Reguła Hunda
Reguła Hunda opisuje stan podstawowy elektronów w kilku orbitalach o tej samej energii: najpierw zajmują różne orbitale z równoległymi projekcjami spinu, a dopiero potem zaczynają się parować. Reguła nie zastępuje zakazu Pauliego i nie mówi o kolejności energii różnych podpowłok.
Najpierw pojedynczo, potem pary
Podpowłoka p zawiera trzy orbitale. Dla 2p² stan podstawowy zapisujemy jako ↑ ↑ _, a nie ↑↓ _ _. Dla 2p³ otrzymujemy ↑ ↑ ↑; dopiero czwarty elektron rozpoczyna parowanie.
To samo rozumowanie działa w pięciu orbitalach d i siedmiu orbitalach f. Liczba możliwych orbitali wynika z mℓ, natomiast Hund wybiera sposób obsadzenia wśród zdegenerowanych stanów.
Hund i Pauli odpowiadają na różne pytania
Pauli mówi, że dwa elektrony w jednym orbitalu muszą różnić się spinem i że nie mogą mieć identycznego kompletu czterech liczb kwantowych. Hund mówi, jak rozdzielić elektrony pomiędzy kilka równoważnych orbitali.
Dlatego konfiguracja ↑↓ ↑ _ jest zgodna z Paulim, ale dla trzech elektronów p nie jest najniższym stanem energetycznym zgodnym z Hundem. Poprawny stan podstawowy to ↑ ↑ ↑.
Obsadź podpowłokę p
Dlaczego równoległe spiny mogą obniżać energię
Nie chodzi o klasyczne „odpychanie spinów”. Antysymetria funkcji falowej elektronów o równoległym spinie zmienia ich korelację przestrzenną i może zmniejszać średnie odpychanie elektron–elektron. W chemii mówi się często o stabilizacji wymiennej.
Pełne wyjaśnienie wymaga mechaniki kwantowej i całkowitej energii atomu. Szkolna reguła jest skutecznym skrótem przewidującym wiele stanów podstawowych, ale nie powinna być przedstawiana jako siła mechaniczna.
Niesparowane elektrony dają magnetyczny ślad
Atom lub jon z niesparowanymi elektronami ma moment magnetyczny i zwykle jest paramagnetyczny. Na przykład atom N z 2p³ ma trzy niesparowane elektrony, podczas gdy Ne z zamkniętym 2p⁶ nie ma niesparowanych elektronów.
Liczba niesparowanych elektronów jest więc sprawdzalną konsekwencją diagramu orbitalnego. W kompleksach metali przejściowych rozszczepienie orbitali d może jednak konkurować z energią parowania, prowadząc do stanów wysoko- i niskospinowych.
Zakres stosowania reguły
Hund stosuje się do orbitali bliskich lub równych energią w danym modelu. Jeśli pole ligandów silnie rozszczepi orbitale d, najniższy stan może wymagać porównania energii rozszczepienia z energią parowania.
Nie wolno też mieszać Hunda z regułą Aufbau: Aufbau wybiera, które podpowłoki są niżej energetycznie, Pauli ogranicza obsadzenie jednego orbitalu, a Hund rozdziela elektrony pomiędzy orbitale równoważne.
Przykłady rozwiązane
1. 2p²
Rozwiązanie
Stan podstawowy: ↑ ↑ _. Dwa elektrony zajmują różne orbitale przed parowaniem.
2. 2p⁴
Rozwiązanie
Po trzech pojedynczych elektronach czwarty rozpoczyna parę: ↑↓ ↑ ↑.
3. Azot i neon
Rozwiązanie
N: 2p³ ma trzy niesparowane elektrony i jest paramagnetyczny; Ne: 2p⁶ ma wszystkie elektrony sparowane.