مبدأ AUFBAU: المفهوم والتفسير والأمثلة - كيمياء - 2026

يعد مبدأ Aufbau دليلًا مفيدًا للتنبؤ نظريًا بالتكوين الإلكتروني للعنصر. تشير كلمة aufbau إلى الفعل الألماني "يبني". تهدف القواعد التي يمليها هذا المبدأ إلى "المساعدة في بناء الذرة".

عندما يتعلق الأمر بالبناء الذري الافتراضي ، فإنه يشير حصريًا إلى الإلكترونات ، والتي بدورها تسير جنبًا إلى جنب مع العدد المتزايد من البروتونات. تحدد البروتونات العدد الذري Z لعنصر كيميائي ، ولكل عنصر يضاف إلى النواة ، يضاف إلكترون للتعويض عن هذه الزيادة في الشحنة الموجبة.

على الرغم من أنه يبدو أن البروتونات لا تتبع ترتيبًا ثابتًا للانضمام إلى نواة الذرة ، إلا أن الإلكترونات تتبع سلسلة من الشروط ، بحيث تشغل أولاً مناطق الذرة ذات الطاقة المنخفضة ، وتحديداً تلك التي يحتمل أن تجدها في الفضاء. أكبر: المدارات.

يساعد مبدأ Aufbau ، جنبًا إلى جنب مع قواعد الملء الإلكترونية الأخرى (مبدأ استبعاد Pauli وقاعدة Hund) ، على تحديد الترتيب الذي يجب إضافة الإلكترونات به إلى السحابة الإلكترونية ؛ بهذه الطريقة ، من الممكن تعيين تكوين إلكتروني لعنصر كيميائي معين.

المفهوم والتفسير

إذا تم اعتبار الذرة كما لو كانت بصلة ، فسيتم العثور على عدد محدود من الطبقات داخلها ، يحددها الرقم الكمي الأساسي n.

علاوة على ذلك ، يوجد داخلها الأجزاء الفرعية ، التي تعتمد أشكالها على السمت l وأرقام الكم المغناطيسية م.

يتم تحديد المدارات من خلال الأرقام الكمية الثلاثة الأولى ، في حين أن الرقم الرابع ، اللف المغزلي ، ينتهي بالإشارة إلى المدار الذي سيقع فيه الإلكترون. ثم في هذه المناطق من الذرة حيث تدور الإلكترونات ، من الطبقات الداخلية إلى الأبعد: طبقة التكافؤ ، الأكثر نشاطًا على الإطلاق.

في هذه الحالة ، بأي ترتيب يجب أن تملأ الإلكترونات المدارات؟ وفقًا لمبدأ Aufbau ، يجب تخصيصها بناءً على القيمة المتزايدة (n + l).

وبالمثل ، يجب أن تحتل الإلكترونات داخل الأجزاء الفرعية (n + l) الطبقة الفرعية بأقل قيمة للطاقة ؛ وبعبارة أخرى ، فإنها تحتل أدنى قيمة لـ n.

باتباع قواعد البناء هذه ، طور Madelung طريقة بصرية تتكون من رسم أسهم قطرية ، والتي تساعد على بناء التكوين الإلكتروني للذرة. تُعرف هذه الطريقة أيضًا في بعض المجالات التعليمية باسم طريقة المطر.

الطبقات والطبقات الفرعية

توضح الصورة الأولى طريقة رسومية للحصول على تكوينات الإلكترون ، بينما الصورة الثانية هي طريقة مادلونغ ذات الصلة. توجد الطبقات الأكثر نشاطًا في الأعلى والأقل نشاطًا في الاتجاه الهبوطي.

من اليسار إلى اليمين ، الطبقات الفرعية s و p و d و f لمستويات الطاقة الرئيسية المقابلة لها "تنتقل". كيف تحسب قيمة (n + l) لكل خطوة تميزها الأسهم القطرية؟ على سبيل المثال ، بالنسبة إلى المدار 1s ، فإن هذا الحساب يساوي (1 + 0 = 1) ، للمدار 2s (2 + 0 = 2) ، وللمدار 3p (3 + 1 = 4).

تنشأ نتيجة هذه الحسابات بناء الصورة. لذلك ، إذا لم يكن متاحًا في متناول اليد ، فحدد ببساطة (n + l) لكل مدار ، وابدأ في ملء المدارات بالإلكترونات من تلك التي لها أصغر قيمة (n + l) إلى المدار ذي القيمة القصوى.

ومع ذلك ، فإن استخدام طريقة Madelung يسهل إلى حد كبير بناء تكوين الإلكترون ويجعله نشاطًا ترفيهيًا لأولئك الذين يتعلمون الجدول الدوري.

مبدأ استبعاد باولي وحكم هوند

طريقة مادلونغ لا تشير إلى مدارات الطبقات الفرعية. مع أخذها في الاعتبار ، ينص مبدأ استبعاد باولي على أنه لا يمكن لأي إلكترون أن يكون له نفس الأرقام الكمية مثل آخر ؛ أو ما هو نفسه ، لا يمكن أن يكون لزوج من الإلكترونات لفات موجبة أو سالبة.

هذا يعني أن الأرقام الكمومية المغزلية s لا يمكن أن تكون هي نفسها ، وبالتالي ، يجب أن تتزاوج سبيناتها عند احتلال نفس المدار.

من ناحية أخرى ، يجب أن يتم ملء المدارات بطريقة تتدهور في الطاقة (قاعدة هوند). يتم تحقيق ذلك عن طريق الحفاظ على جميع الإلكترونات في المدارات غير مقترنة ، حتى يصبح من الضروري تمامًا إقران زوج من هذه (كما هو الحال مع الأكسجين).

أمثلة

تلخص الأمثلة التالية المفهوم الكامل لمبدأ Aufbau.

كربون

لتحديد تكوينه الإلكتروني ، يجب أولاً معرفة الرقم الذري Z ، وبالتالي عدد الإلكترونات. يحتوي الكربون على Z = 6 ، لذلك يجب وضع إلكتروناته الستة في المدارات باستخدام طريقة Madelung:

الأسهم تتوافق مع الإلكترونات. بعد ملء المدارات 1 و 2s ، كل منها بإلكترونين ، يتم تخصيص المدارات 2p بالاختلاف للإلكترونين المتبقيين. وهكذا تتجلى قاعدة هوند: مداريان متدهوران وواحد فارغ.

الأكسجين

يحتوي الأكسجين على Z = 8 ، لذا فهو يحتوي على إلكترونين إضافيين على عكس الكربون. يجب وضع أحد هذه الإلكترونات في المدار 2p الفارغ ، ويجب أن يقترن الآخر لتشكيل الزوج الأول ، بحيث يشير السهم لأسفل. وبالتالي ، يتجلى مبدأ استبعاد باولي هنا.

الكالسيوم

يحتوي الكالسيوم على 20 إلكترونًا ، ولا تزال المدارات ممتلئة بالطريقة نفسها. ترتيب التعبئة كالتالي: 1s-2s-2p-3s-3p-4s.

يمكن ملاحظة أنه بدلاً من ملء المدار ثلاثي الأبعاد أولاً ، تحتل الإلكترونات 4 ثوانٍ. يحدث هذا قبل إفساح المجال للمعادن الانتقالية ، العناصر التي تملأ الطبقة ثلاثية الأبعاد الداخلية.

حدود مبدأ Aufbau

فشل مبدأ Aufbau في التنبؤ بالتكوينات الإلكترونية للعديد من المعادن الانتقالية والعناصر الأرضية النادرة (اللانثانيدات والأكتينيدات).

هذا لأن الفروق النشطة بين المدارات ns و (n-1) d منخفضة. لأسباب مدعومة بميكانيكا الكم ، قد تفضل الإلكترونات تحطيم المدارات (n-1) d على حساب التراجع عن أو إزاحة الإلكترونات من مدار ns.

مثال مشهور هو حالة النحاس. تكوين الإلكترون الذي تنبأ به مبدأ Aufbau هو 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁹ ، عندما تبين تجريبياً أنه 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ¹ 3d ¹⁰.

في الحالة الأولى ، يتم فصل الإلكترون الانفرادي في مدار ثلاثي الأبعاد ، بينما في الثانية ، يتم إقران جميع الإلكترونات في المدارات ثلاثية الأبعاد.

المراجع

1. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (15 يونيو 2017). تعريف مبدأ Aufbau. مأخوذة من: thinkco.com
2. البروفيسور ن. دي ليون. (2001). مبدأ Aufbau. مأخوذة من: iun.edu
3. الكيمياء 301. مبدأ Aufbau. مأخوذة من: ch301.cm.utexas.edu
4. هوزيفة ارسيوالا و teacherlookup.com. (1 يونيو 2017). في العمق: مبدأ Aufbau مع أمثلة. مأخوذة من: teacherlookup.com
5. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم CENGAGE ، ص 199-203.
6. جودفي. (27 يوليو 2016). مخطط مادلونغ.. مأخوذة من: commons.wikimedia.org