Aufbau principle
औफबाऊ सिद्धांत (, जर्मन औफबाउप्रिंज़िप से, जिसका अर्थ है "निर्माण सिद्धांत"), जिसे औफबाऊ नियम भी कहा जाता है, कहता है कि एक परमाणु या आयन की जमीनी स्थिति में, इलेक्ट्रॉन सबसे कम उपलब्ध ऊर्जा के उपकोशों को भरते हैं, फिर वे उच्च ऊर्जा के उपकोशों को भरते हैं। उदाहरण के लिए, 1s उपकोश को 2s उपकोश पर कब्जा करने से पहले भरा जाता है। इस तरह, एक परमाणु या आयन के इलेक्ट्रॉन सबसे स्थिर इलेक्ट्रॉन विन्यास बनाते हैं। एक उदाहरण फॉस्फोरस परमाणु के लिए विन्यास है, जिसका अर्थ है कि 1s उपकोश में 2 इलेक्ट्रॉन होते हैं, और इसी तरह। विन्यास को अक्सर केवल संयोजकता इलेक्ट्रॉनों को स्पष्ट रूप से लिखकर संक्षिप्त किया जाता है, जबकि मूल इलेक्ट्रॉनों को आवर्त सारणी में अंतिम पिछली उत्कृष्ट गैस के प्रतीक द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, जिसे वर्ग कोष्ठक में रखा जाता है। फॉस्फोरस के लिए, अंतिम पिछली उत्कृष्ट गैस नियॉन है, इसलिए विन्यास को [Ne] 3s2 3p3 के लिए संक्षिप्त किया गया है, जहां [Ne] मुख्य इलेक्ट्रॉनों को दर्शाता है जिनकी फॉस्फोरस में विन्यास नियॉन के समान है। इलेक्ट्रॉन व्यवहार को परमाणु भौतिकी के अन्य सिद्धांतों द्वारा विस्तृत किया जाता है, जैसे कि हंड का नियम और पाउली बहिष्करण सिद्धांत। हुंड के नियम में कहा गया है कि यदि एक ही ऊर्जा के कई कक्षीय उपलब्ध हैं, तो इलेक्ट्रॉन अलग-अलग कक्षीयों पर अकेले और एक ही चक्कर के साथ कब्जा कर लेंगे, इससे पहले कि किसी पर दोगुना कब्जा किया जाए। यदि दोहरा कब्जा होता है, तो पाउली बहिष्करण सिद्धांत के लिए आवश्यक है कि एक ही कक्षीय पर कब्जा करने वाले इलेक्ट्रॉनों में अलग-अलग स्पिन (+ और-) होने चाहिए। अगली उच्च परमाणु संख्या के एक तत्व से दूसरे तत्व में जाते हुए, तटस्थ परमाणु में हर बार एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन जोड़ा जाता है। किसी भी कोश में इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या 2n2 है, जहाँ n प्रमुख क्वांटम संख्या है। एक उपकोश में इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या 2 (2 + 1) के बराबर होती है, जहां azimuthal क्वांटम संख्या s, p, d और f उपकोशों के लिए 0,1,2 और 3 के बराबर होती है, ताकि इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम संख्या क्रमशः 2,6,10 और 14 हो। जमीनी अवस्था में, इलेक्ट्रॉनों को सबसे कम उपलब्ध उपकोश में रखकर इलेक्ट्रॉनिक विन्यास का निर्माण किया जा सकता है जब तक कि जोड़े गए इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या परमाणु संख्या के बराबर न हो जाए। इस प्रकार इलेक्ट्रॉनिक विन्यास की भविष्यवाणी करने में मदद करने के लिए दो सामान्य नियमों का उपयोग करते हुए उपकोशिकाओं को बढ़ती ऊर्जा के क्रम में भरा जाता हैः n + के बढ़ते मूल्य के क्रम में उपकोशिकाओं को इलेक्ट्रॉन सौंपे जाते हैं। एन + के समान मान वाले उपकोशों के लिए, इलेक्ट्रॉनों