- Thứ tự lấp đầy quỹ đạo theo quy tắc của Hund
- Spin giao phối
- Quay song song và ngược song song
- Tính đa dạng
- Bài tập
- Flo
- Titan
- Bàn là
- Người giới thiệu
Theo kinh nghiệm, quy tắc Hund về tính đa bội cực đại hoặc nguyên tắc được thiết lập, làm thế nào để chiếm giữ các electron quỹ đạo biến đổi thành năng lượng. Quy tắc này, đúng như tên gọi của nó, xuất phát từ nhà vật lý người Đức Friedrich Hund vào năm 1927, và kể từ đó nó đã được sử dụng rất nhiều trong hóa học lượng tử và quang phổ.
Thực tế có ba quy tắc Hund được áp dụng trong hóa học lượng tử; tuy nhiên, cách đầu tiên là đơn giản nhất để hiểu cơ bản về cách cấu trúc điện tử của một nguyên tử.
Nguồn: Gabriel Bolívar
Quy tắc đầu tiên của Hund, quy tắc về tính đa dạng tối đa, là điều cần thiết để hiểu cấu hình điện tử của các phần tử; thiết lập thứ tự của các electron trong các obitan phải như thế nào để tạo ra nguyên tử (ion hoặc phân tử) có độ ổn định cao hơn.
Ví dụ, hình trên cho thấy bốn cấu hình electron; các hộp đại diện cho các obitan, và các mũi tên đen đại diện cho các electron.
Dãy thứ nhất và thứ ba tương ứng với những cách sắp xếp đúng các electron, trong khi dãy thứ hai và thứ tư chỉ ra cách các electron không được xếp vào các obitan.
Thứ tự lấp đầy quỹ đạo theo quy tắc của Hund
Mặc dù không đề cập đến hai quy tắc Hund khác, nhưng việc thực hiện chính xác thứ tự điền là áp dụng đồng thời ba quy tắc này một cách ngầm định.
Dãy obitan thứ nhất và thứ ba trong hình có điểm gì chung? Tại sao chúng đúng? Đối với những người mới bắt đầu, mỗi quỹ đạo chỉ có thể "chứa" hai electron, đó là lý do tại sao hộp đầu tiên hoàn chỉnh. Do đó, việc lấp đầy phải tiếp tục với ba hộp hoặc quỹ đạo ở bên phải.
Spin giao phối
Mỗi hộp của dãy đầu tiên có một mũi tên hướng lên trên, tượng trưng cho ba electron quay cùng chiều. Khi hướng lên, điều đó có nghĩa là vòng quay của họ có giá trị +1/2 và nếu họ hướng xuống, vòng quay của họ sẽ có giá trị là -1/2.
Lưu ý rằng ba electron chiếm các obitan khác nhau, nhưng có spin không ghép đôi.
Trong dãy thứ ba, electron thứ sáu nằm với spin theo hướng ngược lại, -1/2. Đây không phải là trường hợp của chuỗi thứ tư, trong đó electron này đi vào quỹ đạo với spin +1/2.
Và do đó, hai electron, giống như của quỹ đạo thứ nhất, sẽ có spin của chúng được ghép nối (một có spin +1/2 và electron còn lại có spin -1/2).
Dãy hộp hoặc obitan thứ tư vi phạm nguyên lý loại trừ Pauli, trong đó nói rằng không có electron nào có thể có bốn số lượng tử giống nhau. Quy tắc của Hund và nguyên tắc loại trừ của Pauli luôn song hành với nhau.
Do đó, các mũi tên nên được đặt sao cho chúng không được ghép đôi cho đến khi chúng chiếm hết các ô; và ngay sau đó, chúng được hoàn thành với các mũi tên chỉ theo hướng ngược lại.
Quay song song và ngược song song
Việc các electron ghép đôi spin là chưa đủ: chúng cũng phải song song. Điều này trong biểu diễn của hộp và mũi tên được đảm bảo bằng cách đặt cái sau với các đầu của chúng song song với nhau.
Loạt thứ hai trình bày lỗi mà điện tử trong hộp thứ ba gặp spin của nó theo nghĩa phản song song so với các điện tử khác.
Như vậy, có thể tóm tắt rằng trạng thái cơ bản của nguyên tử là trạng thái tuân theo các quy tắc của Hund, và do đó có cấu trúc điện tử ổn định nhất.
Cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho rằng khi một nguyên tử có các electron với số spin không ghép đôi và song song lớn hơn, nó ổn định do sự gia tăng tương tác tĩnh điện giữa hạt nhân và các electron; tăng đó là do giảm hiệu ứng che chắn.
Tính đa dạng
Từ 'đa nghĩa' đã được đề cập lúc đầu, nhưng nó có nghĩa gì trong bối cảnh này? Quy tắc đầu tiên của Hund thiết lập rằng trạng thái cơ bản ổn định nhất đối với nguyên tử là trạng thái thể hiện số lượng đa spin lớn hơn; nói cách khác, quỹ đạo có số electron chưa ghép đôi cao nhất.
Công thức tính bội số của vòng quay là
2S + 1
Trong đó S bằng số electron chưa ghép đôi nhân với 1/2. Do đó, có một số cấu trúc điện tử có cùng số electron, có thể ước tính 2S + 1 cho mỗi cấu trúc và cấu trúc nào có giá trị đa hiệu cao nhất sẽ ổn định nhất.
Bạn có thể tính toán đa số spin cho chuỗi obitan đầu tiên có ba electron với spin của chúng là vô song và song song:
S = 3 (1/2) = 3/2
Và sự đa dạng sau đó là
2 (3/2) + 1 = 4
Đây là quy tắc đầu tiên của Hund. Cấu hình ổn định nhất cũng phải đáp ứng các thông số khác, nhưng đối với mục đích hiểu biết hóa học, chúng không hoàn toàn cần thiết.
Bài tập
Flo
Chỉ có lớp vỏ hóa trị được xem xét, vì người ta cho rằng lớp vỏ bên trong đã chứa đầy các electron. Do đó, cấu hình electron của flo là 2s 2 2p 5 .
Một obitan 2s phải được lấp đầy trước và sau đó là ba obitan p. Để lấp đầy quỹ đạo 2s với hai electron, chỉ cần đặt chúng sao cho spin của chúng được ghép nối.
Năm electron khác cho ba obitan 2p được sắp xếp như minh họa bên dưới.
Nguồn: Gabriel Bolívar
Mũi tên màu đỏ thể hiện electron cuối cùng lấp đầy các obitan. Lưu ý rằng ba electron đầu tiên đi vào obitan 2p được đặt không ghép đôi và quay song song với nhau.
Sau đó, từ điện tử thứ tư, nó bắt đầu ghép spin -1/2 với điện tử kia. Electron thứ năm và electron cuối cùng tiến hành theo cùng một cách.
Titan
Cấu hình electron của titan là 3d 2 4s 2 . Vì có năm obitan d, nên bắt đầu ở phía bên trái:
Nguồn: Gabriel Bolívar
Lần này sự lấp đầy của quỹ đạo 4s đã được hiển thị. Vì chỉ có hai electron trong các obitan 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).
Bàn là
Một ví dụ khác và cuối cùng là sắt, một kim loại có nhiều electron trong obitan d hơn titan. Cấu hình electron của nó là 3d 6 4s 2 .
Nếu không nhờ quy tắc Hund và nguyên lý loại trừ Pauli, chúng ta sẽ không biết làm thế nào để sắp xếp sáu electron như vậy vào năm obitan d của chúng.
Nguồn: Gabriel Bolívar
Mặc dù có vẻ dễ dàng, nhưng nếu không có những quy tắc này, nhiều khả năng sai có thể phát sinh liên quan đến thứ tự lấp đầy các obitan.
Nhờ đó, bước tiến của mũi tên vàng là hợp lý và đơn điệu, chẳng qua là electron cuối cùng được đặt trong các obitan.
Người giới thiệu
- Serway & Jewett. (2009). Vật lý: dành cho khoa học và kỹ thuật với Vật lý hiện đại. Tập 2. (Tái bản lần thứ bảy). Học tập Cengage.
- Glasstone. (1970). Giáo trình hóa lý. Trong Động học hóa học. Phiên bản thứ hai. D. Van Nostrand, Company, Inc.
- Méndez A. (ngày 21 tháng 3 năm 2012). Quy tắc của Hund. Phục hồi từ: quimica.laguia2000.com
- Wikipedia. (2018). Quy tắc đa bội tối đa của Hund. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
- Hóa học LibreTexts. (Ngày 23 tháng 8 năm 2017). Quy tắc của Hund. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org
- Nave R. (2016). Quy tắc của Hund. Đã khôi phục từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu