Kuinka kovalenttinen sidos todella toimii? Tarkastellaan molekyyliä $ O_2 $ , jolla on kaksoiskovalenttinen sidos happimolekyylien välillä. Kemian teksteissä sanotaan, että kaksoiskovalenttinen sidos tapahtuu, koska tämä antaa jokaiselle hapelle kahdeksan valenssielektronia, mikä on vakain konfiguraatio.
Ymmärrän, että oktettisääntö toimii yhdellä atomilla, koska (esim. span class = ”math-container”> $ 3s $ -tilassa on paljon enemmän energiaa kuin $ 2p $ -tilassa. En ole kuitenkaan varma, miten tämä koskee kahden atomin molekyyliä. On kaksi tapaa selittää se:
Jos ”olemme naiiveja ja sanomme, että $ O_2 $ ovat vain kahden alkuperäisen happimolekyylin tilat, joten kaikkia $ 1s $ -kohteita ei voida täyttää. , $ 2s $ ja $ 2p $ -tilat, koska vain ei ole tarpeeksi elektroneja. Kemian luokassa kiertää tämä ”kaksoislaskemalla” kovalenttisesti sitoutuneita elektroneja – jotenkin ne voivat laskea valenssielektroneina kahdella atomilla kerralla. Mutta kuinka yksittäinen elektroni voi olla kahdessa kvanttitilassa kerralla?
Vähemmän naiivisti voimme sanoa, että $ O_2 $ -bitaalit ovat yhdistämällä happiatomien yksittäiset atomirataalit. Tässä tapauksessa oktettisäännöllä ei kuitenkaan ole minulle järkeä, koska molekyylin kiertoradat näyttävät täysin erilaisilta. Kuinka tässä kuvassa ”täysin täytetyn kuoren” oktettisääntökuva selviää?
vastaus
Fysikaalisessa kemiassa tätä ongelmaa käsitellään yleensä MO-LCAO-teoriassa.
Olet tekemässä sitä, että oletat, että voit luoda molekyylin orbitaalit lineaarisena yhdistelmänä molekyylin atomien orbitaalit (MO-LCAO on lyhenne sanoista Molecular Orbital – Linear Combination of Atomic Orbitals ). ovat matemaattinen perusta, jolle heijastat (käyttäen joitain kertoimia) molekyylirataasi. Ongelma yksinkertaistuu entisestään, jos katsot, että atomipyörillä, jotka yhdistyvät yhteen, pitäisi olla sama merkki kyseisen molekyylin mahdollisille symmetriaoperaatioille (se tarkoittaa että jokaisen atomirataalien yhdistämisen tulisi kuulua samaan pisteryhmään, o: ssa niiden lineaaristen yhdistelmien kuulumisesta kyseiseen ryhmään). Siksi voit luoda SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), lineaariset yhdistelmät saman pisteryhmän atomiorbitaaleista ja käyttää niitä tehokkaampana matemaattisena perustana molekyylipyörille.
Tämän toteamalla voit laskea lineaarisen yhdistelmän kertoimet ja kunkin molekyyliradan energian. Se, mitä saat, on tietty määrä tasoja (sama määrä peruspaketissasi huomioituja atomirataaleja), jotka on järjestetty niiden energian mukaan. Voit nyt erottaa kolmen tyyppiset molekyyliradat:
-
sitoutuminen , atomi-orbitaalit häiritsevät rakentavasti kahden atomin välistä aluetta;
-
vasta-aineet , atomi-orbitaalit häiritsevät destruktiivisesti kahden atomin välistä aluetta;
-
sitoutumaton , molekyylirata on lähes identtinen yhden atomirataalin kanssa (tietyn atomiradan kerroin on paljon suurempi kuin muut).
Voit erottaa (hyvin perustasolla) niiden välillä edustamalla mukana olevia atomirataaleja ja niiden merkkiä atomien välisellä alueella: jos niillä on sama merkki, ne sitoutuvat, muuten ne ovat sitoutumattomia. (Huomaa, että näin tekemällä unohdan kertoimen suuruuden, jonka pitäisi olla merkityksellistä useimmissa tapauksissa.)