को पहले निम्न एन के साथ उपकोश को सौंपा जाता है। परमाणु कोश मॉडल के रूप में जाने जाने वाले औफबाउ सिद्धांत के एक संस्करण का उपयोग परमाणु नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के विन्यास की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है। मैडेलंग ऊर्जा क्रम नियम तटस्थ परमाणुओं में, अनुमानित क्रम जिसमें उपकोशिकाएं भरी जाती हैं, वह एन + नियम द्वारा दिया जाता है, जिसे मैडेलंग नियम (इरविन मैडेलंग के बाद) जेनेट नियम (चार्ल्स जेनेट के बाद) क्लेककोवस्की नियम (वेस्वोलोड क्लेककोवस्की के बाद) विस्वेसर का नियम (विलियम विस्वेसर के बाद) औफबा नियम या विकर्ण नियम के रूप में भी जाना जाता है। कम n + मान वाले उपकोश उच्च n + मान वाले उपकोशों से पहले भरे जाते हैं। समान n + मानों के कई मामलों में, कम n मान वाले उपकोश को पहले भरा जाता है। इस नियम द्वारा उपकोश क्रम 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p, 8s, 5g है। उदाहरण के लिए, थैलियम (Z = 81) में ग्राउंड-स्टेट विन्यास या संघनित रूप में, [Xe] 6s2 4f14 5d10 6p1 है। अन्य लेखक उत्कृष्ट गैस कोर के बाहर उपकोशों को n को बढ़ाने के क्रम में लिखते हैं, या यदि बराबर है, तो n + l को बढ़ाते हैं, जैसे कि Tl (Z = 81)। वे इस बात पर जोर देने के लिए ऐसा करते हैं कि यदि यह परमाणु आयनित है, तो इलेक्ट्रॉन लगभग 6p, 6s, 5d, 4f, आदि क्रम में निकलते हैं। एक संबंधित नोट पर, इस तरह से विन्यास लिखना सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉनों और रासायनिक बंधन में उनकी भागीदारी पर जोर देता है। सामान्य तौर पर, समान एन + मान वाले उपकोशों में समान ऊर्जा होती है, लेकिन एस-कक्षीय (= 0 के साथ) असाधारण हैंः उनके ऊर्जा स्तर उनके एन + समूह से काफी दूर हैं और अगले एन + समूह के करीब हैं। यही कारण है कि आवर्त सारणी को आमतौर पर एस-ब्लॉक तत्वों के साथ शुरू करने के लिए तैयार किया जाता है। मैडेलुंग ऊर्जा क्रम नियम केवल तटस्थ परमाणुओं पर उनकी जमीनी अवस्था में लागू होता है। बीस तत्व हैं (डी-ब्लॉक में ग्यारह और एफ-ब्लॉक में नौ) जिनके लिए मैडेलंग नियम एक इलेक्ट्रॉन विन्यास की भविष्यवाणी करता है जो प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित से अलग है, हालांकि मैडेलंग-अनुमानित इलेक्ट्रॉन विन्यास कम से कम उन मामलों में भी जमीनी स्थिति के करीब हैं। एक अकार्बनिक रसायन विज्ञान की पाठ्यपुस्तक मैडेलुंग नियम को अनिवार्य रूप से एक अनुमानित अनुभवजन्य नियम के रूप में वर्णित करती है, हालांकि कुछ सैद्धांतिक औचित्य के साथ, परमाणु के थॉमस-फर्मी मॉडल पर कई-इलेक्ट्रॉन क्वांटम-यांत्रिक प्रणाली के रूप में आधारित है। डी-ब्लॉक में अपवाद संयोजकता डी-उपकोश संयोजकता एस-उपकोश से एक इलेक्ट्रॉन (पैलेडियम के मामले में दो इलेक्ट्रॉन) "उधार" लेता है। एक विशेष अपवाद लॉरेंशियम 103एलआर है, जहां मैडेलंग नियम द्वारा अनुमानित 6डी इलेक्ट्रॉन को 7पी इलेक्ट्रॉन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता हैः नियम भविष्यवाणी करता है, लेकिन मापा गया विन्यास है। उदाहरण के लिए, तांबा 29Cu में, मैडेलंग नियम के अनुसार, 4s उपकोश (n + = 4 + 0 = 4) 3d उपकोश (n + = 3 + 2 = 5) से पहले कब्जा कर लिया जाता है। नियम तब इलेक्ट्रॉन विन्यास की भविष्यवाणी करता है, संक्षिप्त में जहाँ [एआर] आर्गन के विन्यास को दर्शाता है, जो पूर्ववर्ती उत्कृष्ट गैस है। हालाँकि, तांबे के परमाणु का मापा गया इलेक्ट्रॉन विन्यास है। 3डी उपकोश को भरने से तांबा कम ऊर्जा अवस्था में हो सकता है। एफ-ब्लॉक में अपवाद संयोजकता डी-उपकोशिका अक्सर संयोजकता एफ-उपकोशिका से एक इलेक्ट्रॉन (थोरियम दो इलेक्ट्रॉनों के मामले में) "उधार" लेती है। उदाहरण के लिए, यूरेनियम 92यू में, मैडेलंग नियम के अनुसार, 5एफ उपकोशिका (एन + = 5 + 3 = 8) 6डी उपकोशिका (एन + = 6 + 2 = 8) से पहले कब्जा कर लिया जाता है। नियम तब इलेक्ट्रॉन विन्यास की भविष्यवाणी करता है जहाँ [Rn] रेडॉन के विन्यास को दर्शाता है, जो पूर्ववर्ती उत्कृष्ट गैस है। हालाँकि, यूरेनियम परमाणु का मापा गया इलेक्ट्रॉन विन्यास है। ये सभी अपवाद रसायन विज्ञान के लिए बहुत प्रासंगिक नहीं हैं, क्योंकि ऊर्जा अंतर काफी कम हैं और पास के परमाणु की उपस्थिति पसंदीदा विन्यास को बदल सकती है। आवर्त सारणी उन्हें अनदेखा करती है और आदर्श विन्यास का पालन करती है। वे अंतर-विद्युत प्रतिकर्षण प्रभावों के परिणामस्वरूप होते हैं; जब परमाणु सकारात्मक रूप से आयनित होते हैं, तो अधिकांश विसंगतियां गायब हो जाती हैं। उपरोक्त अपवादों को केवल तत्व 120 तक होने की भविष्यवाणी की गई है, जहां 8s खोल पूरा हो जाता है। तत्व 121, जी-ब्लॉक को शुरू करते हुए, एक अपवाद होना चाहिए जिसमें अपेक्षित 5 जी इलेक्ट्रॉन को 8 पी (लॉरेंशियम के समान) में स्थानांतरित किया जाता है। इसके बाद, स्रोत अनुमानित विन्यास पर सहमत नहीं हैं, लेकिन बहुत मजबूत सापेक्षवादी प्रभावों के कारण कई और तत्व होने की उम्मीद नहीं है जो मैडेलुंग के नियम से अपेक्षित विन्यास को 120 से परे दिखाते हैं। सामान्य विचार यह है कि दो 8s तत्वों के बाद, 5g, उसके बाद 6f, उसके बाद 7d और फिर 8p की रासायनिक गतिविधि के क्षेत्र आते हैं, हालांकि ज्यादातर सच प्रतीत होते हैं, सिवाय इसके कि सापेक्षता 8p खोल को एक स्थिर भाग (8p1/2, जो 8s के साथ एक अतिरिक्त आवरण खोल की तरह काम करता है और धीरे-धीरे 5g और 6f श्रृंखला में कोर में डूब जाता है) और एक अस्थिर भाग (8p3/2, जिसमें लगभग 9p1/2 के समान ऊर्जा होती है), और यह कि 8s खोल 9s खोल द्वारा प्रतिस्थापित हो जाता है जो 7d तत्वों के लिए आवरण एस-खोल के रूप में होता है। इतिहास नए क्वांटम सिद्धांत में औफबाऊ सिद्धांत सिद्धांत का नाम एक वैज्ञानिक के नाम पर रखे जाने के बजाय जर्मन, "निर्माण सिद्धांत" से लिया गया है। इसे 1920 के दशक की शुरुआत में नील्स बोहर और वोल्फगैंग पाउली द्वारा तैयार किया गया था। यह इलेक्ट्रॉनों के गुणों के लिए क्वांटम यांत्रिकी का एक प्रारंभिक अनुप्रयोग था और भौतिक शब्दों में रासायनिक गुणों को समझाया गया था। प्रत्येक जोड़ा गया इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिक के सकारात्मक आवेश और नाभिक से बंधे अन्य इलेक्ट्रॉनों के नकारात्मक आवेश द्वारा बनाए गए विद्युत क्षेत्र के अधीन होता है। यद्यपि हाइड्रोजन में समान प्रमुख क्वांटम संख्या n वाले उपकोशों के बीच कोई ऊर्जा अंतर नहीं है, यह अन्य परमाणुओं के बाहरी इलेक्ट्रॉनों के लिए सच नहीं है। क्वांटम यांत्रिकी से पहले के पुराने क्वांटम सिद्धांत में, इलेक्ट्रॉनों को शास्त्रीय अण्डाकार कक्षाओं पर कब्जा करना चाहिए था। उच्चतम कोणीय संवेग वाली कक्षाएं आंतरिक इलेक्ट्रॉनों के बाहर 'गोलाकार कक्षाएं' होती हैं, लेकिन कम कोणीय संवेग (एस-और पी-सबशेल) वाली कक्षाओं में उच्च उपकोश उत्केन्द्रता होती है, ताकि वे नाभिक के करीब आ जाएं और औसतन कम प्रबल परमाणु आवेश महसूस करें। एन + ऊर्जा क्रम नियम एक आवर्त सारणी जिसमें प्रत्येक पंक्ति एन + के एक मान से मेल खाती है (जहां एन के मान और क्रमशः प्रमुख और अजीमुथल क्वांटम संख्याओं से मेल खाते हैं) 1928 में चार्ल्स जेनेट द्वारा सुझाए गए थे, और 1930 में उन्होंने परमाणु स्पेक्ट्रा के विश्लेषण द्वारा निर्धारित परमाणु जमीनी अवस्थाओं के ज्ञान के आधार पर इस पैटर्न के क्वांटम आधार को स्पष्ट किया। इस टेबल को लेफ्ट-स्टेप टेबल के रूप में जाना जाने लगा। जेनेट ने तत्वों के कुछ वास्तविक एन + मूल्यों को "समायोजित" किया, क्योंकि वे उनके ऊर्जा क्रम नियम के अनुरूप नहीं थे, और उनका मानना था कि इसमें शामिल विसंगतियां माप त्रुटियों से उत्पन्न हुई होंगी। जैसा कि होता है, वास्तविक मान सही थे और एन + ऊर्जा क्रम नियम एक सही फिट के बजाय एक अनुमान निकला, हालांकि सभी तत्वों के लिए जो अपवाद हैं, नियमित विन्यास एक कम ऊर्जा उत्तेजित अवस्था है, जो रासायनिक बंधन ऊर्जा की पहुंच के भीतर है। 1936 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी इरविन मैडेलुंग ने इसे परमाणु उपकोशों को भरने के क्रम के लिए एक अनुभवजन्य नियम के रूप में प्रस्तावित किया, और इसलिए अधिकांश अंग्रेजी भाषा के स्रोत मैडेलुंग नियम का उल्लेख करते हैं। मदेलुंग को इस पैटर्न के बारे में 1926 से पता था। रूसी-अमेरिकी इंजीनियर व्लादिमीर कारापेटॉफ 1930 में इस नियम को प्रकाशित करने वाले पहले व्यक्ति थे, हालांकि जेनेट ने भी उसी वर्ष इसका एक चित्रण प्रकाशित किया था। 1945 में, अमेरिकी रसायनशास्त्री विलियम विस्वेसर ने प्रस्ताव दिया कि उपकोश को फलन के बढ़ते मूल्यों के क्रम में भरा जाता है यह सूत्र मैडेलंग नियम के पहले और दूसरे दोनों भागों की सही भविष्यवाणी करता है (दूसरा भाग यह है कि n + के समान मूल्य वाले दो उपकोशों के लिए, n के छोटे मूल्य वाला पहले भरता है)। विजवेसर ने इस सूत्र के लिए कोणीय और रेडियल नोड्स दोनों के पैटर्न के आधार पर तर्क दिया, इस अवधारणा को अब कक्षीय प्रवेश के रूप में जाना जाता है, और संयोजकता कक्षों पर कोर इलेक्ट्रॉनों का प्रभाव। 