Aufbau原理は、理論的に素子の電気的構成を予測するための有用なガイドです。aufbauという単語は、ドイツ語の「構築する」という動詞を指します。この原則によって規定される規則は、「アトムの構築を支援する」ことを目的としています。
架空の原子構造に関して言えば、それはもっぱら電子のことであり、電子は陽子の数の増加と密接に関連しています。陽子は化学元素の原子番号Zを定義し、原子核に追加された各原子に対して、この正電荷の増加を補償するために電子が追加されます。
陽子は原子の核に結合するために確立された順序に従っていないようですが、電子は一連の条件に従います。つまり、最初に低いエネルギーで原子の領域を占有し、特に空間でそれらを見つける確率が高くなります。より大きい：軌道。
アウフバウの原理は、他の電子充填規則（パウリの排除原理とフントの規則）とともに、電子が電子雲に追加される順序を確立するのに役立ちます。このようにして、特定の化学元素の電子配置を割り当てることができます。
概念と説明
原子が玉ねぎであるかのように考えられた場合、主量子数nによって決定される有限数の層がその中に見られます。
さらに、それらの内部にはサブシェルがあり、その形状は方位角lと磁気量子数mに依存します。
軌道は最初の3つの量子数によって識別され、4番目のスピンsは、電子がどの軌道に配置されるかを示します。次に、電子が回転するのは原子のこれらの領域です。最も内側の層から最も外側の層までです。すべての中で最もエネルギーの高い価電子層です。
その場合、電子はどの順序で軌道を満たす必要がありますか？アウフバウの原則によれば、値は増加する値（n + l）に基づいて割り当てられる必要があります。
同様に、サブシェル（n + l）内では、電子は最も低いエネルギー値を持つサブシェルを占有する必要があります。つまり、nの最小値を占めます。
これらの構築規則に従って、Madelungは、対角線の矢印を描画することからなる視覚的な方法を開発しました。これは、原子の電子配置を構築するのに役立ちます。一部の教育分野では、この方法は雨の方法としても知られています。
レイヤーとサブレイヤー
最初の画像は電子配置を取得するためのグラフィカルな方法を示し、2番目の画像はそれぞれのマデルング法です。最もエネルギーの高い層は上部にあり、最もエネルギーの少ない層は下方向にあります。
左から右に、対応するメインエネルギーレベルのサブレイヤーs、p、d、fが「遷移」します。斜めの矢印でマークされた各ステップの（n + l）の値を計算する方法は？たとえば、1s軌道の場合、この計算は（1 + 0 = 1）、2s軌道の場合（2 + 0 = 2）、および3p軌道の場合（3 + 1 = 4）に等しくなります。
これらの計算の結果は、画像の構成に由来します。したがって、手元にない場合は、各軌道の（n + l）を決定し、（n + l）の最小値の電子から最大値の電子まで軌道を電子で満たすことから始めます。
ただし、Madelungメソッドを使用すると、電子配置の構築が非常に容易になり、周期表を学習している人にとっては楽しいアクティビティになります。
パウリの排除原理とフンドの法則
マデルングの方法はサブシェルの軌道を示していません。それらを考慮に入れて、パウリの排除原理は、どの電子も他と同じ量子数を持つことはできないと述べています。または同じことですが、1対の電子が正または負の両方のスピンを持つことはできません。
これは、それらのスピン量子数sを同じにすることはできないため、同じ軌道を占有するときにそれらのスピンがペアになる必要があることを意味します。
一方、軌道の充満は、エネルギーが退化するような方法で行われなければなりません（フントの法則）。これは、これらのペアを（酸素と同様に）ペアにすることが厳密に必要になるまで、軌道内のすべての電子をペアにしないことで実現されます。
例
次の例は、アウフバウの原則の全体的な概念をまとめたものです。
炭素
その電子配置を決定するには、最初に原子番号Z、つまり電子の数を知る必要があります。炭素はZ = 6であるため、その6つの電子は、Madelung法を使用して軌道に配置する必要があります。
矢印は電子に対応しています。1sと2sの軌道が満たされ、それぞれが2つの電子で満たされた後、2pの軌道は残りの2つの電子の差によって割り当てられます。フンドの法則はこのように明らかになります。2つの縮退軌道と1つの空軌道です。
酸素
酸素はZ = 8であるため、炭素とは異なり、2つの余分な電子があります。これらの電子の1つは空の2p軌道に配置する必要があり、もう1つは最初のペアを形成するために矢印を下に向けてペアにする必要があります。その結果、パウリの排他原理がここに現れます。
カルシウム
カルシウムには20個の電子があり、軌道は同じ方法で満たされています。充填の順序は次のとおりです：1s-2s-2p-3s-3p-4s。
最初に3d軌道を埋める代わりに、電子が4sを占有することに注意してください。これは、遷移金属、つまり内部の3D層を埋める要素を作成する前に発生します。
アウバウバウの原則の限界
アウバウの原理は、多くの遷移金属と希土類元素（ランタニドとアクチニド）の電子配置を予測することに失敗しています。
これは、ns軌道と（n-1）d軌道のエネルギーの差が小さいためです。量子力学でサポートされている理由により、電子は（n-1）d軌道を縮退することを好むかもしれませんが、ns軌道から電子を取り消すか、削除します。
有名な例は銅の場合です。アウバウの原理によって予測されるその電子配置は1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 9ですが、実験的に1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10であることが示されています。
最初の例では、孤立電子は3d軌道で対になっていませんが、2番目の例では、3d軌道のすべての電子が対になっています。
参考文献
- ヘルメンスティン、アンマリー、Ph.D。（2017年6月15日）。アウバウバウの原則の定義。引用元：thoughtco.com
- N. De Leon教授 （2001）。アウフバウの原則。取得元：iun.edu
- Chemistry 301. Aufbau Principle。取得元：ch301.cm.utexas.edu
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- ウィッテン、デイビス、ペック、スタンレー。化学。（第8版）。CENGAGEラーニング、p 199-203。
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