Що таке правило Гунда або принцип максимальної кратності?



The Правило Гунда або принцип максимальної кратності емпірично встановлює, як вироджені орбітальні електрони повинні займати енергію. Це правило, як свідчить єдине його ім'я, походить від німецького фізика Фрідріха Хунда в 1927 році, і з тих пір він був дуже корисним у квантовій та спектроскопічній хімії..

Існують три правила Гунда, що застосовуються в квантовій хімії; однак, перша найпростіша для базового розуміння того, як електронно структурувати атом. 

Перше правило Хунда, тобто максимальної кратності, має важливе значення для розуміння електронних конфігурацій елементів; встановлює порядок електронів в орбіталях, щоб генерувати атом (іон або молекулу) більшої стабільності.

Наприклад, на верхньому зображенні показані чотири серії електронних конфігурацій; коробки являють собою орбіталі, а чорні стрілки - електрони.

Перша і третя серії відповідають правильним способам упорядкування електронів, тоді як друга і четверта серії вказують, яким чином електрони не повинні розміщуватися в орбіталях..

Індекс

  • 1 Порядок заповнення орбіталей за правилом Гунда
    • 1.1 Спаривання спинів
    • 1.2 Паралельні та антипаралельні спини
  • 2 Кратність
  • 3 Вправи
    • 3.1 Фтор
    • 3.2 Титан
    • 3.3 Залізо
  • 4 Посилання

Порядок заповнення орбіталей за правилом Гунда

Хоча інші два правила Хунда не згадуються, при правильному виконанні порядку заповнення імпліцитно застосовуються ці три правила одночасно.

Що спільного в першому і третьому рядах орбіталей у зображенні? Чому вони правильні? Почнемо з того, що кожна орбітальна здатна тільки «утримувати» два електрони, тому перша коробка завершена. Тому заповнення повинно тривати з трьома коробками або орбіталями праворуч.

Спінне спарювання

Кожна коробка першої серії має стрілку вгору, яка символізує три електрони зі спинами одного напрямку. При наведенні вгору це означає, що його спини мають значення +1/2, а якщо вони вказують вниз, то їхні спини матимуть значення -1/2.

Зауважимо, що три електрона займають різні орбіталі, але з непарні спини.

У третьому ряду шостий електрон розташовується зі спином в протилежному напрямку, -1/2. Це не так для четвертої серії, де цей електрон входить в орбіталь зі спином +1/2.

Отже, два електрони, як і у першої орбіти, будуть мати свої парні спини (один зі спином +1/2 та одним зі спіном -1/2).

Четверта серія коробок або орбіталей порушує принцип виключення Паулі, який говорить про те, що жоден електрон не може мати однакові чотири квантові числа. Правило Хунда і принцип виключення Паулі завжди йдуть рука об руку.

Отже, стрілки повинні бути розміщені таким чином, щоб вони залишалися без упаковки, поки вони не займуть усі ящики; Потім вони закінчують наповнення стрілками, що вказують в протилежному напрямку.

Паралельні та антипаралельні спини

Мало того, що електрони мають свої спини: вони також повинні бути паралельними. Це у поданні коробок і стрілок гарантується розміщенням останнього з їх кінцями паралельними один одному.

Друга серія представляє помилку, що електрон у третьому ящику зустрічається зі своїм спіральним антипаралелем щодо інших.

Таким чином, можна підсумувати, що фундаментальний стан атома - це той, що підкоряється правилам Хунда, і тому має найстабільнішу електронну структуру..

Теоретична і експериментальна основа стверджує, що коли у атома є електрони з більшим числом неспарених і паралельних спинів, він стабілізується в результаті збільшення електростатичних взаємодій між ядром і електронами; збільшення, що відбувається внаслідок зменшення екрануючого ефекту.

Кратність

Слово «множинність» згадувалося на початку, але що це означає в цьому контексті? Перше правило Хунда стверджує, що найбільш стабільним основним станом для атома є те, що має найбільшу кількість кратностей спина; інакше кажучи, той, який представляє свої орбіталі з найбільшою кількістю непарних електронів.

Формула для обчислення кратності спина

2S + 1

Де S дорівнює числу непарних електронів, помножених на 1/2. Таким чином, наявність декількох електронних структур з однаковим числом електронів, 2S + 1 може бути оцінений для кожного з них і що з найбільшим значенням кратності буде найбільш стабільним.

Множинність спина може бути розрахована для першої серії орбіталей з трьома електронами з їх неспареними та паралельними спінами:

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

А кратність тоді є

2 (3/2) + 1 = 4

Це перше правило Гунда. Найбільш стабільна конфігурація також повинна відповідати іншим параметрам, але для цілей хімічного розуміння це не зовсім необхідно.

Вправи

Фтор

Розглянуто тільки валентний шар, оскільки передбачається, що внутрішній шар вже заповнений електронами. Таким чином, електронна конфігурація фтору [He] 2s22p5.

Спочатку потрібно заповнити орбіталь 2s, а потім три орбіталі. Для заповнення орбіти 2s двома електронами достатньо розмістити їх таким чином, що їхні спини спарені.

Інші п'ять електронів для трьох орбіталей 2p розташовані, як показано нижче

Червона стрілка являє собою останній електрон, який заповнює орбіталі. Зауважимо, що перші три електрона, що входять в 2p-орбіталі, розміщені неспареними і паралельними до їх спинів.

Далі, починаючи від четвертого електрона, вона починає об'єднувати свій спин -1/2 з іншим електроном. П'ятий і останній електрон проходять таким же чином.

Титан

Електронна конфігурація титану - [Ar] 3d24s2. Оскільки існує п'ять орбіталей d, пропонується почати з лівого боку:

Цього разу було показано заповнення орбіти 4s. Оскільки в 3d-орбіталі є тільки два електрони, то майже не виникає жодних проблем або плутанини при розміщенні їх зі своїми непарними і паралельними спинами (синіми стрілками)..

Залізо

Іншим прикладом і, нарешті, є залізо, метал, що має більше електронів у своїх орбіталях, ніж титан. Його електронна конфігурація [Ar] 3d64s2.

Якби не було правила Гунда і принципу виключення Паулі, не було б відомо, як утилізувати такі шість електронів у п'яти орбіталях..

Хоча це може здатися легким, без цих правил можуть виникнути багато неправильних можливостей щодо порядку заповнення орбіталей.

Завдяки цьому, логічно і монотонно випереджає золоту стрілу, яка не більше, ніж останній електрон, що поміщений в орбіталі \ t.

Список літератури

  1. Serway & Jewett. (2009). Фізика: для науки і техніки з сучасною фізикою. Том 2. (Сьоме видання). Навчання Cengage.
  2. Glasstone. (1970). Підручник з фізичної хімії. В Хімічна кінетика. Друге видання. D. Van Nostrand, Company, Inc..
  3. Мендес А. (21 березня 2012 року). Правило Хунда. Отримано з: quimica.laguia2000.com
  4. Вікіпедія. (2018). Правило Гунда максимальної кратності. Отримано з: en.wikipedia.org
  5. Хімія LibreTexts. (23 серпня 2017 року). Правила Хунда Отримано з: chem.libretexts.org
  6. Корабель Р. (2016). Правила Хунда Отримано з: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu