Det Hunds regel eller princip om maksimal mangfoldighed fastlægger empirisk, hvordan de energidegenererede orbitalelektroner skal besætte. Denne regel kom, som navnet alene antyder, fra den tyske fysiker Friedrich Hund i 1927, og siden da har den været meget nyttig i kvante- og spektroskopisk kemi..
Der er virkelig tre Hunds regler anvendt i kvantekemi; Imidlertid er den første den enkleste for den grundlæggende forståelse af, hvordan man elektronisk strukturerer et atom.
Hunds første regel, den maksimale mangfoldighed, er afgørende for at forstå elementernes elektroniske konfigurationer; fastlægger, hvad der skal være rækkefølgen af elektronerne i orbitalerne for at generere et atom (ion eller molekyle) med større stabilitet.
For eksempel viser billedet ovenfor fire serier af elektronkonfigurationer; boksene repræsenterer orbitalerne, og de sorte pile repræsenterer elektronerne.
Den første og tredje serie svarer til korrekte måder at bestille elektronerne på, mens den anden og fjerde serie angiver, hvordan elektronerne ikke skal placeres i orbitalerne.
Artikelindeks
Selvom der ikke nævnes de to andre Hund-regler, anvendes korrekt udførelse af udfyldningsordren implicit disse tre regler på samme tid.
Hvad har den første og tredje serie af orbitaler i billedet til fælles? Hvorfor er de korrekte? Til at begynde med kan hver bane kun “huse” to elektroner, hvorfor den første boks er komplet. Fyldningen skal derfor fortsætte med de tre kasser eller orbitaler til højre.
Hver kasse i den første serie har en pil, der peger opad, hvilket symboliserer tre elektroner med spins i samme retning. Når de peger opad, betyder det, at deres spins har en værdi på +1/2, og hvis de peger nedad, vil deres spins have værdier på -1/2.
Bemærk, at de tre elektroner optager forskellige orbitaler, men med uparrede spins.
I den tredje serie er den sjette elektron placeret med et spin i den modsatte retning, -1/2. Dette er ikke tilfældet for den fjerde serie, hvor denne elektron kommer ind i kredsløbet med et spin på +1/2.
Og så vil de to elektroner, som dem fra den første orbitale, have deres parrede spins (en med spin +1/2 og en med spin -1/2).
Den fjerde række kasser eller orbitaler er i strid med Pauli-udelukkelsesprincippet, der siger, at ingen elektroner kan have de samme fire kvantetal. Hunds regel og Paulis udelukkelsesprincip går altid hånd i hånd.
Derfor skal pilene placeres på en sådan måde, at de ikke er parret, indtil de optager alle kasser; og straks bagefter afsluttes de med pilene pegende i den modsatte retning.
Det er ikke nok, at elektroner har deres spins parret: de skal også være parallelle. Dette i gengivelsen af kasser og pile garanteres ved at placere sidstnævnte med enderne parallelt med hinanden..
Den anden serie præsenterer den fejl, at elektronen i den tredje boks møder sit spin i en antiparallel forstand med hensyn til de andre..
Således kan det opsummeres, at grundtilstanden for et atom er en, der overholder Hunds regler, og derfor har den mest stabile elektroniske struktur.
Det teoretiske og eksperimentelle grundlag bekræfter, at når et atom har elektroner med et større antal ikke-parrede og parallelle spins, stabiliserer det sig som et resultat af en stigning i elektrostatiske interaktioner mellem kernen og elektronerne; stigning, der skyldes faldet i afskærmningseffekten.
Ordet 'mangfoldighed' blev nævnt i starten, men hvad betyder det i denne sammenhæng? Hunds første regel fastslår, at den mest stabile grundtilstand for et atom er den med det højeste antal spin-mangfoldighed; med andre ord den ene med dens orbitaler med det højeste antal uparrede elektroner.
Formlen til beregning af spinets multiplikation er
2S + 1
Hvor S er lig med antallet af ikke-parrede elektroner ganget med 1/2. Således at have flere elektroniske strukturer med det samme antal elektroner, kan 2S + 1 estimeres for hver enkelt, og den med den højeste multiplikationsværdi vil være den mest stabile..
Spinmultiplikiteten kan beregnes for den første række orbitaler med tre elektroner med deres spins uden sidestykke og parallelle:
S = 3 (1/2) = 3/2
Og mangfoldigheden er så
2 (3/2) + 1 = 4
Dette er Hunds første regel. Den mest stabile konfiguration skal også overholde andre parametre, men som til kemisk forståelsesformål ikke er helt nødvendige..
Kun valensskallen betragtes, da det antages, at den indre skal allerede er fyldt med elektroner. Elektronkonfigurationen af fluor er derfor [He] 2sto2 s5.
Én 2s orbital skal først udfyldes og derefter tre p orbitaler. For at fylde 2s orbital med de to elektroner er det nok at placere dem på en sådan måde, at deres spins er parret.
De andre fem elektroner til de tre 2p orbitaler er arrangeret som illustreret nedenfor.
Den røde pil repræsenterer den sidste elektron, der udfylder orbitalerne. Bemærk, at de første tre elektroner, der kommer ind i 2p orbitalerne, er placeret parret og med deres spins parallelle.
Fra den fjerde elektron begynder den derefter at parre sin spin -1/2 med den anden elektron. Den femte og sidste elektron fortsætter på samme måde.
Elektronkonfigurationen af titanium er [Ar] 3dto4sto. Da der er fem d orbitaler, anbefales det at starte på venstre side:
Denne gang blev påfyldningen af 4-orbitalen vist. Da der kun er to elektroner i 3d-orbitalerne, er der næsten ikke noget problem eller forvirring, når man placerer dem med deres uparrede og parallelle spins (blå pile).
Et andet eksempel, og endelig er jern, et metal, der har flere elektroner i sine orbitaler end titanium. Dens elektronkonfiguration er [Ar] 3d64sto.
Hvis det ikke var for Hunds styre og Pauli-udelukkelsesprincippet, ville vi ikke vide, hvordan man arrangerede sådanne seks elektroner i deres fem d orbitaler..
Selvom det kan virke let, kan der uden disse regler opstå mange forkerte muligheder med hensyn til rækkefølgen af udfyldning af orbitalerne.
Takket være disse er fremrykkelsen af den gyldne pil logisk og ensformig, hvilket ikke er andet end den sidste elektron, der placeres i orbitalerne..
Endnu ingen kommentarer