Jaka jest reguła Hunda lub zasada maksymalnej wielokrotności?



The Zasada Hunda lub zasada maksymalnej krotności ustala empirycznie, jak zdegenerowane elektrony orbitalne muszą zajmować energię. Ta reguła, jak wskazuje jej jedyna nazwa, pochodzi od niemieckiego fizyka Friedricha Hunda z 1927 r. I od tego czasu jest bardzo przydatna w chemii kwantowej i spektroskopowej.

Istnieją naprawdę trzy reguły Hunda stosowane w chemii kwantowej; jednak pierwszy z nich jest najprostszy do podstawowego zrozumienia, jak elektronicznie zbudować atom. 

Pierwsza zasada Hunda, dotycząca maksymalnej wielokrotności, jest niezbędna do zrozumienia elektronicznych konfiguracji elementów; ustala, jaka musi być kolejność elektronów w orbitali, aby wygenerować atom (jon lub cząsteczkę) o większej stabilności.

Na przykład cztery serie konfiguracji elektronicznych są pokazane na górnym obrazie; pola reprezentują orbitale, a czarne strzały elektrony.

Pierwsza i trzecia seria odpowiadają prawidłowym sposobom porządkowania elektronów, podczas gdy druga i czwarta seria wskazują, w jaki sposób elektrony nie powinny być umieszczane w orbitali.

Indeks

  • 1 Kolejność wypełniania orbitali zgodnie z regułą Hunda
    • 1.1 Kojarzenie spinów
    • 1.2 Równoległe i antyrównoległe obroty
  • 2 Wielość
  • 3 ćwiczenia
    • 3.1 Fluor
    • 3.2 Tytan
    • 3.3 Żelazo
  • 4 odniesienia

Kolejność wypełniania orbitali zgodnie z regułą Hunda

Chociaż nie ma żadnej wzmianki o pozostałych dwóch regułach Hund, prawidłowe wykonanie kolejności wypełniania niejawnie stosuje te trzy zasady jednocześnie.

Co łączy pierwszą i trzecią serię orbitali na obrazie? Dlaczego są poprawne? Po pierwsze, każdy orbital może „trzymać” tylko dwa elektrony, dlatego pierwsze pole jest kompletne. Wypełnienie musi więc być kontynuowane za pomocą trzech pól lub orbitali po prawej stronie.

Parowanie spinowe

Każde pudełko pierwszej serii ma strzałkę skierowaną do góry, która symbolizuje trzy elektrony z spinami o tym samym kierunku. Przy wskazywaniu w górę oznacza to, że jego obroty mają wartość +1/2, a jeśli wskażą, ich obroty będą miały wartości -1/2.

Zauważ, że trzy elektrony zajmują różne orbitale, ale z niesparowane obroty.

W trzeciej serii szósty elektron znajduje się z wirowaniem w przeciwnym kierunku, -1/2. Nie dotyczy to czwartej serii, w której ten elektron wchodzi w orbitę z wirowaniem +1/2.

I tak dwa elektrony, podobnie jak te z pierwszego orbitalu, będą miały swoje spiny sparowane (jeden ze spinem +1/2 i jeden ze spinem -1/2).

Czwarta seria skrzynek lub orbitali narusza zasadę wykluczenia Pauliego, która stwierdza, że ​​żaden elektron nie może mieć tych samych czterech liczb kwantowych. Rządy Hund i zasada wykluczenia Pauliego zawsze idą w parze.

Dlatego strzałki muszą być umieszczone w taki sposób, aby pozostały rozpakowane, dopóki nie zajmą wszystkich skrzynek; a potem kończą napełnianie strzałkami skierowanymi w przeciwnym kierunku.

Równoległe i antyrównoległe obroty

Nie wystarczy, że elektrony mają spiny sparowane: muszą też być równoległe. To w reprezentacji pudełek i strzałek jest zagwarantowane przez umieszczenie tych ostatnich z końcami równoległymi do siebie.

Druga seria przedstawia błąd polegający na tym, że elektron w trzeciej skrzynce napotyka przeciwrównoległość wirowania względem pozostałych.

Tak więc można podsumować, że podstawowy stan atomu jest taki, który przestrzega zasad Hund, a zatem ma najbardziej stabilną strukturę elektroniczną.

Podstawa teoretyczna i eksperymentalna stwierdza, że ​​gdy atom ma elektrony o większej liczbie niesparowanych i równoległych spinów, stabilizuje się w wyniku wzrostu oddziaływań elektrostatycznych między jądrem a elektronami; wzrost wynikający ze zmniejszenia efektu ekranowania.

Wielość

Słowo „różnorodność” zostało wspomniane na początku, ale co to znaczy w tym kontekście? Pierwsza reguła Hunda stwierdza, że ​​najbardziej stabilnym stanem gruntu dla atomu jest ten, który ma największą liczbę krotności spinów; innymi słowy, ten, który przedstawia swoje orbitale z największą liczbą niesparowanych elektronów.

Wzór na obliczenie wielości spinu wynosi

2S + 1

Gdzie S jest równe liczbie niesparowanych elektronów pomnożonej przez 1/2. Zatem, mając kilka struktur elektronicznych o tej samej liczbie elektronów, 2S + 1 można oszacować dla każdego z nich, a przy najwyższej wartości krotności będzie najbardziej stabilny.

Wielość spinu można obliczyć dla pierwszej serii orbitali z trzema elektronami z ich niesparowanymi i równoległymi spinami:

S = 3 (1/2) = 3/2

I tak jest wielość

2 (3/2) + 1 = 4

To pierwsza zasada Hunda. Najbardziej stabilna konfiguracja musi również spełniać inne parametry, ale dla celów zrozumienia chemicznego nie są całkowicie konieczne.

Ćwiczenia

Fluor

Uwzględniona jest tylko warstwa walencyjna, ponieważ zakłada się, że warstwa wewnętrzna jest już wypełniona elektronami. Elektroniczna konfiguracja fluoru wynosi zatem [He] 2s22p5.

Musisz najpierw wypełnić orbitę 2s, a następnie trzy orbitale p. Do wypełnienia orbity 2s dwoma elektronami wystarczy umieścić je w taki sposób, aby ich spiny były sparowane.

Pozostałe pięć elektronów dla trzech orbitali 2p jest rozmieszczonych w sposób pokazany poniżej

Czerwona strzałka reprezentuje ostatni elektron, który wypełnia orbitale. Zauważ, że pierwsze trzy elektrony, które wchodzą w orbitale 2p, są umieszczone bez pary i ze swoimi spinami równoległymi.

Następnie z czwartego elektronu zaczyna dobierać swój spin -1/2 do drugiego elektronu. Piąty i ostatni elektron postępuje w ten sam sposób.

Tytan

Elektroniczna konfiguracja tytanu to [Ar] 3d24s2. Ponieważ istnieje pięć orbitali d, sugeruje się rozpoczęcie od lewej strony:

Tym razem pokazano wypełnienie orbitalu 4s. Ponieważ w orbitale 3d są tylko dwa elektrony, nie ma prawie żadnego problemu ani zamieszania podczas umieszczania ich z niesparowanymi i równoległymi spinami (niebieskie strzałki).

Żelazo

Innym przykładem i wreszcie jest żelazo, metal, który ma więcej elektronów w orbitali niż tytan. Jego konfiguracja elektroniczna to [Ar] 3d64s2.

Gdyby nie reguła Hunda i zasada wykluczenia Pauliego, nie byłoby wiadomo, jak pozbyć się takich sześciu elektronów w pięciu orbitali..

Chociaż może się to wydawać łatwe, bez tych reguł może powstać wiele złych możliwości w odniesieniu do kolejności wypełniania orbitali.

Dzięki nim logiczne i monotonne jest przesuwanie się złotej strzałki, która nie jest większa niż ostatni elektron umieszczony w orbitali.

Referencje

  1. Serway & Jewett. (2009). Fizyka: dla nauki i inżynierii z nowoczesną fizyką. Tom 2. (wydanie siódme). Nauka Cengage.
  2. Glasstone. (1970). Podręcznik chemii fizycznej. W Kinetyka chemiczna. Druga edycja. D. Van Nostrand, Company, Inc.
  3. Méndez A. (21 marca 2012 r.). Reguła Hunda. Źródło: quimica.laguia2000.com
  4. Wikipedia. (2018). Zasada Hunda maksymalnej wielokrotności. Źródło: en.wikipedia.org
  5. Chemia LibreTexts. (23 sierpnia 2017). Zasady Hunda Źródło: chem.libretexts.org
  6. Statek R. (2016). Zasady Hunda Źródło: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu