该洪特的最大多样性或原则的规则建立,经验,如何占据轨道电子堕落成能量。正如它的名字所暗示的那样,这条规则来自德国物理学家弗里德里希·洪德(Friedrich Hund),1927年,从那时起,它在量子化学和光谱化学中得到了极大的应用。
实际上,量子化学中应用了三种Hund规则:但是,第一个是对如何电子化原子基本理解的最简单的方法。
资料来源:加布里埃尔·玻利瓦尔
洪德的第一个规则,即最大多重性,对于理解元素的电子配置至关重要。确定了轨道中电子的顺序必须是什么才能生成具有更高稳定性的原子(离子或分子)。
例如,上图显示了四个系列的电子构型;方框代表轨道,黑色箭头代表电子。
第一个和第三个序列对应于正确的电子排列方式,而第二个和第四个序列则指示不应将电子放置在轨道中的方式。
根据洪德法则的轨道填充顺序
尽管没有提及其他两个Hund规则,但是正确执行填充顺序是隐式地同时应用这三个规则。
图像中的第一和第三系列轨道有什么共同点?他们为什么正确?对于初学者来说,每个轨道只能“容纳”两个电子,这就是第一个盒子完整的原因。因此,填充必须继续右侧的三个方框或轨道。
旋转配合
第一个系列的每个框都有一个指向上方的箭头,该箭头表示自旋方向相同的三个电子。指向上方时,表示其旋转值为+1/2,如果指向下方,则其旋转值为-1/2。
请注意,三个电子占据不同的轨道,但具有不成对的自旋。
在第三系列中,第六电子自旋位于相反的方向-1/2。对于第四个系列,情况并非如此,在该系列中,该电子以+1/2的自旋进入轨道。
因此,就像第一个轨道的电子一样,这两个电子的自旋成对(一个自旋为+1/2,另一个为自旋-1/2)。
第四组盒子或轨道违反了泡利(Pauli)排除原理,该原理规定,任何电子都不能具有相同的四个量子数。洪德的统治和保利的排斥原则总是相辅相成的。
因此,箭头的放置方式应使其不成对,直到占据所有方框为止。然后立即完成,箭头指向相反的方向。
平行和反平行旋转
电子的自旋配对是不够的:它们还必须是平行的。通过将箭头和箭头的两端彼此平行放置,可以保证以箭头和箭头表示。
第二个序列提出了一个错误,即第三个盒子中的电子相对于其他电子以反平行的方向遇到自旋。
因此,可以总结出原子的基态是遵守洪德定律的原子,因此具有最稳定的电子结构。
理论和实验基础表明,当原子中的电子具有大量不成对和平行的自旋时,由于原子核与电子之间的静电相互作用增加,原子将稳定下来。由于屏蔽效果的降低而增加。
多重性
一开始提到“多重性”一词,但是在这种情况下是什么意思?洪德的第一条规则确定,原子最稳定的基态是具有更大自旋多重性的原子。换句话说,它的轨道中未配对电子的数量最多。
计算自旋多重性的公式为
2S + 1
其中S等于未成对电子的数量乘以1/2。因此,具有几个具有相同电子数量的电子结构,可以为每个电子估计2S +1,并且具有最高多样性值的电子结构将是最稳定的。
您可以计算具有三个电子且其自旋不平行且平行的第一系列轨道的自旋多重性:
S = 3(1/2)= 3/2
然后多样性是
2(3/2)+1 = 4
这是洪德的第一条规则。最稳定的配置还必须满足其他参数,但是出于化学理解的目的,它们并不是完全必要的。
练习题
氟
仅考虑价壳,因为假定内壳已经充满了电子。因此,氟的电子构型为2s 2 2p 5。
必须先填充2s轨道,然后再填充3 p轨道。要用两个电子填充2s轨道,以使其自旋成对的方式放置它们就足够了。
如下所示,排列了三个2p轨道的其他五个电子。
资料来源:加布里埃尔·玻利瓦尔
红色箭头代表最后一个填充轨道的电子。请注意,进入2p轨道的前三个电子不成对放置,并且其自旋平行。
然后,它从第四电子开始将其自旋-1/2与另一电子配对。第五个电子和最后一个电子以相同的方式前进。
钛
钛的电子构型为3d 2 4s 2。由于有五个d轨道,建议从左侧开始:
资料来源:加布里埃尔·玻利瓦尔
这次显示了4s轨道的填充。由于3d轨道中只有两个电子,因此将它们以不成对且平行的自旋放置(蓝色箭头)时,几乎没有问题或感到困惑。
铁
最后一个例子是铁,它是一种在d轨道上比钛具有更多电子的金属。其电子构型为3d 6 4s 2。
如果不是根据洪德定律和保利排斥原理,我们将不知道如何将这六个电子排列在其五个d轨道上。
资料来源:加布里埃尔·玻利瓦尔
尽管看起来很容易,但是如果没有这些规则,就可能会在轨道填充的顺序上出现许多错误的可能性。
由于这些原因,金色箭头的前进是逻辑且单调的,无非就是放置在轨道上的最后一个电子。
参考文献
- Serway&Jewett。(2009)。物理:用于现代物理科学和工程。第2卷(第七版)。圣智学习。
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