HUNDOVO PRAVIDLO NEBO PRINCIP MAXIMÁLNÍ MULTIPLICITY - CHEMIE - 2025

Pes je pravidlo maximálního multiplicita, nebo v zásadě stanoveny, empiricky, jak zabírat orbitální elektrony degenerují na energii. Toto pravidlo, jak sám název napovídá, pocházelo od německého fyzika Friedricha Hunda v roce 1927 a od té doby se velmi dobře používá v kvantové a spektroskopické chemii.

Ve kvantové chemii jsou ve skutečnosti použita tři Hundova pravidla; první je však nejjednodušší pro základní pochopení toho, jak elektronicky strukturovat atom.

Zdroj: Gabriel Bolívar

Hundovo první pravidlo, pravidlo maximální multiplicity, je nezbytné pro pochopení elektronických konfigurací prvků; stanoví, jaké uspořádání elektronů v orbitálech musí být, aby se vytvořil atom (ion nebo molekula) s větší stabilitou.

Například výše uvedený obrázek ukazuje čtyři řady elektronových konfigurací; krabice představují orbitaly a černé šipky představují elektrony.

První a třetí řada odpovídají správným způsobům uspořádání elektronů, zatímco druhá a čtvrtá řada ukazují, jak by elektrony neměly být umístěny na oběžné dráze.

Orbitální plnění podle Hundova pravidla

Ačkoli zde není žádná zmínka o dalších dvou Hundových pravidlech, správné provedení pořadí plnění implicitně aplikuje tato tři pravidla současně.

Co má společná první a třetí řada orbitálů na obrázku? Proč jsou správné? Pro začátečníky může každý orbitál „ubytovat“ dva elektrony, a proto je první rámeček kompletní. Výplň proto musí pokračovat se třemi políčkami nebo orbity vpravo.

Spin páření

Každá krabička první série má šipku směřující nahoru, která symbolizuje tři elektrony se točením ve stejném směru. Když směřují vzhůru, znamená to, že jejich otočení mají hodnotu +1/2, a pokud směřují dolů, jejich otočení bude mít hodnoty -1/2.

Všimněte si, že tři elektrony zabírají různé orbity, ale s nepárovými otočeními.

Ve třetí řadě je šestý elektron umístěn s rotací v opačném směru, -1/2. To neplatí pro čtvrtou řadu, kde tento elektron vstupuje na orbitál s otáčením +1/2.

A tak budou oba elektrony, stejně jako ty z prvního orbitálu, spárovány (jeden se spinu +1/2 a druhý se spinou -1/2).

Čtvrtá řada krabic nebo orbitálů porušuje Pauliho vylučovací princip, který uvádí, že žádný elektron nemůže mít stejná čtyři kvantová čísla. Hundova vláda a Pauliho vyloučení vždy jdou ruku v ruce.

Šipky by proto měly být umístěny tak, aby nebyly spárovány, dokud nezabírají všechny krabice; a ihned poté jsou doplněny šipkami směřujícími v opačném směru.

Paralelní a antiparalelní otočení

Nestačí, že elektrony mají spiny spárované: musí být rovnoběžné. To je v znázornění krabic a šipek zaručeno umístěním tyčinek s jejich konci rovnoběžnými s sebou.

Druhá řada představuje chybu, že elektron ve třetí krabici splňuje svůj spin v antiparalelním smyslu vzhledem k ostatním.

Lze tedy shrnout, že základní stav atomu je takový, který se řídí Hundovými pravidly, a proto má nejstabilnější elektronickou strukturu.

Teoretická a experimentální základna uvádí, že když má atom elektrony s větším počtem nepárových a paralelních spinů, stabilizuje se v důsledku nárůstu elektrostatických interakcí mezi jádrem a elektrony; zvýšení, které je způsobeno snížením stínění.

Násobnost

Slovo „multiplicity“ bylo zmíněno na začátku, ale co to v této souvislosti znamená? Hundovo první pravidlo stanoví, že nejstabilnějším základním stavem atomu je ten, který představuje větší počet multiplikací spinu; jinými slovy, ten, který představuje své orbity s největším počtem nepárových elektronů.

Vzorec pro výpočet multiplicity točení je

2S + 1

Kde S se rovná počtu nepárových elektronů vynásobeného 1/2. Tudíž, když má několik elektronických struktur se stejným počtem elektronů, lze pro každý z nich odhadnout 2S + 1 a nejstabilnější bude struktura s nejvyšší hodnotou multiplicity.

Můžete spočítat multiplicitu rotace pro první sérii orbitálů se třemi elektrony s jejich točením neporovnatelnými a paralelními:

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

A multiplicita pak je

2 (3/2) + 1 = 4

Toto je Hundovo první pravidlo. Nejstabilnější konfigurace musí také splňovat další parametry, ale pro účely chemického porozumění nejsou zcela nezbytné.

Cvičení

Fluor

Uvažuje se pouze valenční obal, protože se předpokládá, že vnitřní obal je již naplněn elektrony. Konfigurace elektronu fluoru se proto 2s ² 2p ⁵.

Nejprve musí být vyplněn orbitál 2s a poté tři orbitály. K naplnění 2s orbitalu dvěma elektrony stačí umístit je tak, aby se jejich spiny spárovaly.

Zbývajících pět elektronů pro tři 2p orbity je uspořádáno, jak je znázorněno níže.

Zdroj: Gabriel Bolívar

Červená šipka představuje poslední elektron k vyplnění orbitálů. Všimněte si, že první tři elektrony vstupující do 2p orbitálů jsou umístěny nepárové a jejich spiny jsou rovnoběžné.

Poté, od čtvrtého elektronu, začne spárovat jeho spin -1/2 s jiným elektronem. Pátý a poslední elektron postupuje stejným způsobem.

Titan

Elektronová konfigurace titanu je 3d ² 4s ². Protože existuje pět orbitálů, doporučuje se začít na levé straně:

Zdroj: Gabriel Bolívar

Tentokrát se ukázalo vyplnění 4s orbitálu. Protože v 3d orbitálech jsou pouze dva elektrony, není téměř žádný problém nebo zmatek při jejich umístění s jejich nepárovými a paralelními otočeními (modré šipky).

Žehlička

Dalším příkladem je železo, kov, který má ve svých d orbitálech více elektronů než titan. Jeho elektronová konfigurace je 3d ⁶ 4s ².

Kdyby to nebylo pro Hundovu vládu a Pauliho vylučovací zásadu, nevěděli bychom, jak uspořádat takových šest elektronů do jejich pěti orbitálů.

Zdroj: Gabriel Bolívar

Ačkoli se to může zdát snadné, bez těchto pravidel by mohlo dojít k mnoha špatným možnostem ohledně pořadí vyplňování orbitálů.

Díky tomu je pokrok zlaté šipky logický a monotónní, což není nic jiného než poslední elektron, který je umístěn na orbitaly.

Reference

1. Serway & Jewett. (2009). Fyzika: pro vědu a techniku ​​s moderní fyzikou. Svazek 2. (Sedmé vydání). Cengage Learning.
2. Glasstone. (1970). Učebnice fyzikální chemie. V chemické kinetice. Druhé vydání. D. Van Nostrand, Company, Inc.
3. Méndez A. (21. března 2012). Hundovo pravidlo. Obnoveno z: quimica.laguia2000.com
4. Wikipedia. (2018). Hundovo pravidlo maximální multiplicity. Obnoveno z: en.wikipedia.org
5. Chemie LibreTexts. (23. srpna 2017). Hundova pravidla. Obnoveno z: chem.libretexts.org
6. Nave R. (2016). Hundova pravidla. Obnoveno z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu