¿Cómo funciona realmente la unión covalente?

En química física, este problema generalmente se trata en la teoría MO-LCAO.

Lo que debe hacer es asumir que puedes crear los orbitales moleculares de la molécula como una combinación lineal de los orbitales atómicos de los átomos en la molécula (MO-LCAO significa Orbitales moleculares – Combinación lineal de orbitales atómicos ). Por lo tanto, tus orbitales atómicos son un conjunto de bases matemáticas sobre las cuales proyecta (usando algunos coeficientes) sus orbitales moleculares. El problema se simplifica aún más si considera que los orbitales atómicos que se combinarán deben tener el mismo carácter para las operaciones de simetría posibles para esa molécula (significa que cada combinación de orbitales atómicos debe pertenecer al mismo grupo de puntos, en o rder que sus combinaciones lineales pertenezcan a ese grupo). Por lo tanto, puede crear SALC ( Combinaciones lineales adaptadas a la simetría ), combinaciones lineales de orbitales atómicos del mismo grupo de puntos, y usarlas como un conjunto de bases matemáticas más poderosas para los orbitales moleculares.

Dicho esto, puede calcular los coeficientes de la combinación lineal y la energía de cada orbital molecular. Lo que obtienes es un cierto número de niveles (el mismo número de orbitales atómicos considerados en tu conjunto básico) ordenados por su energía. Ahora puede distinguir entre tres tipos de orbitales moleculares:

• enlace , los orbitales atómicos interfieren constructivamente en la región entre los dos átomos;

• antienlazante , los orbitales atómicos interfieren destructivamente en la región entre los dos átomos;

• sin enlace , el orbital molecular es casi idéntico a un orbital atómico (el coeficiente de un orbital atómico determinado es mucho mayor que los demás).

Puede distinguir (a un nivel muy básico) entre ellos representando los orbitales atómicos involucrados y su signo en la región entre los átomos: si tienen el mismo signo, están uniendo, de lo contrario, están antienlazando. (Tenga en cuenta que al hacer esto me olvido de la magnitud del coeficiente, que debería ser relevante en la mayoría de los casos).

Ahora tienes una especie de «escalera» de orbitales moleculares y sabes si cada paso se une o no . Ahora puede poner los electrones (el mismo número que la suma de los electrones que estaban en los orbitales atómicos que usó en su conjunto base) como lo hizo para los átomos aislados: de abajo hacia arriba, dos electrones en cada nivel, espín antiparalelo y así sucesivamente (las mismas reglas también si tienes más niveles con la misma energía).

Ahora puede volver a un marco de química clásico utilizando el llamado orden de enlace : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ donde $ n $ es el número de electrones en los orbitales enlazantes y $ n ^ * $ es el número de electrones en los orbitales antienlazantes (los orbitales no enlazantes simplemente no cuentan). El orden de enlace dice (si es un número entero) cuántos enlaces representamos en una imagen clásica, volviendo así al concepto de regla del octeto.

De hecho, considere la capa de valencia del oxígeno. por los orbitales atómicos $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ y contiene seis electrones. Al combinar estos (e ignorar la interacción entre $ 2s $ y $ 2p_z $, eso podría ser posible y eso solo modifica la energía de estos orbitales moleculares) obtienes $ 4 \ veces 2 $ orbitales moleculares (el ápice * significa que están antienlazantes).

Los elegidos rones para el oxígeno son negros (los rojos se agregan cuando se considera la molécula F $ _2 $).

Los orbitales moleculares de enlace de una capa de este tipo son cuatro, por lo que el total de electrones de enlace es ocho. Aquí viene la regla del octeto, pero este tipo de razonamiento está tratando de encajar una forma de razonamiento empírica e incorrecta en un marco cuántico más poderoso.

Tenga en cuenta que mi respuesta es desde un punto de vista realmente básico e introductorio; las cosas, a partir de esto, pueden volverse mucho más complicadas.

Comentarios

• ¡Gracias por la respuesta! Lo que ‘ ha dicho tiene sentido, pero todavía no ‘ entiendo cómo esto lleva a la regla del octeto. Una vez que calculamos el orden de enlace, ¿por qué los átomos terminan con octetos?
• @knzhou I ‘ he editado para tratar de responder con un ejemplo más específico (y corrigió un error en la definición de orden de enlace).
• @knzhou La regla de octecto es incorrecta. Hay muchas excepciones. La regla del octeto se propuso mucho antes de que se estableciera la base de la mecánica cuántica ‘.
• Esto tiene mucho sentido. ¿Tiene experiencia directa simulando orbitales en moléculas? La razón por la que pregunto es que, cuando se simulan guías de ondas ópticas acopladas, a menudo se hace una aproximación de que los campos propios de la estructura acoplada son combinaciones lineales de los campos propios de guías de ondas desacopladas, el análogo directo de MO-LCAO. De hecho, los problemas de función propia de la guía de ondas son exactamente análogos a los problemas de Sturm-Liouville correspondientes que se derivan de las ecuaciones de Schr ö dinger no relativistas Esto es hermoso para la concepción, pero ‘ es una pésima aproximación tan pronto como el acoplamiento …
• … es del todo fuerte. Las guías de ondas tienen que estar acopladas sorprendentemente débilmente para que sean precisas. ¿Tiene alguna apreciación de la precisión de MO-LCAO para, digamos, algo como la molécula $ O_2 $?

La regla del octeto es antigua y no es precisa (no tiene nada que ver con la mecánica cuántica y está respaldada solo por evidencia» empírica «)

La regla del octeto se propuso mucho antes de que se establecieran los fundamentos de la mecánica cuántica.

Aquí hay un extracto de Wikipedia:

La regla del octeto es una regla química que refleja la observación de que los átomos de Los elementos del grupo tienden a combinarse de tal manera que cada átomo tiene ocho electrones en su capa de valencia, lo que le da la misma configuración electrónica que un gas noble. La regla es especialmente aplicable al carbono, nitrógeno, oxígeno y los halógenos, pero también a metales como el sodio o el magnesio.

Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Octet_rule

Los puntos importantes a tener en cuenta aquí son:

• » una regla química que refleja la observación «: establecida basándose únicamente en observaciones
• La regla es especialmente aplicable al carbono, nitrógeno, oxígeno y halógenos, pero también a metales como sodio o magnesio : funciona para la mayoría de los compuestos formados por los elementos de los primeros períodos de la tabla periódica solamente.

No solo hay varias excepciones a la regla cuando se consideran átomos por encima del número atómico 20, hay excepciones a la regla cuando algunos de los elementos de los períodos inferiores también se consideran ( no es una sorpresa):

• hay átomos estables que tienen una capa de valencia incompleta pero aún son estables ($ BCl_3 $, un fenómeno llamado enlace inverso juega un papel aquí que asegura un octeto momentáneo para el boro átomo)
• hay átomos estables con un número impar de electrones (óxido nítrico, $ NO $; dióxido de nitrógeno, $ NO_2 $; dióxido de cloro, $ ClO_2 $)
• hay átomos con más de 8 electrones de valencia ($ SF_6 $ tiene 12 electrones rodeando el átomo central, es decir: azufre)

Para poner todo en pocas palabras, la regla del octeto es no correcto.

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¿Cómo funciona la regla del octeto?

En clase de química s, solucionamos esto «contando dos veces» los electrones enlazados covalentemente; de alguna manera, pueden contar como electrones de valencia en dos átomos a la vez. Pero, ¿cómo puede un solo electrón estar en dos estados cuánticos a la vez?

La regla del octeto establece que los átomos tienden a formar moléculas de modo que tengan 8 electrones en su capa de valencia. No importa si el electrón es un par solitario (o un electrón radical) o si es un electrón enlazado; sea cual sea el tipo de electrón que sea, sigue siendo parte del átomo.

No cuentas dos veces, cuentas todos los electrones compartidos porque son parte del átomo. Como su nombre lo indica, los electrones están siendo compartidos; por lo tanto, los electrones compartidos se incluyen mientras se cuentan.

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¿Por qué todavía usamos la regla del octeto hoy?

Todavía usamos la regla del octeto en la actualidad, ya que es más fácil de entender y describe el comportamiento de la mayoría de los compuestos comunes (los compuestos formados por los primeros elementos). «No quiero la teoría de orbitales moleculares en un libro de texto de $ 10 ^ {th} $ de grado, ¿verdad?

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Teoría de orbitales moleculares

Esta es la última teoría que explica las formaciones de enlaces. JackI ha dado una explicación concisa y ordenada de la teoría de la órbita molecular.

Comentarios

• Tengo un archivo que llamo » colección de moléculas » – la mayoría de las moléculas se seleccionan por ser raras (como no seguir la regla del octeto, por ejemplo), grandes o simplemente estéticamente agradables. Lo inicié en parte porque me encantó el hecho de que se podían formar muchas geometrías moleculares extrañas a partir de la regla del octeto, en algunos casos incluso sin carbono involucrado, como se puede ver en en. wikipedia.org/wiki/Decaborane . Y estaba buscando esta pregunta porque sospechaba que la regla del octeto podría haber sido solo una regla que no ‘ t funciona tan bien, pero evita la teoría de orbitales moleculares. Es bueno saberlo.