- Ordine di riempimento orbitale secondo la regola di Hund
- Spin accoppiamento
- Spin paralleli e antiparalleli
- Molteplicità
- esercizi
- Fluoro
- Titanio
- Ferro
- Riferimenti
La regola di Hund della massima molteplicità o principio stabilito, empiricamente, come occupare gli elettroni orbitali degenerano in energia. Questa regola, come suggerisce solo il nome, venne dal fisico tedesco Friedrich Hund, nel 1927, e da allora è stata molto utile nella chimica quantistica e spettroscopica.
In realtà ci sono tre regole di Hund applicate alla chimica quantistica; tuttavia, il primo è il più semplice per la comprensione di base di come strutturare elettronicamente un atomo.
Fonte: Gabriel Bolívar
La prima regola di Hund, quella della massima molteplicità, è essenziale per comprendere le configurazioni elettroniche degli elementi; stabilisce quale deve essere l'ordine degli elettroni negli orbitali per generare un atomo (ione o molecola) con maggiore stabilità.
Ad esempio, l'immagine sopra mostra quattro serie di configurazioni di elettroni; le caselle rappresentano gli orbitali e le frecce nere rappresentano gli elettroni.
La prima e la terza serie corrispondono ai modi corretti per disporre gli elettroni, mentre la seconda e la quarta serie indicano come gli elettroni non dovrebbero essere posizionati negli orbitali.
Ordine di riempimento orbitale secondo la regola di Hund
Sebbene non si faccia menzione delle altre due regole Hund, l'esecuzione corretta dell'ordine di riempimento implica implicitamente l'applicazione di queste tre regole allo stesso tempo.
Cosa hanno in comune la prima e la terza serie di orbitali nell'immagine? Perché sono corretti? Per cominciare, ogni orbitale può "ospitare" solo due elettroni, motivo per cui la prima scatola è completa. Il riempimento deve quindi proseguire con le tre caselle o orbitali a destra.
Spin accoppiamento
Ogni casella della prima serie ha una freccia che punta verso l'alto, che simboleggia tre elettroni con rotazioni nella stessa direzione. Quando punta verso l'alto, significa che i loro giri hanno un valore di +1/2, e se puntano verso il basso, i loro giri avranno valori di -1/2.
Si noti che i tre elettroni occupano orbitali diversi, ma con spin non accoppiati.
Nella terza serie, il sesto elettrone si trova con uno spin nella direzione opposta, -1/2. Questo non è il caso della quarta serie, dove questo elettrone entra nell'orbitale con uno spin di +1/2.
E così, i due elettroni, come quelli del primo orbitale, avranno i loro spin accoppiati (uno con spin +1/2 e l'altro con spin -1/2).
La quarta serie di scatole o orbitali viola il principio di esclusione di Pauli, che afferma che nessun elettrone può avere gli stessi quattro numeri quantici. La regola di Hund e il principio di esclusione di Pauli vanno sempre di pari passo.
Pertanto, le frecce devono essere posizionate in modo tale da non essere accoppiate fino a quando non occupano tutte le caselle; e subito dopo si completano con le frecce che puntano nella direzione opposta.
Spin paralleli e antiparalleli
Non è sufficiente che gli elettroni abbiano i loro spin accoppiati: devono anche essere paralleli. Ciò nella rappresentazione di caselle e frecce è garantito ponendo queste ultime con le estremità parallele tra loro.
La seconda serie presenta l'errore che l'elettrone nella terza scatola incontra il suo spin in senso antiparallelo rispetto agli altri.
Quindi, si può riassumere che lo stato fondamentale di un atomo è quello che obbedisce alle regole di Hund, e quindi ha la struttura elettronica più stabile.
La base teorica e sperimentale afferma che quando un atomo ha elettroni con un maggior numero di spin spaiati e paralleli, si stabilizza a seguito di un aumento delle interazioni elettrostatiche tra il nucleo e gli elettroni; aumento dovuto alla diminuzione dell'effetto schermante.
Molteplicità
La parola "molteplicità" è stata menzionata all'inizio, ma cosa significa in questo contesto? La prima regola di Hund stabilisce che lo stato fondamentale più stabile per un atomo è quello che presenta un numero maggiore di molteplicità di spin; in altre parole, quello che presenta i suoi orbitali con il maggior numero di elettroni spaiati.
La formula per calcolare la molteplicità dello spin è
2S + 1
Dove S è uguale al numero di elettroni spaiati moltiplicato per 1/2. Quindi, avendo più strutture elettroniche con lo stesso numero di elettroni, 2S + 1 può essere stimato per ciascuna e quella con il valore di molteplicità più alto sarà la più stabile.
Puoi calcolare la molteplicità dello spin per la prima serie di orbitali con tre elettroni con i loro spin ineguagliabili e paralleli:
S = 3 (1/2) = 3/2
E la molteplicità allora è
2 (3/2) + 1 = 4
Questa è la prima regola di Hund. La configurazione più stabile deve soddisfare anche altri parametri, ma per scopi di comprensione chimica non sono del tutto necessari.
esercizi
Fluoro
Viene considerato solo il guscio di valenza, poiché si presume che il guscio interno sia già pieno di elettroni. La configurazione elettronica del fluoro è quindi 2s 2 2p 5 .
È necessario riempire prima un orbitale di 2 secondi e poi tre orbitali p. Per riempire l'orbitale 2s con i due elettroni, è sufficiente posizionarli in modo tale che i loro giri siano accoppiati.
Gli altri cinque elettroni per i tre orbitali 2p sono disposti come illustrato di seguito.
Fonte: Gabriel Bolívar
La freccia rossa rappresenta l'ultimo elettrone a riempire gli orbitali. Si noti che i primi tre elettroni che entrano negli orbitali 2p sono posizionati spaiati e con i loro giri paralleli.
Quindi, dal quarto elettrone, inizia ad accoppiare il suo spin -1/2 con l'altro elettrone. Il quinto e ultimo elettrone procede allo stesso modo.
Titanio
La configurazione elettronica del titanio è 3d 2 4s 2 . Poiché ci sono cinque orbitali d, si consiglia di iniziare dal lato sinistro:
Fonte: Gabriel Bolívar
Questa volta è stato mostrato il riempimento dell'orbitale 4s. Poiché ci sono solo due elettroni negli orbitali 3d, non c'è quasi nessun problema o confusione quando li si posiziona con i loro spin non accoppiati e paralleli (frecce blu).
Ferro
Un altro esempio, e infine, è il ferro, un metallo che ha più elettroni nei suoi orbitali d rispetto al titanio. La sua configurazione elettronica è 3d 6 4s 2 .
Se non fosse per la regola di Hund e il principio di esclusione di Pauli, non sapremmo come disporre questi sei elettroni nei loro cinque orbitali d.
Fonte: Gabriel Bolívar
Sebbene possa sembrare facile, senza queste regole potrebbero sorgere molte possibilità sbagliate riguardo all'ordine di riempimento degli orbitali.
Grazie a questi, l'avanzamento della freccia d'oro è logico e monotono, che non è altro che l'ultimo elettrone che viene posto negli orbitali.
Riferimenti
- Serway e Jewett. (2009). Fisica: per la scienza e l'ingegneria con la fisica moderna. Volume 2. (Settima edizione). Cengage Learning.
- Glasstone. (1970). Libro di testo di chimica fisica. In cinetica chimica. Seconda edizione. D. Van Nostrand, Company, Inc.
- Méndez A. (21 marzo 2012). La regola di Hund. Estratto da: quimica.laguia2000.com
- Wikipedia. (2018). La regola di Hund della massima molteplicità. Estratto da: en.wikipedia.org
- Chemistry LibreTexts. (23 agosto 2017). Regole di Hund. Recupero da: chem.libretexts.org
- Nave R. (2016). Regole di Hund. Estratto da: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu