Hvordan fungerer kovalent binding faktisk?

I fysisk kemi behandles dette problem normalt i MO-LCAO teori.

Hvad du gør er at antage, at du kan skabe molekylære orbitaler i molekylet som en lineær kombination de atomare orbitaler af atomerne i molekylet (MO-LCAO står for Molecular Orbitals – Lineær kombination af atomorbitaler ). Derfor er dine atomorbitaler er et matematisk basissæt, hvorpå du projicerer (ved hjælp af nogle koefficienter) dine molekylære orbitaler. Problemet forenkles yderligere, hvis du mener, at de atomare orbitaler, der kombineres sammen, skal have samme karakter for de symmetrioperationer, der er mulige for det molekyle (det betyder at hver kombination af atomkredsløb skal tilhøre den samme punktgruppe, i o rder for deres lineære kombinationer at tilhøre den gruppe). Du kan derfor oprette SALC ( Symmetry-tilpassede lineære kombinationer ), lineære kombinationer af atomorbitaler i den samme punktgruppe og bruge dem som et mere kraftfuldt matematisk grundsæt til de molekylære orbitaler.

Angivet dette kan du beregne koefficienterne for den lineære kombination og energien for hver molekylær orbital. Hvad du får er et bestemt antal niveauer (det samme antal atomorbitaler, der betragtes i dit basissæt), ordnet efter deres energi. Du kan nu skelne mellem tre typer molekylære orbitaler:

• binding , de atomare orbitaler interfererer konstruktivt i regionen mellem de to atomer;

• antibondering , de atomare orbitaler interfererer destruktivt i regionen mellem de to atomer;

• ikke-binding , den molekylære orbital er næsten identisk med en atombane (koefficienten for en bestemt atombane er langt større end de andre).

Du kan skelne (på et meget grundlæggende niveau) mellem dem ved at repræsentere de involverede atomorbitaler og deres tegn i regionen mellem atomerne: hvis de har det samme tegn, de binder, ellers er de bindende. (Bemærk, at ved at gøre dette glemmer jeg størrelsen af koefficienten, som i de fleste tilfælde skal være relevant.)

Nu har du en slags “stige” af molekylære orbitaler, og du ved, om hvert trin binder eller ikke . Du kan nu anbringe elektronerne (samme antal som summen af elektronerne, der hvor i atomorbitalerne, du brugte i dit basissæt), som du gjorde for isolerede atomer: fra bund til top, to elektroner i hvert niveau, antiparallel spin og så videre (de samme regler også hvis du har flere niveauer i samme energi).

Du kan nu gå tilbage til en klassisk kemiramme ved hjælp af den såkaldte bindingsrækkefølge : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ hvor $ n $ er antallet af elektroner i bindingsorbitaler og $ n ^ * $ er antallet af elektroner i anti-bindende orbitaler (ikke-bindende orbitaler tæller bare ikke). bindingsrækkefølge fortæller (hvis det er et heltal), hvor mange obligationer vi repræsenterer i et klassisk billede, hvorved vi går tilbage til begrebet oktetregel.

Overvej faktisk iltets valensskal. Det er lavet af atomorbitalerne $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ og den indeholder seks elektroner. Ved at kombinere disse (og ignorere interaktionen mellem $ 2s $ og $ 2p_z $, kan det være muligt, og det ændrer kun energien fra disse molekylære orbitaler) får du $ 4 \ gange 2 $ molekylære orbitaler (toppunktet * betyder, at de er anti-bindende).

De udvalgte rons for ilt er sorte (røde tilføjes, når man overvejer F $ _2 $ -molekylet).

De bindende molekylære orbitaler fra en skal af denne type er fire, derfor er summen af bindingselektronerne otte. Her kommer oktetreglen, men denne form for ræsonnement forsøger at passe en empirisk og forkert måde at ræsonnere ind i en mere magtfuld og kvante ramme.

Bemærk, at mit svar er fra et virkelig indledende og grundlæggende synspunkt; ting, der starter med dette, kan blive meget mere komplicerede.

Kommentarer

• Tak for svaret! Hvad du ‘ har sagt giver mening, men jeg forstår stadig ikke ‘ hvordan dette fører til oktetreglen. Når vi først har beregnet obligationsrækkefølgen, hvorfor ender atomer med oktetter?
• @knzhou I ‘ har redigeret for at prøve at svare med et mere specifikt eksempel (og rettet en fejl i definitionen af obligationsordren).
• @knzhou Oktektreglen er forkert. Der er mange undtagelser. Oktetreglen blev foreslået meget inden grundlæggelsen af kvantemekanik ‘ blev lagt.
• Dette giver meget mening. Har du direkte erfaring med at simulere orbitaler i molekyler? Årsagen til, at jeg spørger, er, at når koblede optiske bølgeledere simuleres, foretager man ofte en tilnærmelse til, at egenfelterne i den koblede struktur er lineære kombinationer af de frakoblede bølgeleder egenfelter – den direkte analog til MO-LCAO. Faktisk er bølgelederens egenfunktionsproblemer nøjagtigt analoge med de tilsvarende Sturm-Liouville-problemer, der stammer fra ikke-relativistisk Schr ö dingerligninger Dette er smukt til undfangelse, men det ‘ sa elendig tilnærmelse, så snart koblingen …
• … overhovedet er stærk. Bølgelederne skal være overraskende svagt koblet for at det skal være nøjagtigt. Har du nogen forståelse for nøjagtigheden af MO-LCAO for f.eks. Noget som $ O_2 $ -molekylet?