de llenado
Períodos 1 a 3
Periodo 1: 1s (H, He).
Período 4 y posteriores
Periodo 4: 4s, 3d, 4p. El 4s se llena antes que 3d, por lo que K y Ca tienen electrones 4s antes de que el bloque d comience en Sc.
Patrón
El orden de Aufbau refleja energías orbitales en átomos neutros. Una vez que un átomo está ionizado o en un entorno químico diferente, el orden de la energía puede diferir (los electrones 4s generalmente se eliminan antes que los 3d en los iones de metales de transición).
Excepciones
Varios elementos se desvían del estricto relleno de Aufbau debido a sutiles consideraciones energéticas:
Cromo (Z=24): 4s¹ 3d⁵ (no 4s² 3d⁴). Se favorece energéticamente el caparazón 3D medio lleno.Cobre (Z=29): 4s¹ 3d¹⁰ (no 4s² 3d⁹). Se prefiere la concha completa.Niobio (Z=41), Molibdeno (Z=42): Desviaciones similares en la segunda fila de transición.Paladio (Z=46): 4d¹⁰ 5s⁰. Ambos electrones s ascendieron a d.
Estas excepciones muestran que las subcapas "semillenas" y "llenas" tienen estabilidad adicional: un efecto mecánico cuántico real pero sutil de las interacciones de intercambio y la geometría del llenado orbital [2 ].
Elementos pesados
Para los lantánidos y actínidos, los efectos relativistas sobre los electrones internos modifican las energías orbitales. Predecir las configuraciones exactas del estado fundamental de los elementos más pesados a menudo requiere cálculos detallados en lugar de un simple llenado de Aufbau.
La tabla periódica
El principio de Aufbau genera la estructura de la tabla periódica:
bloque s: Grupos 1-2 (metales alcalinos, alcalinotérreos). Orbitales ns exteriores.bloque p: Grupos 13-18. Orbitales np exteriores.bloque d: Metales de transición. Se están llenando los orbitales externos (n−1)d.bloque f: Lantánidos y actínidos. (n−2)f orbitales que se están llenando.
Las longitudes de las filas de la tabla periódica (2, 8, 8, 18, 18, 32, 32) reflejan cuántos electrones caben en los orbitales que llenan cada período, consecuencias directas de Pauli + Aufbau + la estructura de momento angular de los orbitales atómicos.
Conceptos erróneos comunes
"La regla de Aufbau es exacta"
Es una buena primera aproximación con excepciones conocidas. Las energías orbitales reales requieren cálculos detallados.
"Las energías orbitales están fijadas por el elemento"
Dependen de la configuración electrónica. A medida que se eliminan electrones de un metal de transición, los electrones 4s van primero porque en el ion, 3d tiene menos energía que 4s.
"El 4s se llena antes que el 3d porque el 4s tiene menos energía"
Parcialmente cierto. En los átomos neutros antes de los metales de transición (K, Ca), 4s es menor. Pero en los propios átomos de los metales de transición, 3d y 4s están muy cerca y el orden puede cambiar.
"Los proyectiles medio llenos tienen una estabilidad única"
Tienen una estabilidad algo mayor (regla de Hund + interacciones de intercambio), pero es un efecto sutil de un pequeño porcentaje de energía. No es un principio fundamental separado.
Preguntas frecuentes
¿Por qué los 4 se llenan antes que los 3 d?
En átomos neutros con un número atómico bajo a través del calcio, la energía del orbital 4s es menor que la del 3d (principalmente debido a la penetración del orbital s más cerca del núcleo). Después de Sc, el orden cambia y 3d se vuelve inferior a 4s en los iones.
¿Qué tan precisa es la regla Madelung?
Predice el orden de llenado correcto para la mayoría de los elementos, pero tiene las excepciones mencionadas anteriormente. Para elementos muy pesados, los efectos relativistas pueden provocar desviaciones adicionales.
¿Qué pasa con los estados excitados?
Aufbau da estados fundamentales. Los estados excitados tienen uno o más electrones en orbitales superiores; sus configuraciones se derivan de cómo se genera la excitación.
¿Se aplica Aufbau a las moléculas?
El concepto análogo para las moléculas es llenar los orbitales moleculares (MO) de menor a mayor. Las energías del MO deben calcularse para cada molécula; Las reglas simples del Aufbau atómico no se aplican directamente.
Fuentes
Madelung, E. (1936). "Die mathematischen Hilfsmittel des Physikers". Saltador.
Levine, IN (2014). Química Cuántica , 7ª ed. Pearson.
Atkins, PW, de Paula, J. (2014). Química Física , 10ª ed. Prensa de la Universidad de Oxford.
Cowan, RD (1981). La teoría de la estructura atómica y los espectros .
Bohr, N. (1922). "Über die Anwendung der Quantentheorie auf den Atombau". Zeitschrift für Physik , 13(1), 117–165.