กฎ HUND หรือหลักการของการทวีคูณสูงสุด - เคมี - 2025

Hund 's ปกครองของหลายหลากสูงสุดหรือหลักการจัดตั้งสังเกตุวิธีการครอบครองอิเล็กตรอนโคจรเสื่อมให้เป็นพลังงาน กฎนี้ตามชื่อเพียงอย่างเดียวที่แนะนำมาจากนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันฟรีดริชฮันด์ในปีพ. ศ. 2470 และตั้งแต่นั้นมาก็ได้มีการใช้ประโยชน์อย่างมากในเคมีควอนตัมและสเปกโทรสโกปี

มีกฎของฮันด์สามข้อที่ใช้ในเคมีควอนตัม อย่างไรก็ตามข้อแรกเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดสำหรับความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับการจัดโครงสร้างอะตอมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์

ที่มา: Gabriel Bolívar

กฎข้อแรกของ Hund ซึ่งเป็นจำนวนคูณสูงสุดเป็นสิ่งสำคัญในการทำความเข้าใจการกำหนดค่าองค์ประกอบทางอิเล็กทรอนิกส์ กำหนดลำดับของอิเล็กตรอนในออร์บิทัลเพื่อสร้างอะตอม (ไอออนหรือโมเลกุล) ที่มีเสถียรภาพมากขึ้น

ตัวอย่างเช่นภาพด้านบนแสดงการกำหนดค่าอิเล็กตรอนสี่ชุด กล่องแสดงถึงวงโคจรและลูกศรสีดำแสดงถึงอิเล็กตรอน

อนุกรมที่หนึ่งและสามสอดคล้องกับวิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนที่ถูกต้องในขณะที่อนุกรมที่สองและสี่ระบุว่าไม่ควรวางอิเล็กตรอนในวงโคจร

ลำดับการเติมวงโคจรตามกฎของ Hund

แม้ว่าจะไม่มีการกล่าวถึงกฎ Hund อีกสองข้อ แต่การดำเนินการคำสั่งเติมอย่างถูกต้องคือการใช้กฎสามข้อนี้ในเวลาเดียวกันโดยปริยาย

ออร์บิทัลชุดที่ 1 และ 3 ในภาพมีอะไรเหมือนกัน ทำไมจึงถูกต้อง? สำหรับการเริ่มต้นแต่ละออร์บิทัลสามารถ "บ้าน" ได้เพียงสองอิเล็กตรอนเท่านั้นซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้กล่องแรกเสร็จสมบูรณ์ การเติมจึงต้องดำเนินการต่อด้วยสามกล่องหรือออร์บิทัลทางด้านขวา

ปั่นผสมพันธุ์

แต่ละกล่องของอนุกรมแรกมีลูกศรชี้ขึ้นซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของอิเล็กตรอนสามตัวที่หมุนไปในทิศทางเดียวกัน เมื่อชี้ขึ้นหมายความว่าการหมุนของพวกเขามีค่า +1/2 และหากชี้ลงการหมุนของพวกเขาจะมีค่า -1/2

สังเกตว่าอิเล็กตรอนทั้งสามมีวงโคจรที่แตกต่างกัน แต่มีการหมุนที่ไม่มีการจับคู่

ในอนุกรมที่สามอิเล็กตรอนตัวที่หกตั้งอยู่โดยมีการหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม -1/2 นี่ไม่ใช่กรณีของอนุกรมที่สี่ซึ่งอิเล็กตรอนนี้เข้าสู่ออร์บิทัลด้วยการหมุน +1/2

ดังนั้นอิเล็กตรอนทั้งสองเช่นเดียวกับออร์บิทัลแรกจะมีสปินที่จับคู่กัน (อันหนึ่งมีสปิน +1/2 และอีกอันหมุน -1/2)

กล่องหรือออร์บิทัลชุดที่สี่ละเมิดหลักการยกเว้นของ Pauli ซึ่งระบุว่าไม่มีอิเล็กตรอนใดที่มีเลขควอนตัมสี่ตัวเหมือนกันได้ กฎของ Hund และหลักการกีดกันของ Pauli มักจะไปพร้อมกัน

ดังนั้นควรวางลูกศรในลักษณะที่ไม่ได้จับคู่จนกว่าจะครอบครองกล่องทั้งหมด และทันทีหลังจากนั้นพวกเขาจะเสร็จสมบูรณ์โดยมีลูกศรชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม

การหมุนแบบขนานและแบบขนาน

ยังไม่เพียงพอที่อิเล็กตรอนจะมีการหมุนจับคู่พวกมันจะต้องขนานกันด้วย ในการเป็นตัวแทนของกล่องและลูกศรรับประกันได้โดยการวางหลังโดยให้ปลายขนานกัน

ชุดที่สองนำเสนอข้อผิดพลาดที่ว่าอิเล็กตรอนในกล่องที่สามตรงตามการหมุนของมันในความหมายที่ตรงกันข้ามกับสิ่งอื่น ๆ

ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าสถานะพื้นของอะตอมเป็นสถานะที่ปฏิบัติตามกฎของฮันด์ดังนั้นจึงมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียรที่สุด

พื้นฐานทางทฤษฎีและการทดลองระบุว่าเมื่ออะตอมมีอิเล็กตรอนที่มีจำนวนสปินที่ไม่มีการจับคู่และขนานกันมากขึ้นมันจะคงตัวเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าสถิตระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอน เพิ่มขึ้นเนื่องจากการลดลงของผลการป้องกัน

หลายหลาก

คำว่า 'หลายหลาก' ถูกกล่าวถึงในตอนต้น แต่ในบริบทนี้หมายความว่าอย่างไร? กฎข้อแรกของฮันด์กำหนดว่าสถานะกราวด์ที่เสถียรที่สุดสำหรับอะตอมคือสถานะที่แสดงจำนวนสปินทวีคูณมากกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่งคือวงโคจรที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่จำนวนมากที่สุด

สูตรคำนวณความทวีคูณของการหมุนคือ

2S + 1

โดยที่ S เท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่คูณด้วย 1/2 ดังนั้นการมีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์หลายตัวที่มีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันจึงสามารถประมาณ 2S + 1 สำหรับแต่ละตัวได้และโครงสร้างที่มีค่าหลายหลากสูงสุดจะมีเสถียรภาพมากที่สุด

คุณสามารถคำนวณความหลายหลากของสปินสำหรับออร์บิทัลชุดแรกที่มีอิเล็กตรอนสามตัวด้วยการหมุนที่ไม่มีใครเทียบและขนานกันได้:

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

และความทวีคูณก็คือ

2 (3/2) + 1 = 4

นี่เป็นกฎข้อแรกของ Hund การกำหนดค่าที่เสถียรที่สุดจะต้องเป็นไปตามพารามิเตอร์อื่น ๆ ด้วย แต่สำหรับวัตถุประสงค์ในการทำความเข้าใจทางเคมีนั้นไม่จำเป็นทั้งหมด

การออกกำลังกาย

ฟลูออรีน

พิจารณาเฉพาะเปลือกวาเลนซ์เนื่องจากสันนิษฐานว่าเปลือกด้านในเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนแล้ว การกำหนดค่าของอิเล็กตรอนฟลูออรีนจึง 2s ² 2p 5

ต้องเติมออร์บิทัล 2 วินาทีก่อนแล้วจึงออร์บิทัลสาม p ในการเติมออร์บิทัล 2s ด้วยอิเล็กตรอนสองตัวนั้นก็เพียงพอที่จะวางไว้ในลักษณะที่การหมุนของพวกมันจับคู่กัน

อิเล็กตรอนอีกห้าตัวสำหรับออร์บิทัล 2p สามตัวถูกจัดเรียงตามภาพประกอบด้านล่าง

ที่มา: Gabriel Bolívar

ลูกศรสีแดงแสดงถึงอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่เติมเต็มวงโคจร โปรดสังเกตว่าอิเล็กตรอนสามตัวแรกที่เข้าสู่วงโคจร 2p จะถูกวางไว้โดยไม่จับคู่และหมุนขนานกัน

จากนั้นจากอิเล็กตรอนตัวที่สี่มันจะเริ่มจับคู่สปิน -1/2 กับอิเล็กตรอนอีกตัว อิเล็กตรอนตัวที่ห้าและตัวสุดท้ายดำเนินไปในลักษณะเดียวกัน

ไทเทเนียม

การกำหนดค่าของอิเล็กตรอนไทเทเนียมเป็น 3d ² 4s 2 เนื่องจากมีวงโคจร 5 d จึงแนะนำให้เริ่มทางด้านซ้าย:

ที่มา: Gabriel Bolívar

คราวนี้มีการแสดงการเติมออร์บิทัล 4s เนื่องจากมีอิเล็กตรอนเพียงสองตัวในวงโคจร 3 มิติจึงแทบไม่มีปัญหาหรือความสับสนเมื่อวางด้วยการหมุนที่ไม่มีการจับคู่และขนานกัน (ลูกศรสีน้ำเงิน)

เหล็ก

อีกตัวอย่างหนึ่งและสุดท้ายคือเหล็กซึ่งเป็นโลหะที่มีอิเล็กตรอนในวงโคจร d มากกว่าไททาเนียม โครงร่างของอิเล็กตรอนคือ 3 มิติ⁶ 4 วินาที²

ถ้าไม่ใช่เพราะกฎของฮันด์และหลักการกีดกันของเพาลีเราจะไม่รู้ว่าจะจัดเรียงอิเล็กตรอนหกตัวในวงโคจร 5 d ของมันอย่างไร

ที่มา: Gabriel Bolívar

แม้ว่ามันอาจจะดูง่าย แต่หากไม่มีกฎเหล่านี้อาจมีความเป็นไปได้ที่ผิดมากมายเกี่ยวกับลำดับการเติมออร์บิทัล

ด้วยเหตุนี้ความก้าวหน้าของลูกศรสีทองจึงมีเหตุผลและซ้ำซากจำเจซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่าอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายที่วางอยู่ในวงโคจร

อ้างอิง

1. Serway & Jewett (2009) ฟิสิกส์: สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมด้วยฟิสิกส์สมัยใหม่ เล่ม 2. (พิมพ์ครั้งที่เจ็ด) การเรียนรู้ Cengage
2. กลาสสโตน. (2513). ตำราเคมีเชิงฟิสิกส์. ในจลนศาสตร์เคมี. พิมพ์ครั้งที่สอง. D. Van Nostrand, บริษัท , Inc.
3. Méndez A. (21 มีนาคม 2555). กฎของ Hund สืบค้นจาก: quimica.laguia2000.com
4. วิกิพีเดีย (2018) กฎของการทวีคูณสูงสุดของ Hund สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
5. เคมี LibreTexts (23 สิงหาคม 2560). กฎของ Hund สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
6. นาฟอาร์. (2016). กฎของ Hund สืบค้นจาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu