Правило Хунда: в чём оно заключается, примеры, формулировка

Фридрих Хунд (в некоторых источниках Гунд) – немецкий ученый, внесший вклад в развитие атомной физики. Большую часть жизни посвятил квантовой механике, спектроскопии. Он создатель более 250 научных статей. 

В 1927 г. ученый в области химии Фридрих Хунд сформулировал правило, которое отражает порядок заполнения орбиталей. Это открытие позволило разгадать многие загадки нашей планеты. Формулировка правила Гунда: электроны в ячейках располагаются таким образом, чтобы суммарный спин был максимальным.

Пример доказательства правила Хунда

Орбиталь в химии обозначается в виде пустого квадрата ◻. В нем могут располагаться электроны, которые рисуют в виде стрелок вверх ↑ или вниз ↓. На заполненной орбитали находится два электрона . 

В принципе Гунда центральное место занимает спиновое квантовое число (направление стрелок в ячейке). Стрелке вверх соответствует спин +1/2, а стрелке вниз —  -1/2. Каждый атом сначала стремится обладать максимальным спином, т. е. первым в ячейку входит электрон со спином +1/2. Поэтому при записи атомной орбитали по правилу Хунда в ячейках первый электрон обозначается стрелкой вверх.

Например, в атоме на р-орбитали располагаются три электрона. Для р-орбитали характерно три ячейки. Электроны могут располагаться разными способами:

1.  
2.  
3.  

Чтобы определить, какой из вариантов верен, необходимо посчитать магнитное спиновое квантовое число для каждого случая.

1. m_s = +1/2-1/2+1/2 = 1/2
2. m_s = +1/2-1/2+1/2 = 1/2
3. m_s = +1/2+1/2+1/2 = 3/2

Т. о. исходя из максимальной суммы спинов, верен последний вариант.

Последствия правила Гунда

Явление ферромагнетизма железа, кобальта, никеля – следствие закона Гунда. 3d-подоболочки этих химических элементов заполнены только частично. В данной ситуации спиновые магнитные моменты не компенсируются. В железе из шести 3d-электронов пять обладают параллельными спинами. У каждого атома железа суммарный спиновой момент большой.

Из-за того что внутри атома электроны отталкиваются и возникло правило Гунда. В итоге энергия атома уменьшается с увеличением расстояния между электронами. Для электронов из одной подоболочки характерны одинаковые направления спинов и различные величины магнитного квантового числа. Поэтому они определяются волновыми функциями с отличными распределениями в пространстве. Электроны с параллельными спинами находятся на большом расстоянии друг от друга, по сравнению со спаренными электронами. Такая конфигурация имеет меньшую энергию и, значит, является более устойчивой.

Запреты правила Гунда

Закон Гунда – фундаментальное правило, в котором есть исключения. Например, у азота валентность равна четырем. В азотной кислоте он с двумя атомами кислорода образует тройную связь по обменному механизму, а еще с одним атомом кислорода — по донорно-акцепторному. Чтобы принять неподеленную пару электронов, у кислорода должна быть свободная орбиталь. Поэтому вопреки правилу Хунда электроны в этом атоме кислорода располагаются следующим образом: 1s²2s²2px²py²pz⁰ вместо 1s²2s²2px²py¹pz¹. Азот не подчиняется правилу Гунда также при образовании оксида азота (V) и любых нитратах.

Запоминание правила Гунда

Чтобы запомнить новую информацию, многие используют метод ассоциаций с бытовыми понятными ситуациями. Например, правило Гунда химики сравнивают с посадкой в автобусе. Если в общественном транспорте есть свободные парные места, то люди, как правило, занимают их в первую очередь. Также и электроны сначала занимают свободные ячейки, а затем приходят в ячейки к другим электронам.