훈트 규칙
다전자 원자에서 전자가 채워지는 3가지 규칙: 쌓음 원리, 파울리 배타 원리, 훈트 규칙
1. 개요
독일의 물리학자 프리드리히 훈트가 발견한 규칙.
각 원자의 바닥 상태의 전자 배열은 에너지 상태가 같은 원자 궤도에 전자가 배치될 때, 가능한 한 짝짓지 않는 전자들이 많도록 전자가 채워진다는 것이다. 이때 짝짓지 않는 전자를 홀전자 라고 하는데, 홀전자의 수가 많은 전자 배치가 더 안정하다.
2. 고등학생을 위한 설명
홀전자를 가진 오비탈의 개수가 최대가 되도록 전자를 우선배치한다.(전자들의 스핀 방향은 모두 같다.)
하나의 오비탈에는 스핀이 서로 다른 전자 2개가 들어갈 수 있다고 하는데, 이때 전자 2개가 풀로 채워진 오비탈보다 전자 1개씩 우선적으로 채워진 오비탈이 더 안정적이라는 뜻이다. 이는 원자에 전자가 배치될 때 전자 간의 반발력을 줄이기 위해서이다.
이 때문에 예외적으로 훈트의 규칙을 만족하지 않는 원소가 생기는데, 이는 크로뮴과 구리다. d오비탈에 전자가 5개 채워져 있거나, 10개 채워져있으면 안정해진다고 생각하면 된다. 참고로 Cr : [Ar] 4s1 3d5, Cu : [Ar] 4s1 3d10이다.
3. 전공자를 위한 설명
위의 설명은 양자역학을 배우지 않은 화학 입문자를 위해 쉽게 번역된 버전이다. 원본이나 쉬운 버전이나, 계의 에너지를 최소화하기 위해, 원자 내에서 전자가 어떻게 배치되는지를 논하는 것은 똑같은데, 핵심인 법칙은 크게 다르다.
- 1. 스핀 양자수(S)를 최대화한다. 이 규칙은 파울리 배타 원리에 기반한 것인데, 모든 전자의 파동함수가 쿨롱 힘에 의한 에너지를 최소화하게 되므로 홀전자를 가진 오비탈이 최대가 되게 된다. 고등학교 수준의 설명은 바닥 상태인 단일 원자에 대해서만 다루므로, 이 첫 번째 규칙만으로 서술해도 크게 문제가 없다.
- 2. 궤도 양자수(L)를 최대화한다.
- 3. 총 각운동량 양자수 J를 결정한다. 스핀-오비탈 상호작용에 의한 에너지를 최소화하기 위한 방법으로 제시되었으며, 만약 최외각 오비탈에 있는 전자의 수가 절반 이하라면 J는 L과 S의 차이가 되며, 절반 이상이 경우에는 L과 S의 합이 된다. 절반이라면 오직 하나의 J를 갖는다.