Ποιος είναι ο Κανόνας Hund ή η αρχή της μέγιστης πολλαπλότητας;

Το Hund κανόνας ή αρχή της μέγιστης πολλαπλότητας καθιερώνει, εμπειρικά, πώς τα εκφυλισμένα τροχιακά ηλεκτρόνια πρέπει να καταλαμβάνουν ενέργεια. Ο κανόνας αυτός, όπως υποδηλώνει μόνο το όνομά του, ήρθε από το Γερμανό φυσικό Friedrich Hund το 1927 και από τότε ήταν πολύ χρήσιμο στην κβαντική χημικές και φασματοσκοπικές.

Υπάρχουν πραγματικά τρεις κανόνες του Hund που εφαρμόζονται στην κβαντική χημεία. Ωστόσο, το πρώτο είναι το απλούστερο για τη βασική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο θα δομηθεί ηλεκτρονικά ένα άτομο. 

Ο πρώτος κανόνας του Hund, αυτός της μέγιστης πολλαπλότητας, είναι απαραίτητος για την κατανόηση των ηλεκτρονικών συνθέσεων των στοιχείων. καθορίζει ποια είναι η τάξη των ηλεκτρονίων στα τροχιακά, για να δημιουργηθεί ένα άτομο (ιόν ή μόριο) μεγαλύτερης σταθερότητας.

Για παράδειγμα, τέσσερις σειρές ηλεκτρονικών διαμορφώσεων εμφανίζονται στην πάνω εικόνα. τα κουτιά αντιπροσωπεύουν τα τροχιακά και τα μαύρα βέλη τα ηλεκτρόνια.

Η πρώτη και η τρίτη σειρά αντιστοιχούν στους σωστούς τρόπους παραγγελίας των ηλεκτρονίων, ενώ η δεύτερη και η τέταρτη σειρά δείχνουν πως τα ηλεκτρόνια δεν πρέπει να τοποθετούνται στα τροχιακά.

Ευρετήριο

• 1 Σειρά γεμίσματος των τροχιακών σύμφωνα με τον κανόνα Hund
  • 1.1 Ζευγαρώματα περιστροφών
  • 1.2 Παράλληλες και αντιπαράλληλες περιστροφές
• 2 Πολλαπλότητα
• 3 Ασκήσεις
  • 3.1 Φθόριο
  • 3.2 Τιτάνιο
  • 3.3 Σίδερο
• 4 Αναφορές

Διάταξη γεμίσματος των τροχιακών σύμφωνα με τον κανόνα Hund

Παρόλο που δεν γίνεται καμία αναφορά στους άλλους δύο κανόνες του Hund, η σωστή εκτέλεση της σειράς πλήρωσης εφαρμόζει σιωπηρά αυτούς τους τρεις κανόνες ταυτόχρονα.

Τι κοινά έχουν η πρώτη και η τρίτη σειρά τροχιακών στην εικόνα; Γιατί είναι σωστά; Αρχικά, κάθε τροχιά μπορεί να "κρατήσει" μόνο δύο ηλεκτρόνια, γι 'αυτό το πρώτο κιβώτιο έχει ολοκληρωθεί. Επομένως, η πλήρωση πρέπει να συνεχίσει με τα τρία κουτιά ή τα τροχιακά στα δεξιά.

Περιστροφή ζευγαρώματος

Κάθε κιβώτιο της πρώτης σειράς έχει ένα βέλος προς τα πάνω, το οποίο συμβολίζει τρία ηλεκτρόνια με περιστροφές της ίδιας κατεύθυνσης. Όταν δείχνει προς τα πάνω, σημαίνει ότι οι περιστροφές του έχουν τιμή +1/2, και αν δείχνουν προς τα κάτω, οι περιστροφές τους θα έχουν τιμές -1/2.

Σημειώστε ότι τα τρία ηλεκτρόνια καταλαμβάνουν διαφορετικές τροχιές, αλλά με μη συζευγμένες περιστροφές.

Στην τρίτη σειρά, το έκτο ηλεκτρόνιο βρίσκεται με περιστροφή προς την αντίθετη κατεύθυνση, -1/2. Αυτό δεν ισχύει για την τέταρτη σειρά, όπου αυτό το ηλεκτρόνιο εισέρχεται στο τροχιακό με περιστροφή +1/2.

Και έτσι, τα δύο ηλεκτρόνια, όπως αυτά του πρώτου τροχιακού, θα έχουν τους ζευγαρωμένες περιστροφές (ένα με περιστροφή +1/2 και ένα με περιστροφή -1/2).

Η τέταρτη σειρά κουτιών ή τροχιακών παραβιάζει την αρχή αποκλεισμού του Pauli, σύμφωνα με την οποία κανένα ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να έχει τους ίδιους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς. Ο κανόνας του Hund και η αρχή του αποκλεισμού του Pauli πάνε πάντοτε χέρι-χέρι.

Επομένως, τα βέλη πρέπει να τοποθετηθούν κατά τέτοιο τρόπο ώστε να παραμένουν αποσυσκευασμένα μέχρι να καταλάβουν όλα τα κουτιά. και στη συνέχεια τελειώνουν γεμίζοντας με τα βέλη που δείχνουν προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Παράλληλες και αντιπαράλληλες περιστροφές

Δεν είναι αρκετό τα ηλεκτρόνια να έχουν τις περιστροφές τους ζευγαρωμένα: πρέπει επίσης να είναι παράλληλα. Αυτό στην απεικόνιση των κιβωτίων και των βελών εξασφαλίζεται με την τοποθέτηση του τελευταίου με τα άκρα παράλληλα το ένα με το άλλο.

Η δεύτερη σειρά παρουσιάζει το σφάλμα ότι το ηλεκτρόνιο στο τρίτο κιβώτιο συναντά την περιστροφή του αντιπαράλληλα σε σχέση με τα άλλα.

Έτσι, μπορεί να συνοψιστεί ότι η θεμελιώδης κατάσταση ενός ατόμου είναι εκείνη που υπακούει στους κανόνες του Hund και ως εκ τούτου έχει την πιο σταθερή ηλεκτρονική δομή.

Οι θεωρητικές και πειραματικές καταστάσεις βάση ότι όταν ένα άτομο έχει περισσότερα ηλεκτρόνια με ασύζευκτα περιστροφές και παράλληλες, σταθεροποιημένα μετά από αύξηση σε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ του πυρήνα και τα ηλεκτρόνια? αύξηση που οφείλεται στη μείωση της επίδρασης θωράκισης.

Πολλαπλότητα

Η λέξη «πολλαπλότητα» αναφέρθηκε στην αρχή, αλλά τι σημαίνει αυτό σε αυτό το πλαίσιο; Ο πρώτος κανόνας του Hund δηλώνει ότι η πιο σταθερή κατάσταση εδάφους για ένα άτομο είναι εκείνη που έχει τον μεγαλύτερο αριθμό πολλαπλασιασμού σπιν. με άλλα λόγια, εκείνο που παρουσιάζει τα τροχιακά του με τον μεγαλύτερο αριθμό μη συζευγμένων ηλεκτρονίων.

Ο τύπος για τον υπολογισμό της πολλαπλότητας της περιστροφής είναι

2S + 1

Όπου S είναι ίσο με τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων πολλαπλασιασμένο επί το 1/2. Έτσι, έχοντας αρκετές ηλεκτρονικές δομές με τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων, μπορεί να εκτιμηθεί το 2S + 1 για κάθε μία και ότι με την υψηλότερη τιμή πολλαπλότητας θα είναι η πιο σταθερή.

Η πολλαπλότητα της περιστροφής μπορεί να υπολογιστεί για την πρώτη σειρά τροχιακών με τρία ηλεκτρόνια με τις μη συζευγμένες και παράλληλες στροφές:

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

Και η πολλαπλότητα είναι τότε

2 (3/2) + 1 = 4

Αυτός είναι ο πρώτος κανόνας του Hund. Η πιο σταθερή διαμόρφωση πρέπει επίσης να συμμορφώνεται με άλλες παραμέτρους, αλλά για σκοπούς χημικής κατανόησης δεν είναι απολύτως απαραίτητο.

Ασκήσεις

Φθόριο

Εξετάζεται μόνο το στρώμα σθένους, δεδομένου ότι υποτίθεται ότι η εσωτερική στρώση είναι ήδη γεμάτη με ηλεκτρόνια. Επομένως, η ηλεκτρονική διαμόρφωση του φθορίου είναι [He] 2s²2ρ⁵.

Πρέπει να γεμίσετε πρώτα ένα τροχιακό 2 δευτερολέπτων και στη συνέχεια τρία τροχιακά. Για την πλήρωση της τροχιάς του 2s με τα δύο ηλεκτρόνια αρκεί να τοποθετηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε οι περιστροφές τους να ζευγαρώνονται.

Τα άλλα πέντε ηλεκτρόνια για τα τρία τροχιακά 2p είναι διευθετημένα όπως απεικονίζεται παρακάτω

Το κόκκινο βέλος αντιπροσωπεύει το τελευταίο ηλεκτρόνιο που γεμίζει τα τροχιακά. Σημειώστε ότι τα πρώτα τρία ηλεκτρόνια που εισέρχονται στα τροχιακά 2p τοποθετούνται ανεξάρτητα και με τις περιστροφές τους παράλληλες.

Στη συνέχεια, από το τέταρτο ηλεκτρόνιο, αρχίζει να συνδυάζει την περιστροφή -1/2 με το άλλο ηλεκτρόνιο. Το πέμπτο και το τελευταίο ηλεκτρόνιο προχωρούν με τον ίδιο τρόπο.

Τιτάνιο

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του τιτανίου είναι [Ar] 3d²4s². Δεδομένου ότι υπάρχουν πέντε d orbitals, προτείνεται να ξεκινήσετε από την αριστερή πλευρά:

Αυτή τη φορά παρουσιάστηκε η πλήρωση του τροχιακού 4s. Όπως μόλις δύο ηλεκτρόνια είναι στα 3d τροχιακά, δεν υπάρχει σχεδόν καμία προβλήματα ή σύγχυση κατά την τοποθέτηση ασύζευκτα και παράλληλες περιστροφές τους (μπλε βέλη).

Σίδερο

Ένα άλλο παράδειγμα, και τέλος, είναι ο σίδηρος, μέταλλο που έχει περισσότερα ηλεκτρόνια στα τροχιακά του από τιτάνιο. Η ηλεκτρονική του διαμόρφωση είναι [Ar] 3d⁶4s².

Αν δεν ήταν η κυριαρχία του Hund και η αρχή του αποκλεισμού του Pauli, δεν θα ήταν γνωστό πώς να πετάξουμε τέτοια έξι ηλεκτρόνια στα πέντε τροχιακά του..

Παρόλο που μπορεί να φανεί εύκολο, χωρίς αυτοί οι κανόνες να δημιουργήσουν πολλές λανθασμένες δυνατότητες σε σχέση με τη σειρά πλήρωσης των τροχιακών.

Χάρη σε αυτά, είναι λογικό και μονότονη πορεία του χρυσού βέλους, το οποίο δεν είναι τίποτα περισσότερο από ό, τι το τελευταίο ηλεκτρόνιο να τοποθετηθεί σε τροχιά.

Αναφορές

1. Serway & Jewett. (2009). Φυσική: για την επιστήμη και τη μηχανική με τη σύγχρονη φυσική. Τόμος 2 (έβδομη έκδοση). Εκπαιδευτική εκπαίδευση.
2. Glasstone. (1970). Εγχειρίδιο φυσικής χημείας. Στο Χημική κινητική. Δεύτερη έκδοση. D. Van Nostrand, Company, Inc.
3. Μεντέζ Α. (21 Μαρτίου 2012). H κανόνα του Hund. Ανακτήθηκε από: quimica.laguia2000.com
4. Wikipedia. (2018). Ο κανόνας της Hund για μέγιστη πολλαπλότητα. Ανακτήθηκε από: en.wikipedia.org
5. Χημεία LibreTexts. (23 Αυγούστου 2017). Κανόνες του Hund Ανακτήθηκε από: chem.libretexts.org
6. Πλοίο R. (2016). Κανόνες του Hund Ανακτήθηκε από: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu