CFT 이론에서는 왜 일반적인 전자배치에 어긋나는 전자배치도 가능한 것인가요?

Question

안녕하세요. 원래 전자배치를 할 경우에는 훈트의 규칙에 만족할 수 있도록 스핀 양자수의 합이 최대가 되도록 전자를 배치하는데요, CFT 이론에서는 왜 일반적인 전자배치에 어긋나는 전자배치도 가능한 것인가요?

Answer 1

안녕하세요. 네, 맞습니다. 말씀해주신 것과 같이 일반적으로 원자나 이온의 전자배치는 아우프바우 원리, 낮은 에너지 준위부터 채우라는 법칙과 파울리 배타 원리, 한 오비탈에 최대 두 전자, 스핀 반대로 채우라는 법칙 그리고 훈트의 규칙, 같은 에너지 준위에서는 최대한 홀전자 유지를 따르는데요, 그런데 배위화학에서 CFT(결정장 이론)를 적용하면, 때로는 이 규칙과 달라 보이는 전자배치가 나타나기도 합니다.

CFT 이론에서의 핵심은 d 오비탈의 에너지 갈라짐인데요, 자유 이온일 때 d 오비탈은 5개가 동등한 에너지를 가집니다.그러나 옥타헤드랄, 테트라헤드랄 등 리간드들이 금속 이온 주위에 배열되면, 리간드의 음전하 전자 구름과 d 오비탈 전자 사이의 정전기적 반발 때문에 d 오비탈이 두 그룹으로 갈라집니다. 또한 전자 배치를 할 때 선택지는 두 가지인데요, 리간드장 분리 에너지 Δ (Δoct)가 작을 때에는 전자가 높은 오비탈(e_g)에 들어가더라도 반발 비용이 적으므로, 훈트의 규칙을 따르기 때문에 이를 고스핀 배치라고 합니다. 하지만 Δ가 클 때에는 전자가 높은 오비탈로 가기보다는 낮은 오비탈에 짝지어 들어가는 게 더 안정적이며 이를 저스핀 배치이라고 하며 즉, 전자배치가 일반적인 훈트의 규칙과 달라지는 것처럼 보이는 이유는, 스핀을 맞추었을 때의 이점과 오비탈 간 에너지 차이(Δ)의 경쟁 때문이라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.