1961 में रूसी कृषि रसायनज्ञ वी. एम. क्लेचकोव्स्की ने परमाणु के थॉमस-फर्मी मॉडल के आधार पर योग n + के महत्व के लिए एक सैद्धांतिक व्याख्या का प्रस्ताव रखा। इसलिए कई फ्रांसीसी और रूसी भाषा के स्रोत क्लेचकोव्स्की शासन का उल्लेख करते हैं। पूर्ण मदेलुंग शासन 1971 में यूरी एन. डेमकोव और वैलेन्टिन एन. ओस्ट्रोव्स्की द्वारा एक समान क्षमता से प्राप्त किया गया था। वे क्षमता पर विचार करते हैं जहाँ और स्थिर मापदंड हैं; यह छोटे के लिए एक कूलम्ब क्षमता तक पहुँचता है। जब स्थिति संतुष्ट होती है, जहां, इस क्षमता के लिए श्रोडिंगर समीकरण के शून्य-ऊर्जा समाधान को गेगेनबॉयर बहुपदों के साथ विश्लेषणात्मक रूप से वर्णित किया जा सकता है। जैसे-जैसे इन मूल्यों में से प्रत्येक से गुजरता है, उस मूल्य के साथ सभी अवस्थाओं वाला एक मैनिफोल्ड शून्य ऊर्जा पर उत्पन्न होता है और फिर मैडेलंग क्रम को पुनर्प्राप्त करते हुए बाध्य हो जाता है। विक्षोभ-सिद्धांत संबंधी विचारों से पता चलता है कि छोटे राज्यों में कम ऊर्जा होती है, और एस-ऑर्बिटल्स (के साथ) में उनकी ऊर्जाएँ अगले समूह तक पहुँचती हैं। हाल के वर्षों में यह ध्यान दिया गया है कि तटस्थ परमाणुओं में उपकोशों को भरने का क्रम हमेशा किसी दिए गए परमाणु के लिए इलेक्ट्रॉनों को जोड़ने या हटाने के क्रम के अनुरूप नहीं होता है। उदाहरण के लिए, आवर्त सारणी की चौथी पंक्ति में, मैडेलंग नियम इंगित करता है कि 4s उपकोश 3d से पहले कब्जा कर लिया गया है। इसलिए, K के लिए तटस्थ परमाणु ग्राउंड स्टेट कॉन्फ़िगरेशन है, Ca है, SC है और इसी तरह। हालाँकि, यदि एक स्कैंडियम परमाणु को इलेक्ट्रॉनों (केवल) को हटाकर आयनित किया जाता है, तो विन्यास भिन्न होते हैंः एससी है, एससी + है, और एससी2 + है। उपकोश ऊर्जा और उनका क्रम परमाणु आवेश पर निर्भर करता है; 4s 19 प्रोटॉन के साथ K में मैडेलुंग नियम के अनुसार 3d से कम है, लेकिन 21 प्रोटॉन के साथ SC2 + में 3d कम है। इस दृष्टिकोण का समर्थन करने के लिए पर्याप्त प्रयोगात्मक साक्ष्य होने के अलावा, यह इस और अन्य संक्रमण धातुओं में इलेक्ट्रॉनों के आयनीकरण के क्रम की व्याख्या को अधिक बोधगम्य बनाता है, यह देखते हुए कि 4s इलेक्ट्रॉन हमेशा अधिमानतः आयनीकृत होते हैं। आम तौर पर मैडेलंग नियम का उपयोग केवल तटस्थ परमाणुओं के लिए किया जाना चाहिए; हालाँकि, तटस्थ परमाणुओं के लिए भी डी-ब्लॉक और एफ-ब्लॉक (जैसा कि ऊपर दिखाया गया है) में अपवाद हैं। वैलेंस इलेक्ट्रॉन आयनीकरण ऊर्जा संदर्भ भी देखें आगे पढ़ने वाली छविः बोयेन्स को भरने वाले खोल के क्रम को समझना, जे. सी. ए.: पहले सिद्धांतों से रसायन विज्ञान। बर्लिनः स्प्रिंगर साइंस 2008, बाहरी लिंक इलेक्ट्रॉन कॉन्फ़िगरेशन, औफ़बाउ सिद्धांत, डिजनरेट ऑर्बिटल्स, और पर्ड्यू विश्वविद्यालय इलेक्ट्रॉन से हंड्स नियम बुनियादी क्वांटम भौतिकी रासायनिक बंधन बताता है