Nyt sinulla on eräänlainen ”tikapuu” molekyylirataita ja tiedätkö, liittyykö jokainen vaihe vai ei. . Voit nyt laittaa elektronit (sama numero kuin elektronien summa, jonka missä atomikierrossa käytit peruskokoonpanossa) samalla tavalla kuin teit eristetyille atomille: alhaalta ylöspäin, kaksi elektronia kullakin tasolla, antiparallel spin ja niin edelleen (samat säännöt myös, jos sinulla on enemmän tasoja samalla energialla).
Voit nyt palata klassiseen kemian kehykseen käyttämällä ns. joukkovelkakirjoja : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$, jossa $ n $ on elektronien määrä sitoutuvilla orbitaaleilla ja $ n ^ * $ on elektronien lukumäärä vasta-aineen kiertävillä orbitaaleilla (ei sitoutuvat kiertoradat eivät vain lasketa). joukkovelkakirjojen järjestys kertoo (jos se on kokonaisluku), kuinka monta sidosta edustamme klassisessa kuvassa, palaten siten oktetisäännön käsitteeseen.
Harkitse itse asiassa hapen valenssikuorta. Se on tehty atomirataalien $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ avulla ja se sisältää kuusi elektronia. Yhdistämällä nämä (ja jättämällä huomioimatta $ 2s $: n ja $ 2p_z $: n välinen vuorovaikutus, se voi olla mahdollista ja vain muuttaa näiden molekyylirataiden energia) saat 4 dollaria \ kertaa 2 dollaria molekyylirataita (kärki * tarkoittaa, että ne ovat vastustavia).
Valitut happironit ovat mustia (punaisia lisätään, kun otetaan huomioon F $ _2 $ -molekyyli).
Tämän tyyppisen kuoren sitoutumismolekyyliradat ovat neljä, joten sitoutuvien elektronien kokonaismäärä on kahdeksan. Tässä tulee oktettisääntö, mutta tällainen päättely yrittää sovittaa empiirisen ja väärän päättelytavan tehokkaampaan ja kvanttiseen kehykseen.
Huomaa, että vastaukseni on todella johdantokysymyksistä; Tästä lähtien asioista voi tulla paljon monimutkaisempia.
kommentit
- kiitos vastauksesta! Sillä mitä ’ olet sanonut, on järkevää, mutta en silti ymmärrä, miten tämä johtaa oktettisääntöön. Kun laskemme sidosjärjestyksen, miksi atomit päätyvät oktetteihin?
- @knzhou I ’ muokattu yrittämään vastata tarkemmalla esimerkillä (ja korjannut virheen joukkovelkakirjalainan määritelmässä).
- @knzhou Oktektisääntö on väärä. Poikkeuksia on paljon. Oktetisääntö ehdotettiin paljon ennen kuin kvanttimekaniikan perusta ’ vahvistettiin.
- Tällä on paljon järkeä. Onko sinulla suoraa kokemusta orbitaalien simuloinnista molekyyleissä? Syy kysyn, että kun kytkettyjä optisia aaltojohteita simuloidaan, tehdään usein likiarvo, että kytketyn rakenteen ominaiskentät ovat kytkemättömien aaltojohtimien ominaiskenttien lineaarisia yhdistelmiä – MO-LCAO: n suoraa analogia. Itse asiassa aaltojohdon ominaisfunktion ongelmat ovat täsmälleen analogisia vastaavien Sturm-Liouville -ongelmien kanssa, jotka johtuvat ei-relativistisista Schr ö dinger-yhtälöistä. Tämä on kaunista käsitteelle, mutta se ’ sa huono approksimaatio heti kun kytkentä …
- … on ollenkaan vahva. Aaltojohteiden on oltava yllättävän heikosti kytkettyjä, jotta se olisi tarkka. Arvostatko MO-LCAO: n tarkkuutta esimerkiksi $ O_2 $ -molekyylille?
Vastaa
Oktetisääntö on vanha eikä ole tarkka (sillä ei ole mitään tekemistä kvanttimekaniikan kanssa ja sitä tukee vain” empiirinen ”näyttö)
Oktetisääntö ehdotettiin paljon ennen kvanttimekaniikan perustusten perustamista.
Tässä on ote Wikipediasta:
Oktetisääntö on kemiallinen nyrkkisääntö, joka heijastaa havaintoa, että pää- ryhmäelementit pyrkivät yhdistymään siten, että jokaisen atomin valenssikuoressa on kahdeksan elektronia, mikä antaa sille saman elektronisen konfiguraation kuin jalokaasu. Sääntö koskee erityisesti hiiltä, typpeä, happea ja halogeeneja, mutta myös metalleja, kuten natriumia tai magnesiumia.
Tärkeitä huomioitavia seikkoja ovat:
- ” kemiallinen nyrkkisääntö, joka heijastaa havaintoa ”: perustettu vain havaintojen perusteella
- Sääntö on erityisen koskee hiiltä, typpeä, happea ja halogeeneja, mutta myös metalleja kuten natriumia tai magnesiumia : toimii suurimmaksi osaksi yhdisteet, jotka muodostuvat vain jaksollisen järjestelmän muutaman ensimmäisen jakson elementeistä.
Sääntöön ei ole vain useita poikkeuksia, kun otetaan huomioon atominumeron 20 yläpuolella olevat atomit, säännöstä on poikkeuksia, kun otetaan huomioon myös jotkut alempien jaksojen elementit ( ei yllätys):
- on stabiileja atomeja, joilla on epätäydellisesti täytetty valenssikuori, mutta jotka ovat silti vakaita ($ BCl_3 $, ilmiöllä, jota kutsutaan takaisinsidokseksi, on tässä rooli, joka varmistaa hetkellisen oktetin boorille atomi)
- on stabiileja atomeja, joissa on pariton määrä elektroneja (typpioksidi, $ NO $; typpidioksidi, $ NO_2 $; klooridioksidi, $ ClO_2 $)
- on stabiilia atomeja, joissa on yli 8 valenssielektronia ($ SF_6 $: ssa on 12 elektronia, jotka ympäröivät keskiatomia eli rikkiä)
Kaiken pähkinänkuoressa sanottuna oktettisääntö on ”>
ei oikea.
Kuinka oktettisääntö toimii?
Kemian luokassa s, kiertymme tämän ”kaksoislaskemalla” kovalenttisesti sitoutuneita elektroneja – jotenkin ne voivat laskea valenssielektroneina kahdella atomilla kerralla. Mutta kuinka yksittäinen elektroni voi olla kahdessa kvanttitilassa kerralla?
Oktetisäännön mukaan atomit pyrkivät muodostamaan molekyylejä siten, että niillä on 8 elektronia heidän valenssikuoressaan. Ei ole väliä onko elektroni yksinäinen pari (vai radikaali elektroni) vai onko se sitoutunut elektroni; minkä tyyppinen tahansa elektroni onkin, se on silti osa atomia.
Et lasketa kaksinkertaisesti, lasket kaikki jaetut elektronit, koska ne ovat osa atomia. Kuten nimessä sanotaan, elektronit ovat jaettuja; siksi jaetut elektronit sisältyvät laskentaan.
Miksi käytämme edelleen oktettisääntöä tänään?
Käytämme edelleen oktettisääntöä, koska se on helpompi ymmärtää ja kuvata useimpien tavallisten yhdisteiden (muutamien ensimmäisten alkuaineiden muodostamat yhdisteet) käyttäytymistä. Et halua ”Etkö halua molekyyliraditaaliteoriaa $ 10 ^ {th} $ -luokan oppikirjaan, vai mitä?
Molecular Orbital Theory
Tämä on uusin teoria, joka selittää sidosten muodostumisen. JackI on antanut ytimekkään ja siistin selityksen molekyylirata-teorialle.
Kommentit
- Minulla on tiedosto, jota kutsun ” molekyylikokoelma ” – useimmat molekyylit valitaan outoiksi (kuten esimerkiksi oktettisääntöä noudattamatta), suuriksi tai vain esteettisesti miellyttäviksi. Aloitin sen osittain, koska rakastin sitä tosiasiaa, että oktettisäännöstä voitiin muodostaa monia outoja molekyyligeometrioita – joissakin tapauksissa jopa ilman hiiltä, kuten en näkyy. wikipedia.org/wiki/Decaborane . Ja etsin tätä kysymystä, koska epäilin, että oktettisääntö olisi voinut olla vain sääntö, joka ei toimi ’ ei niin hyvin, mutta välttää molekyylirata-teoriaa. Hyvä tietää.