훈트의 최대 다중도 규칙

훈트의 최대 다중도 규칙은 원자 스펙트럼 관찰을 기반으로 한 규칙으로, 하나 이상의 열린 전자 껍질을 가진 원자 또는 분자의 바닥 상태를 예측하는 데 사용된다. 이 규칙은 주어진 전자 배열에 대해 가장 낮은 에너지 항은 스핀 다중도 값이 가장 큰 항이라고 명시한다.T. Engel and P. Reid, Physical Chemistry (Pearson Benjamin-Cummings, 2006) , pp. 477–479 이는 동일한 에너지를 가진 두 개 이상의 원자 궤도를 사용할 수 있는 경우, 전자가 쌍으로 채워지기 전에 먼저 단독으로 점유할 것임을 의미한다. 프리드리히 훈트가 1925년에 발견한 이 규칙은 원자 화학, 분광학, 양자화학에서 중요한 사용법을 가지며, 종종 훈트의 다른 두 규칙을 무시하고 훈트 규칙으로 약칭된다.

 원자 
상태의 다중도는 2S + 1로 정의되며, 여기서 S는 총 전자 스핀이다.Engel and Reid p.473 따라서 높은 다중도 상태는 높은 스핀 상태와 동일하다. 최대 다중도를 갖는 가장 낮은 에너지 상태는 일반적으로 모든 홀전자가 평행 스핀을 갖는다. 각 전자의 스핀은 1/2이므로, 총 스핀은 홀전자의 수의 절반이고, 다중도는 홀전자의 수 + 1이다. 예를 들어, 질소 원자의 바닥 상태는 평행 스핀을 가진 세 개의 홀전자를 가지므로, 총 스핀은 3/2이고 다중도는 4이다.

원자의 낮은 에너지와 증가된 안정성은 높은 스핀 상태가 평행 스핀을 가진 홀전자를 가지기 때문에 발생하며, 이는 파울리 배타 원리에 따라 다른 공간의 오비탈에 있어야 한다. 높은 다중도 상태의 낮은 에너지에 대한 초기에는 부정확한 설명은 다른 점유된 공간 오비탈이 전자 사이에 더 큰 평균 거리를 만들어서 전자-전자 반발 에너지를 줄인다는 것이었다. 그러나 1970년대 이후 정확한 파동 함수를 사용한 양자 역학 계산은 안정성 증가의 실제 물리적 이유는 전자-핵 인력의 가림 감소이며, 이로 인해 홀전자가 핵에 더 가까이 접근할 수 있고 전자-핵 인력이 증가한다는 것을 보여주었다.

훈트 규칙의 결과로, 쌓음 원리를 사용하여 바닥 상태에서 원자 궤도가 채워지는 방식에 제약이 가해진다. 어떤 두 전자가 부껍질의 궤도를 점유하기 전에, 같은 부껍질의 다른 궤도에는 먼저 각각 하나의 전자가 포함되어야 한다. 또한, 부껍질을 채우는 전자들은 궤도가 반대 스핀 전자로 채워지기 시작하기 전에 (첫 번째 궤도가 두 번째 전자를 얻은 후에) 평행 스핀을 가질 것이다. 그 결과, 원자 궤도를 채울 때 최대 수의 홀전자 (따라서 최대 총 스핀 상태)가 보장된다.

예를 들어, 산소 원자에서 2p4 부껍질은 전자를 [↑↓] [↑] [↑] 대신 [↑↓] [↑] [↓] 또는 [↑↓] [↑↓][ ]으로 배열한다. 망가니즈(Mn) 원자는 모든 전자가 평행 스핀을 갖는 5개의 홀전자를 가진 3d5 전자 배열을 가지며, 이는 6S 바닥 상태에 해당한다.NIST Atomic Spectrum Database To read the manganese atom levels, type "Mn I" in the Spectrum box and click on Retrieve data. 위첨자 6은 훈트 규칙에 따라 평행 스핀을 가진 5개의 홀전자에 해당하는 다중도 값이다.

원자는 에너지상 가까운 두 개의 불완전히 채워진 부껍질을 가진 바닥 상태를 가질 수 있다. 가장 가벼운 예는 3d54s 전자 배열을 가진 크롬(Cr) 원자이다. 여기에는 7S 바닥 상태에 대해 모든 전자가 평행 스핀을 갖는 6개의 홀전자가 있다.NIST Atomic Spectrum Database To read the chromium atom levels, type "Cr I" in the Spectrum box and click on Retrieve data.

 분자 
대부분의 안정적인 분자는 닫힌 전자 껍질을 가지고 있지만, 일부는 훈트 규칙이 적용되는 홀전자를 가지고 있다. 가장 중요한 예는 이산소 분자, O2로, 두 개의 반결합 분자 오비탈 (π*)이 단 두 개의 전자로 점유된 축퇴된 파이 오비탈을 가지고 있다. 훈트 규칙에 따라, 바닥 상태는 단독으로 점유된 궤도에 두 개의 홀전자를 가진 삼중항 산소이다. 하나는 이중 점유되고 다른 하나는 비어 있는 π*를 가진 단일항 산소 상태는 다른 화학적 특성과 바닥 상태보다 더 큰 반응성을 가진 들뜬 상태이다.

섬네일|right|산소 원자(그림의 양쪽)와 이산소 분자(중앙)의 바닥 상태 원자가 궤도. 원자와 분자 모두에서 단독으로 점유된 궤도의 전자는 스핀이 평행하다.

 예외 
 2004년에 연구원들은 훈트 규칙을 위반하는 것으로 알려진 최초의 유기 분자인 5-데하이드로-m-자일릴렌 (DMX)의 합성을 보고했다.

 같이 보기 
 훈트 규칙 (이 규칙과 2가지 다른 규칙을 포함)
 고스핀 금속

 각주 

 외부 링크 
 퍼듀 대학교 화학과 웹사이트에 게시된 용어집 항목

분류:양자화학
분류:규칙