กฎ Hund หรือหลักการของความหลากหลายสูงสุดคืออะไร

กฎ Hund หรือหลักการของหลายหลากสูงสุด สร้างสังเกตุว่าอิเล็กตรอนโคจรที่เสื่อมนั้นต้องใช้พลังงานอย่างไร กฎนี้เป็นชื่อเดียวที่บ่งบอกว่ามาจากนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันฟรีดริชฮันด์ในปี 2470 และตั้งแต่นั้นมามันมีประโยชน์อย่างมากในด้านเคมีควอนตัมและสเปกโทรสโกปี.

มีกฎสามข้อของ Hund ที่ใช้ในเคมีควอนตัม อย่างไรก็ตามสิ่งแรกคือสิ่งที่ง่ายที่สุดสำหรับความเข้าใจพื้นฐานของวิธีการจัดโครงสร้างอะตอมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์. 

กฎข้อแรกของ Hund นั้นมีความหลากหลายมากที่สุดเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจองค์ประกอบอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบต่างๆ กำหนดว่าคำสั่งของอิเล็กตรอนในวงโคจรจะต้องสร้างอะตอม (ไอออนหรือโมเลกุล) ของความมั่นคงมากขึ้น.

ตัวอย่างเช่นการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์สี่ชุดแสดงในภาพด้านบน กล่องแสดงถึงวงโคจรและลูกศรสีดำของอิเล็กตรอน.

ชุดที่หนึ่งและที่สามสอดคล้องกับวิธีการสั่งซื้ออิเล็กตรอนที่ถูกต้องในขณะที่ชุดที่สองและสี่แสดงให้เห็นว่าไม่ควรวางอิเล็กตรอนไว้ในวงโคจร.

ดัชนี

• 1 ลำดับการเติมวงโคจรตามกฎของฮันด์
  • 1.1 การผสมพันธุ์ของสปิน
  • 1.2 การหมุนแบบขนานและแบบขนาน
• 2 หลายหลาก
• 3 แบบฝึกหัด
  • 3.1 ฟลูออรีน
  • 3.2 ไทเทเนียม
  • 3.3 เหล็ก
• 4 อ้างอิง

คำสั่งของการเติม orbitals ตามกฎ Hund

แม้ว่าจะไม่ได้กล่าวถึงกฎอีกสองข้อของ Hund แต่การดำเนินการตามคำสั่งของการเติมอย่างถูกต้องนั้นเป็นการใช้กฎทั้งสามนี้พร้อมกันในเวลาเดียวกัน.

วงโคจรชุดแรกและชุดที่สามในภาพมีอะไรเหมือนกัน? ทำไมพวกเขาถูกต้อง? ในการเริ่มต้นแต่ละวงสามารถ "ยึด" อิเล็กตรอนสองตัวเท่านั้นซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมกล่องแรกจึงเสร็จสมบูรณ์ การเติมจะต้องดำเนินการต่อด้วยสามกล่องหรือวงโคจรด้านขวา.

การจับคู่หมุน

ชุดของกล่องแรกแต่ละชุดมีลูกศรชี้ขึ้นซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของอิเล็กตรอนสามตัวที่มีการหมุนในทิศทางเดียวกัน เมื่อชี้ขึ้นหมายความว่าสปินมีค่า +1/2 และหากชี้ลงสปินจะมีค่าเป็น -1/2.

โปรดทราบว่าอิเล็กตรอนสามตัวนั้นมีวงโคจรต่างกัน แต่ด้วย สปินที่ไม่ได้จับคู่.

ในซีรีส์ที่สามอิเล็กตรอนที่หกตั้งอยู่กับการหมุนในทิศทางตรงกันข้าม -1/2 นี่ไม่ใช่กรณีของชุดที่สี่ซึ่งอิเล็กตรอนนี้เข้าสู่วงโคจรด้วยการหมุนของ +1/2.

อิเล็กตรอนทั้งสองเช่นเดียวกับวงแรกจะมีอิเล็กตรอน สปินคู่ (หนึ่งที่มีสปิน +1/2 และหนึ่งที่มีสปิน -1/2).

กล่องหรือวงโคจรชุดที่สี่ละเมิดหลักการกีดกันของ Pauli ซึ่งระบุว่าไม่มีอิเล็กตรอนใดสามารถมีตัวเลขควอนตัมสี่ตัวได้เหมือนกัน กฎของ Hund และหลักการของการกีดกันของ Pauli มักจะจับมือกันเสมอ.

ดังนั้นลูกศรจะต้องวางในลักษณะที่พวกเขายังคงแตกออกจนกว่าพวกเขาจะครอบครองกล่องทั้งหมด; จากนั้นพวกเขาก็เติมลูกศรชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม.

สปินแบบขนานและแบบขนาน

ไม่เพียงพอที่อิเล็กตรอนมีสปินของพวกเขาจับคู่พวกเขาจะต้องขนานกัน ในการเป็นตัวแทนของกล่องและลูกศรนี้รับประกันโดยการวางด้านหลังด้วยปลายของพวกเขาขนานกัน.

ชุดที่สองนำเสนอข้อผิดพลาดที่อิเล็กตรอนในกล่องที่สามพบการหมุนแบบตรงกันข้ามกับผู้อื่น.

ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าสถานะพื้นฐานของอะตอมเป็นสิ่งที่ปฏิบัติตามกฎของ Hund ดังนั้นจึงมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียรที่สุด.

พื้นฐานทางทฤษฎีและการทดลองระบุว่าเมื่ออะตอมมีอิเล็กตรอนที่มีจำนวนของสปิน unpaired และขนานมากขึ้นมันคงที่เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอน เพิ่มขึ้นเนื่องจากการลดลงของผลการป้องกัน.

ความมากมายหลายหลาก

คำว่า 'หลายหลาก' นั้นถูกกล่าวถึงในตอนแรก แต่มันมีความหมายอย่างไรในบริบทนี้ กฎข้อแรกของ Hund ระบุว่าสถานะพื้นที่เสถียรที่สุดสำหรับอะตอมคือสิ่งที่มีจำนวนสปินหลายหลากมากที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่งคือวงโคจรที่มีจำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่สูงสุด.

สูตรในการคำนวณความหลากหลายของสปินคือ

2S + 1

โดยที่ S เท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ซึ่งคูณด้วย 1/2 ดังนั้นการมีโครงสร้างทางอิเล็คทรอนิคส์หลายตัวที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันสามารถประมาณ 2S + 1 ได้สำหรับแต่ละอันและที่มีค่าพหุคูณสูงสุดจะเสถียรที่สุด.

ความหลากหลายของการหมุนสามารถคำนวณได้สำหรับชุดแรกของวงโคจรที่มีอิเล็กตรอนสามตัวที่มีสปิน unpaired และขนาน:

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

และความหลากหลายนั้นก็คือ

2 (3/2) + 1 = 4

นี่เป็นกฎข้อแรกของ Hund การกำหนดค่าที่เสถียรที่สุดจะต้องสอดคล้องกับพารามิเตอร์อื่น ๆ ด้วย แต่สำหรับวัตถุประสงค์ของความเข้าใจทางเคมีนั้นไม่จำเป็นทั้งหมด.

การอบรม

Fluor

มีการพิจารณาเฉพาะเลเยอร์เวเลนซ์เท่านั้นเนื่องจากสันนิษฐานว่าชั้นในเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนอยู่แล้ว การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของฟลูออรีนจึงเป็น [เขา] 2 วินาที²2p⁵.

คุณต้องเติม 2s วงก่อนแล้วจึงสาม p วงโคจร สำหรับการเติมของวง 2s ด้วยอิเล็กตรอนสองตัวมันก็เพียงพอแล้วที่จะวางพวกมันในลักษณะที่สปินของพวกเขาถูกจับคู่.

อิเล็กตรอนอีกห้าตัวสำหรับวงโคจร 2p สามวงถูกจัดเรียงไว้ด้านล่าง

ลูกศรสีแดงหมายถึงอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่เติมวงโคจร โปรดทราบว่าอิเล็คตรอนสามตัวแรกที่เข้าสู่วงโคจร 2p นั้นวางไม่อยู่คู่กับสปินแบบขนาน.

ถัดไปจากอิเล็กตรอนตัวที่สี่มันเริ่มจับคู่สปิน -1/2 กับอิเล็กตรอนตัวอื่น อิเล็กตรอนที่ห้าและสุดท้ายดำเนินการในลักษณะเดียวกัน.

ไทเทเนียม

โครงแบบอิเล็กทรอนิกส์ของไทเทเนียมคือ [Ar] 3d²4s². เนื่องจากมีวงโคจรห้าดวงจึงแนะนำให้เริ่มจากด้านซ้าย:

คราวนี้การเติมของวงโคจร 4s ถูกแสดง เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเพียงสองตัวในวงโคจรสามมิติจึงแทบไม่มีปัญหาหรือความสับสนเมื่อวางมันด้วยการหมุนที่ไม่มีคู่และคู่ขนาน (ลูกศรสีน้ำเงิน).

เหล็ก

อีกตัวอย่างหนึ่งและในที่สุดก็คือเหล็กโลหะที่มีอิเลคตรอนในวงโคจรมากกว่าไทเทเนียม การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์คือ [Ar] 3d⁶4s².

หากไม่ใช่เพื่อการปกครองของ Hund และหลักการกีดกันของ Pauli จะไม่มีใครรู้ว่าจะกำจัดอิเล็กตรอนหกตัวในวงโคจรทั้งห้าได้อย่างไร.

แม้ว่ามันอาจดูง่าย แต่หากไม่มีกฎเหล่านี้ก็อาจก่อให้เกิดความเป็นไปได้ที่ผิดหลายประการเกี่ยวกับลำดับการเติม orbitals.

ต้องขอบคุณสิ่งเหล่านี้มันจึงเป็นตรรกะและน่าเบื่อที่จะทำให้ลูกธนูสีทองก้าวหน้าซึ่งไม่เกินอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่อยู่ในวงโคจร.

การอ้างอิง

1. Serway & Jewett (2009) ฟิสิกส์: สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมด้วยฟิสิกส์ยุคใหม่ เล่ม 2 (ฉบับที่เจ็ด) เรียนรู้ Cengage.
2. Glasstone (1970) หนังสือเรียนวิชาเคมีเชิงฟิสิกส์ ใน จลนพลศาสตร์เคมี. ฉบับที่สอง D. Van Nostrand, Company, Inc.
3. Méndez A. (21 มีนาคม 2012) กฎของ Hund สืบค้นจาก: quimica.laguia2000.com
4. วิกิพีเดีย (2018) กฎของ Hund ในหลายหลากสูงสุด สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
5. เคมีเคมี (23 สิงหาคม 2017) กฎของ Hund ดึงมาจาก: chem.libretexts.org
6. เรือ R. (2016) กฎของ Hund สืบค้นจาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu