Что такое правило Хунда или принцип максимальной множественности?



Правило Хунда или принцип максимальной кратности эмпирически устанавливает, как вырожденные орбитальные электроны должны занимать энергию. Это правило, как указывает его единственное название, пришло от немецкого физика Фридриха Хунда в 1927 году, и с тех пор оно стало очень полезным в квантовой и спектроскопической химии..

Есть действительно три правила Хунда, применяемые в квантовой химии; тем не менее, первый является самым простым для базового понимания того, как электронно структурировать атом. 

Первое правило Хунда, максимальное из множества, важно для понимания электронных конфигураций элементов; устанавливает, каким должен быть порядок электронов на орбиталях, чтобы генерировать атом (ион или молекулу) большей стабильности.

Например, четыре серии электронных конфигураций показаны на верхнем изображении; прямоугольники представляют орбитали, а черные стрелки - электроны.

Первая и третья серии соответствуют правильным способам упорядочения электронов, а вторая и четвертая серии показывают, как электроны не должны размещаться на орбиталях..

индекс

  • 1 Порядок заполнения орбиталей по правилу Хунда
    • 1.1 Спаривание спинов
    • 1.2 Параллельные и антипараллельные спины
  • 2 Кратность
  • 3 упражнения
    • 3.1 Фтор
    • 3.2 Титан
    • 3.3 Железо
  • 4 Ссылки

Порядок заполнения орбиталей по правилу Хунда

Хотя не упоминается о двух других правилах Хунда, при правильном выполнении порядка заполнения подразумевается одновременное применение этих трех правил одновременно..

Что общего между первой и третьей сериями орбиталей на изображении? Почему они правы? Начнем с того, что каждая орбита может «удерживать» только два электрона, поэтому первый ящик завершен. Поэтому заполнение должно продолжаться с тремя прямоугольниками или орбиталями справа.

Спиновое соединение

Каждая коробка первой серии имеет стрелку, указывающую вверх, которая символизирует три электрона со спинами в одном направлении. Направление вверх означает, что его спины имеют значение +1/2, а если они направлены вниз, их спины будут иметь значения -1/2..

Обратите внимание, что три электрона занимают разные орбитали, но с непарные спины.

В третьей серии шестой электрон расположен со спином в противоположном направлении, -1/2. Это не относится к четвертой серии, где этот электрон входит в орбиталь со спином +1/2.

Итак, два электрона, подобно электронам первой орбитали, будут иметь свои парные спины (один со спином +1/2 и один со спином -1/2).

Четвертая серия ящиков или орбиталей нарушает принцип исключения Паули, согласно которому ни один электрон не может иметь одинаковые четыре квантовых числа. Правило Хунда и принцип исключения Паули всегда идут рука об руку.

Поэтому стрелки должны быть расположены таким образом, чтобы они оставались распакованными до тех пор, пока не займут все коробки; и затем они заканчивают заполняться стрелками, указывающими в противоположном направлении.

Параллельные и антипараллельные спины

Недостаточно, чтобы спины электронов были спарены: они также должны быть параллельными. Это в представлении прямоугольников и стрелок гарантируется размещением последних так, чтобы их концы были параллельны друг другу.

Вторая серия представляет ошибку, что электрон в третьем боксе встречает свой антипараллельный спин относительно других.

Таким образом, можно резюмировать, что фундаментальное состояние атома является тем, которое подчиняется правилам Хунда, и, следовательно, имеет наиболее устойчивую электронную структуру.

Теоретическая и экспериментальная основа утверждает, что, когда атом имеет электроны с большим количеством неспаренных и параллельных спинов, он стабилизируется в результате увеличения электростатических взаимодействий между ядром и электронами; увеличение, что связано с уменьшением экранирующего эффекта.

множественность

Слово «множественность» упоминалось в начале, но что это значит в этом контексте? Первое правило Хунда гласит, что наиболее стабильным основным состоянием для атома является то, которое имеет наибольшее число спиновых множественностей; другими словами, тот, который представляет свои орбитали с наибольшим числом неспаренных электронов.

Формула для расчета кратности вращения

2S + 1

Где S равно числу неспаренных электронов, умноженному на 1/2. Таким образом, имея несколько электронных структур с одинаковым количеством электронов, 2S + 1 можно оценить для каждого, и что с наибольшим значением кратности будет наиболее стабильным.

Кратность спина можно рассчитать для первой серии орбиталей с тремя электронами с их неспаренными и параллельными спинами:

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

И множественность тогда

2 (3/2) + 1 = 4

Это первое правило Хунда. Наиболее стабильная конфигурация также должна соответствовать другим параметрам, но для целей химического понимания не совсем необходимы.

обучение

плавиковый шпат

Рассматривается только валентный слой, поскольку предполагается, что внутренний слой уже заполнен электронами. Электронная конфигурация фтора поэтому [He] 2s22р5.

Вы должны сначала заполнить орбиту 2 с, а затем три орбитали р. Для заполнения 2s-орбитали двумя электронами достаточно разместить их таким образом, чтобы их спины были спарены.

Остальные пять электронов для трех 2p-орбиталей расположены, как показано ниже

Красная стрелка представляет последний электрон, который заполняет орбитали. Обратите внимание, что первые три электрона, которые входят в 2p-орбитали, расположены непарно и их спины параллельны.

Затем, начиная с четвертого электрона, он начинает спаривать свой спин -1/2 с другим электроном. Пятый и последний электрон поступает так же.

титан

Электронная конфигурация титана - [Ar] 3d24s2. Поскольку существует пять d орбиталей, рекомендуется начинать с левой стороны:

На этот раз было показано заполнение орбиты 4s. Поскольку на 3-х орбиталях есть только два электрона, практически нет проблем или путаницы при размещении их с непарными и параллельными спинами (синие стрелки).

железо

Другим примером, и наконец, является железо, металл, который имеет больше электронов на своих орбиталях, чем титан. Его электронная конфигурация [Ar] 3d64s2.

Если бы не правило Хунда и принцип исключения Паули, не было бы известно, как распорядиться такими шестью электронами на его пяти орбиталях..

Хотя это может показаться простым, без этих правил может возникнуть много неправильных возможностей в отношении порядка заполнения орбиталей..

Благодаря этому, это логично и однообразно продвижение золотой стрелки, которая не больше, чем последний электрон, который находится на орбитали.

ссылки

  1. Serway & Jewett. (2009). Физика: для науки и техники с современной физикой. Том 2. (Седьмое издание). Cengage Learning.
  2. Glasstone. (1970). Учебник физической химии. в Химическая кинетика. Второе издание. Д. Ван Ностранд, Компания, Inc.
  3. Мендес А. (21 марта 2012 г.). Правило Хунда. Получено с: quimica.laguia2000.com
  4. Wikipedia. (2018). Правило Хунда о максимальной кратности. Получено с: en.wikipedia.org
  5. Химия LibreTexts. (23 августа 2017 г.) Правила Хунда Получено от: chem.libretexts.org
  6. Корабль Р. (2016). Правила Хунда Получено от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu