Quy tắc Hund hoặc nguyên tắc của bội số tối đa là gì?



các Quy tắc Hund hoặc nguyên tắc của bội số tối đa thiết lập, theo kinh nghiệm, làm thế nào các electron quỹ đạo bị thoái hóa phải chiếm năng lượng. Quy tắc này, như tên duy nhất của nó chỉ ra, xuất phát từ nhà vật lý người Đức Friedrich Hund, vào năm 1927, và kể từ đó nó rất hữu ích trong hóa học lượng tử và quang phổ.

Thực sự có ba quy tắc của Hund được áp dụng trong hóa học lượng tử; tuy nhiên, cách thứ nhất là đơn giản nhất để hiểu cơ bản về cách cấu trúc điện tử nguyên tử. 

Quy tắc đầu tiên của Hund, đó là tính đa bội tối đa, là điều cần thiết để hiểu cấu hình điện tử của các yếu tố; thiết lập thứ tự của các electron trong quỹ đạo phải là gì để tạo ra một nguyên tử (ion hoặc phân tử) có độ ổn định cao hơn.

Ví dụ, bốn loạt cấu hình điện tử được hiển thị trong hình trên; các hộp đại diện cho quỹ đạo và mũi tên đen của các electron.

Sê-ri thứ nhất và thứ ba tương ứng với các cách sắp xếp chính xác các electron, trong khi chuỗi thứ hai và thứ tư chỉ ra cách các electron không nên được đặt trong quỹ đạo.

Chỉ số

  • 1 Thứ tự điền vào quỹ đạo theo quy tắc Hund
    • 1.1 Giao phối của spin
    • 1.2 Quay song song và phản song song
  • Đa bội
  • 3 bài tập
    • 3.1 Flo
    • 3.2 Titan
    • 3.3 Sắt
  • 4 tài liệu tham khảo

Thứ tự điền vào quỹ đạo theo quy tắc Hund

Mặc dù không có đề cập nào được thực hiện từ hai quy tắc khác của Hund, nhưng việc thực hiện đúng thứ tự điền được áp dụng ngầm định ba quy tắc này cùng một lúc.

Những chuỗi quỹ đạo đầu tiên và thứ ba trong hình ảnh có điểm gì chung? Tại sao họ đúng? Để bắt đầu, mỗi quỹ đạo chỉ có thể "giữ" hai electron, đó là lý do tại sao hộp đầu tiên hoàn thành. Do đó, việc điền phải tiếp tục với ba hộp hoặc quỹ đạo bên phải.

Ghép đôi

Mỗi hộp của loạt đầu tiên có một mũi tên hướng lên, tượng trưng cho ba electron có spin cùng hướng. Khi chỉ lên, điều đó có nghĩa là các spin của nó có giá trị +1/2 và nếu chúng chỉ xuống, các spin của chúng sẽ có các giá trị -1/2.

Lưu ý rằng ba electron chiếm các quỹ đạo khác nhau, nhưng với quay không ghép đôi.

Trong loạt thứ ba, electron thứ sáu được đặt với một spin theo hướng ngược lại, -1/2. Đây không phải là trường hợp của loạt thứ tư, trong đó electron này đi vào quỹ đạo với độ xoáy +1/2.

Và như vậy, hai electron, giống như các quỹ đạo đầu tiên, sẽ có cặp quay (một với spin +1/2 và một với spin -1/2).

Chuỗi hộp hoặc quỹ đạo thứ tư vi phạm nguyên tắc loại trừ của Paul, trong đó tuyên bố rằng không có điện tử nào có thể có cùng bốn số lượng tử. Quy tắc của Hund và nguyên tắc loại trừ Pauli luôn đi đôi với nhau.

Do đó, các mũi tên phải được đặt theo cách mà chúng vẫn được giải nén cho đến khi chúng chiếm hết các hộp; và sau đó họ hoàn thành điền với các mũi tên chỉ theo hướng ngược lại.

Quay song song và phản song song

Nó không đủ để các electron có cặp spin của chúng: chúng cũng phải song song. Điều này trong việc thể hiện các hộp và mũi tên được đảm bảo bằng cách đặt cái sau với các đầu của chúng song song với nhau.

Sê-ri thứ hai trình bày lỗi rằng electron trong hộp thứ ba gặp phải phản xạ song song của nó đối với các hạt khác.

Do đó, có thể tóm tắt rằng trạng thái cơ bản của nguyên tử là trạng thái tuân theo quy luật của Hund, và do đó, có cấu trúc điện tử ổn định nhất.

Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm tuyên bố rằng khi một nguyên tử có các electron có số spin không song song và song song lớn hơn, nó sẽ ổn định do sự gia tăng tương tác tĩnh điện giữa hạt nhân và electron; tăng đó là do giảm hiệu ứng che chắn.

Đa bội

Từ "bội số" đã được đề cập ở đầu, nhưng nó có nghĩa gì trong bối cảnh này? Quy tắc đầu tiên của Hund nói rằng trạng thái cơ bản ổn định nhất đối với một nguyên tử là trạng thái có số bội spin lớn nhất; nói cách khác, một trong số đó thể hiện quỹ đạo của nó với số lượng electron chưa ghép cặp cao nhất.

Công thức tính bội số của spin là

2S + 1

Trong đó S bằng số electron chưa ghép cặp nhân với 1/2. Do đó, có một số cấu trúc điện tử có cùng số electron, 2S + 1 có thể được ước tính cho mỗi một cấu trúc và với giá trị bội số cao nhất sẽ ổn định nhất.

Độ bội của spin có thể được tính cho chuỗi quỹ đạo đầu tiên có ba electron với các spin không ghép đôi và song song của chúng:

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

Và bội số là

2 (3/2) + 1 = 4

Đây là quy tắc đầu tiên của Hund. Cấu hình ổn định nhất cũng phải tuân thủ các thông số khác, nhưng với mục đích hiểu biết hóa học không hoàn toàn cần thiết.

Bài tập

Flo

Chỉ có lớp hóa trị được xem xét, vì người ta cho rằng lớp bên trong đã được lấp đầy bằng các điện tử. Do đó, cấu hình điện tử của flo là [He] 2s22p5.

Bạn phải điền vào quỹ đạo 2s trước và sau đó là ba quỹ đạo p. Đối với việc lấp đầy quỹ đạo 2s bằng hai electron, đủ để đặt chúng theo cách mà các spin của chúng được ghép nối.

Năm electron còn lại cho ba quỹ đạo 2p được sắp xếp như minh họa dưới đây

Mũi tên đỏ đại diện cho electron cuối cùng lấp đầy quỹ đạo. Lưu ý rằng ba electron đầu tiên đi vào quỹ đạo 2p được đặt không ghép cặp và song song với các spin của chúng.

Tiếp theo, từ electron thứ tư, nó bắt đầu ghép spin -1/2 của nó với electron khác. Electron thứ năm và cuối cùng tiến hành theo cùng một cách.

Titan

Cấu hình điện tử của titan là [Ar] 3d24 giây2. Vì có năm quỹ đạo d, nên bắt đầu từ phía bên trái:

Lần này, việc lấp đầy quỹ đạo 4s đã được hiển thị. Vì chỉ có hai electron trong quỹ đạo 3d, nên hầu như không có vấn đề hoặc nhầm lẫn khi đặt chúng với các spin không ghép đôi và song song của chúng (mũi tên màu xanh).

Sắt

Một ví dụ khác, và cuối cùng, là sắt, kim loại có nhiều electron trong quỹ đạo của nó hơn titan. Cấu hình điện tử của nó là [Ar] 3d64 giây2.

Nếu không phải vì quy tắc của Hund và nguyên tắc loại trừ của Paul, thì sẽ không biết làm thế nào để loại bỏ sáu electron như vậy trong năm quỹ đạo của nó..

Mặc dù có vẻ dễ dàng, nhưng nếu không có các quy tắc này có thể tạo ra nhiều khả năng sai đối với thứ tự điền vào quỹ đạo.

Nhờ những điều này, nó là hợp lý và đơn điệu cho sự tiến bộ của mũi tên vàng, không nhiều hơn điện tử cuối cùng được đặt trong quỹ đạo.

Tài liệu tham khảo

  1. Serway & Người Do Thái. (2009). Vật lý: cho khoa học và kỹ thuật với Vật lý hiện đại. Tập 2. (Ấn bản thứ bảy). Học hỏi.
  2. Đá thạch anh. (1970). Sách giáo khoa hóa lý. Trong Động học hóa học. Tái bản lần thứ hai. D. Van Nostrand, Công ty, Inc.
  3. Méndez A. (ngày 21 tháng 3 năm 2012). Quy tắc của Hund. Lấy từ: quimica.laguia2000.com
  4. Wikipedia. (2018). Quy tắc của Hund về bội số tối đa. Lấy từ: en.wikipedia.org
  5. Hóa học LibreTexts. (Ngày 23 tháng 8 năm 2017). Quy tắc của Hund Lấy từ: chem.libretexts.org
  6. Tàu R. (2016). Quy tắc của Hund Lấy từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu