Jak kovalentní vazba vlastně funguje? Zvažte molekulu $ O_2 $ , která má dvojitou kovalentní vazbu mezi molekulami kyslíku. Chemické texty říkají, že dochází k dvojné kovalentní vazbě, protože to dává každému kyslíku osm valenčních elektronů, což je nejstabilnější konfigurace.
Chápu, že oktetové pravidlo funguje pro jeden atom, protože (např.)
Pokud jsme „naivní a řekneme, že elektronové kvantové stavy $ O_2 $ jsou pouze stavy původních dvou molekul kyslíku, pak je nemožné naplnit všechny $ 1s $ , $ 2s $ a $ 2p $ se uvádí, protože tam není dost elektronů. Na hodinách chemie to obcházíme „dvojitým počítáním“ kovalentně vázaných elektronů – nějak se mohou počítat jako valenční elektrony na dvou atomech najednou. Jak ale může být jeden elektron ve dvou kvantových stavech najednou?
Méně naivně bychom mohli říci, že orbitaly $ O_2 $ jsou vytvářeny kombinování jednotlivých atomových orbitalů atomů kyslíku dohromady. V tomto případě mi však oktetové pravidlo nedává smysl, protože molekulové orbitaly vypadají úplně jinak. Jak na tomto obrázku přežije obrázek „oktetového pravidla“ „zcela vyplněné skořápky“?
Odpověď
Ve fyzikální chemii je tento problém obvykle řešen v teorii MO-LCAO.
To, co děláte, je předpokládat, že můžete vytvořit molekulární orbitaly molekuly jako lineární kombinaci atomové orbitaly atomů v molekule (MO-LCAO znamená Molekulární orbitaly – lineární kombinace atomových orbitalů ). Proto vaše atomové orbitaly jsou matematické základy, na kterých promítáte (pomocí některých koeficientů) své molekulární orbitaly. Problém se dále zjednoduší, pokud se domníváte, že atomové orbitaly, které se budou kombinovat, by měly mít stejný znak pro operace symetrie možné pro tuto molekulu (to znamená že každá atomová orbitální kombinace by měla patřit do stejné skupiny bodů, v o rder, aby jejich lineární kombinace patřily do této skupiny). Můžete tedy vytvořit SALC ( Lineární kombinace přizpůsobené symetrii ), lineární kombinace atomových orbitalů stejné skupiny bodů a použít je jako silnější matematický základ pro molekulární orbitaly.
Uvedené, můžete vypočítat koeficienty lineární kombinace a energii každé molekulární orbity. Získáte určitý počet úrovní (stejný počet atomových orbitalů uvažovaných ve vaší základní sadě) seřazených podle jejich energie. Nyní můžete rozlišovat mezi třemi typy molekulárních orbitalů:
-
bonding , atomové orbitaly konstruktivně zasahují do oblasti mezi dvěma atomy;
-
antibonding , atomové orbitaly destruktivně zasahují do oblasti mezi dvěma atomy;
-
nespojující je molekulární oběžná dráha téměř totožná s jednou atomovou oběžnou dráhou (koeficient určité atomové oběžné dráhy je mnohem vyšší než u ostatních).
Můžete je rozlišit (na velmi základní úrovni) reprezentací zúčastněných atomových orbitalů a jejich znaménkem v oblasti mezi atomy: pokud mají stejné znaménko, spojují se, jinak jsou antibondingové. (Vezměte prosím na vědomí, že tím zapomenu na velikost koeficientu, která by měla být ve většině případů relevantní.)
Nyní máte jakýsi „žebřík“ molekulárních orbitalů a víte, zda je každý krok spojen či nikoli . Nyní můžete dát elektrony (stejné číslo jako součet elektronů, které jste v atomových orbitálech použili ve své základní sadě), jak jste to udělali pro izolované atomy: zdola nahoru, dva elektrony v každé úrovni, antiparalelní rotace a atd. (stejná pravidla, i když máte více úrovní se stejnou energií).
Nyní se můžete vrátit ke klasickému chemickému rámci pomocí takzvaného pořadí vazeb : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$, kde $ n $ je počet elektronů ve vazebných orbitálech a $ n ^ * $ je počet elektronů v antibondingových orbitálech (nespojující orbitály se nepočítají). pořadí vazeb říká (je-li to celé číslo), kolik vazeb v klasickém obrázku představujeme, a tím se vracíme zpět k konceptu oktetového pravidla.
Ve skutečnosti zvažte valenční skořápku kyslíku. atomovými orbitaly $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ a obsahuje šest elektronů. Jejich kombinací (a ignorováním interakce mezi $ 2s $ a $ 2p_z $, by to bylo možné a pouze by se to změnilo energie těchto molekulárních orbitalů) získáte 4 $ \ krát 2 $ molekulární orbitaly (vrchol * znamená, že jsou antibondingové).
Vyvolení rony pro kyslík jsou černé (červené jsou přidány při zohlednění molekuly F $ _2 $).
Vazebné molekulární orbitaly z obalu tohoto typu jsou čtyři, tedy celkem vazebných elektronů je osm. Přichází pravidlo oktetu, ale tento druh uvažování se snaží zapadnout empirický a špatný způsob uvažování do silnějšího a kvantového rámce.
Vezměte prosím na vědomí, že moje odpověď je ze skutečně úvodního a základního hlediska; od toho se věci mohou mnohem komplikovat.
Komentáře
- Děkujeme za odpověď! To, co jste ‚ řekli, má smysl, ale nerozumím tomu, jak to vede k pravidlu oktetů ‚. Jakmile vypočítáme pořadí vazeb, proč atomy končí s oktety?
- @knzhou jsem ‚ upravil, abych se pokusil odpovědět konkrétnějším příkladem (a opravena chyba v definici pořadí dluhopisů).
- @knzhou Pravidlo oktectu je nesprávné. Existuje spousta výjimek. Pravidlo oktetu bylo navrženo mnohem dříve, než byl položen základ kvantové mechaniky ‚.
- To dává velký smysl. Máte přímé zkušenosti se simulací orbitalů v molekulách? Důvod, proč se ptám, je ten, že když se simulují spojené optické vlnovody, dá se často aproximovat, že vlastní pole spojené struktury jsou lineární kombinace nespojených vlastních vlnovodů – přímý analog MO-LCAO. Problémy s vlnovodem s vlastní funkcí jsou přesně analogické s odpovídajícími problémy Sturm-Liouville odvozenými z nerelativistických Schr ö dingerových rovnic. To je krásné pro koncepci, ale ‚ sa mizerná aproximace, jakmile je spojka …
- … vůbec silná. Aby byly vlnovody přesné, musí být překvapivě slabě spřaženy. Ceníte si přesnosti MO-LCAO například pro něco jako molekula $ O_2 $?
Odpověď
Oktetové pravidlo je staré a nepřesné (nemá nic společného s kvantovou mechanikou a je podloženo pouze“ empirickými „důkazy)
Pravidlo oktetu bylo navrženo mnohem dříve, než byly založeny základy kvantové mechaniky.
Zde je výňatek z Wikipedie:
Oktetové pravidlo je chemické pravidlo, které odráží pozorování, že atomy hlavních skupinové prvky mají tendenci se kombinovat takovým způsobem, že každý atom má ve své valenční skořápce osm elektronů, což mu dává stejnou elektronickou konfiguraci jako vzácný plyn. Toto pravidlo platí zejména pro uhlík, dusík, kyslík a halogeny, ale také pro kovy, jako je sodík nebo hořčík.
Zde je třeba si uvědomit tyto důležité body:
- “ chemické pravidlo, které odráží pozorování „: stanovené pouze na základě pozorování
- Pravidlo je zvláště použitelné pro uhlík, dusík, kyslík a halogeny, ale také pro kovy, jako je sodík nebo hořčík : funguje pro většinu sloučeniny tvořené pouze prvky prvních několika období periodické tabulky.
Nejenže existuje několik výjimek z pravidla, když se berou v úvahu atomy nad atomovým číslem 20, existují výjimky z pravidla, když se berou v úvahu i některé prvky z nižších období ( není překvapením):
- existují stabilní atomy, které mají neúplně vyplněnou valenční skořápku, ale jsou stále stabilní ($ BCl_3 $, zde hraje roli tzv. zpětná vazba, která zajišťuje okamžitý oktet pro bor atom)
- existují stabilní atomy s lichým počtem elektronů (oxid dusnatý, $ NO $; oxid dusičitý, $ NO_2 $; oxid chloričitý, $ ClO_2 $)
- existují stabilní atomy atomy s více než 8 valenčními elektrony ($ SF_6 $ má 12 elektronů obklopujících centrální atom, tj. síru)
Abych to všechno řekl v kostce, pravidlo oktetu je není správné.
Jak funguje pravidlo oktetu?
V chemii s, obejdeme to „dvojím počítáním“ kovalentně vázaných elektronů – nějak se mohou počítat jako valenční elektrony na dvou atomech najednou. Jak ale může být jeden elektron ve dvou kvantových stavech najednou?
Oktetové pravidlo říká, že atomy mají tendenci tvořit molekuly tak, že mají 8 elektronů v jejich valenční schránce. Nezáleží na tom, zda je elektron osamělý pár (nebo radikální elektron) nebo zda se jedná o vázaný elektron; jakýkoli typ elektronu je možná, je stále součástí atomu.
Nepočítáte dvojnásobně, počítáte všechny sdílené elektrony, protože jsou součástí atomu. Jak název napovídá, elektrony jsou sdíleny; proto jsou při počítání zahrnuty sdílené elektrony.
Proč dnes stále používáme pravidlo oktetu?
Stále používáme oktetové pravidlo, protože je snazší pochopit a popisuje chování většiny běžných sloučenin (sloučenin tvořených několika prvními prvky). „Nechcete Molekulární orbitální teorii v učebnici 10 $ $ {th} $, že?
Molekulární orbitální teorie
Toto je nejnovější teorie, která vysvětluje formace vazeb. JackI stručně a elegantně vysvětlil molekulární orbitální teorii.
Komentáře
- Mám soubor, kterému říkám “ kolekce molekul “ – většina molekul je vybrána tak, aby byla divná (například v případě, že se neřídí oktetovým pravidlem), velká nebo jen z estetického hlediska. Začal jsem to částečně proto, že se mi moc líbilo, že z pravidla oktetu lze vytvořit mnoho podivných molekulárních geometrií – v některých případech i bez uhlíku, jak je vidět v en. wikipedia.org/wiki/Decaborane . A hledal jsem tuto otázku, protože jsem měl podezření, že oktetové pravidlo mohlo být jen pravidlem, které nefunguje tak dobře, ale vyhýbá se molekulární orbitální teorii. Dobré vědět.