Comment fonctionne la liaison covalente ? Considérons la molécule $ O_2 $ , qui a une double liaison covalente entre les molécules doxygène. Les textes de chimie disent quune double liaison covalente se produit parce que cela donne à chaque oxygène huit électrons de valence, ce qui est la configuration la plus stable.
Je comprends que la règle de loctet fonctionne pour un seul atome, car (par exemple) le
Si nous « sommes naïfs et disons que les états quantiques délectrons de $ O_2 $ ne sont que les états des deux molécules doxygène dorigine, alors il est impossible de remplir tous les $ 1s $ , $ 2s $ et $ 2p $ indique parce quil ny a tout simplement pas assez délectrons. En classe de chimie, nous contournons ce problème en « comptant deux fois » les électrons liés de manière covalente – en quelque sorte, ils peuvent compter comme électrons de valence sur deux atomes à la fois. Mais comment un électron unique peut-il être dans deux états quantiques à la fois?
Moins naïvement, on pourrait dire que les orbitales $ O_2 $ sont faites par combiner les orbitales atomiques individuelles des atomes doxygène ensemble. Cependant, dans ce cas, la règle de loctet na pas de sens pour moi, car les orbitales de la molécule sont complètement différentes. Sur cette image, comment la règle de loctet dune « coque complètement remplie » survit-elle?
Réponse
En chimie physique, ce problème est généralement traité dans la théorie MO-LCAO.
Ce que vous faites est de supposer que vous pouvez créer les orbitales moléculaires de la molécule sous la forme dune combinaison linéaire des orbitales atomiques des atomes de la molécule (MO-LCAO signifie Orbitales moléculaires – Combinaison linéaire dorbitales atomiques ). Par conséquent, vos orbitales atomiques sont une base mathématique sur laquelle vous projetez (en utilisant certains coefficients) vos orbitales moléculaires. Le problème est encore simplifié si vous considérez que les orbitales atomiques qui vont se combiner devraient avoir le même caractère pour les opérations de symétrie possibles pour cette molécule (cela signifie que chaque combinaison orbitale atomique devrait appartenir au même groupe ponctuel, en o rder pour que leurs combinaisons linéaires appartiennent à ce groupe). Vous pouvez donc créer les SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), des combinaisons linéaires dorbitales atomiques du même groupe de points, et les utiliser comme base mathématique plus puissante pour les orbitales moléculaires.
Ceci dit, vous pouvez calculer les coefficients de la combinaison linéaire et lénergie de chaque orbitale moléculaire. Ce que vous obtenez est un certain nombre de niveaux (même nombre dorbitales atomiques considérées dans votre ensemble de base) ordonnés par leur énergie. Vous pouvez désormais distinguer trois types d’orbitales moléculaires:
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bonding , les orbitales atomiques interfèrent de manière constructive dans la région entre les deux atomes;
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antibonding , les orbitales atomiques interfèrent de manière destructive dans la région entre les deux atomes;
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non liant , lorbitale moléculaire est presque identique à une orbitale atomique (le coefficient dune certaine orbitale atomique est bien plus grand que les autres).
Vous pouvez les distinguer (à un niveau très basique) entre eux en représentant les orbitales atomiques impliquées et leur signe dans la région entre les atomes: sils ont le même signe, ils sont liés, sinon ils sont anti-adhérents. (Veuillez noter quen faisant cela, joublie lampleur du coefficient, qui devrait être pertinent dans la plupart des cas.)
Vous avez maintenant une sorte d « échelle » dorbitales moléculaires et vous savez si chaque étape est liée ou non . Vous pouvez maintenant mettre les électrons (même nombre que la somme des électrons qui se trouvaient dans les orbitales atomiques que vous avez utilisées dans votre jeu de base) comme vous lavez fait pour les atomes isolés: de bas en haut, deux électrons dans chaque niveau, spin antiparallèle, et ainsi de suite (les mêmes règles aussi si vous avez plus de niveaux à la même énergie).
Vous pouvez maintenant revenir à un cadre de chimie classique en utilisant le soi-disant ordre de liaison : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ où $ n $ est le nombre délectrons dans les orbitales de liaison et $ n ^ * $ est le nombre délectrons dans les orbitales anti-adhérentes (les orbitales sans liaison ne comptent tout simplement pas). lordre des liaisons indique (sil sagit dun entier) combien de liaisons nous représentons dans une image classique, revenant ainsi au concept de règle doctet.
En fait, considérons la coquille de valence de loxygène. par les orbitales atomiques $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ et il contient six électrons. En les combinant (et en ignorant linteraction entre $ 2s $ et $ 2p_z $, cela pourrait être possible et cela ne fait que modifier lénergie de ces orbitales moléculaires) vous obtenez $ 4 \ fois 2 $ orbitales moléculaires (lapex * signifie quelles sont anti-adhérentes).
Les élus les rons pour loxygène sont noirs (des rouges sont ajoutés lorsque lon considère la molécule F $ _2 $).
Les orbitales moléculaires de liaison dune coquille de ce type sont quatre, donc le total des électrons de liaison est de huit. Voici la règle de loctet, mais ce type de raisonnement tente dinsérer une manière empirique et erronée de raisonner dans un cadre plus puissant et quantique.
Veuillez noter que ma réponse est dun point de vue vraiment introductif et basique; les choses, à partir de là, peuvent devenir beaucoup plus compliquées.
Commentaires
- Merci pour la réponse! Ce que vous ‘ avez dit a du sens, mais je ne comprends toujours pas ‘ comment cela mène à la règle des octets. Une fois que nous avons calculé lordre des liaisons, pourquoi les atomes se retrouvent-ils avec des octets?
- @knzhou Jai ‘ modifié pour essayer de répondre avec un exemple plus spécifique (et corrigé une erreur dans la définition de lordre des obligations).
- @knzhou La règle doctect est fausse. Il y a beaucoup dexceptions. La règle de loctet a été proposée bien avant que la fondation de la mécanique quantique ‘ ne soit établie.
- Cela a beaucoup de sens. Avez-vous une expérience directe de la simulation dorbitales dans des molécules? La raison pour laquelle je pose la question est que, lorsque des guides dondes optiques couplés sont simulés, on fait souvent une approximation que les champs propres de la structure couplée sont des combinaisons linéaires des champs propres de guides dondes non couplés – lanalogue direct du MO-LCAO. En effet, les problèmes de fonction propre du guide dondes sont exactement analogues aux problèmes de Sturm-Liouville correspondants dérivant des équations de Dinger Schr ö non relativistes Cest beau pour la conception, mais cela ‘
- … est du tout fort. Les guides dondes doivent être étonnamment faiblement couplés pour être précis. Avez-vous une idée de la précision de MO-LCAO pour, par exemple, quelque chose comme la molécule $ O_2 $?
Réponse
La règle doctet est ancienne et imprécise (na rien à voir avec la mécanique quantique et est étayée par des preuves » empiriques « uniquement)
La règle des octets a été proposée bien avant létablissement des fondements de la mécanique quantique.
Voici un extrait de Wikipedia:
La règle de loctet est une règle chimique empirique qui reflète lobservation que les atomes de les éléments du groupe ont tendance à se combiner de telle sorte que chaque atome a huit électrons dans sa coquille de valence, ce qui lui donne la même configuration électronique quun gaz rare. La règle sapplique notamment au carbone, à lazote, à loxygène et aux halogènes, mais aussi aux métaux tels que le sodium ou le magnésium.
Les points importants à noter ici sont:
- » une règle empirique chimique qui reflète lobservation « : établie uniquement sur la base dobservations
- La règle est particulièrement applicable au carbone, azote, oxygène et halogènes, mais aussi aux métaux comme le sodium ou le magnésium : fonctionne pour la plupart des les composés formés par les éléments des premières périodes du tableau périodique uniquement.
Non seulement il y a plusieurs exceptions à la règle lorsque les atomes au-dessus du numéro atomique 20 sont considérés, mais il y a des exceptions à la règle lorsque certains des éléments des périodes inférieures sont également considérés ( pas une surprise):
- il y a des atomes stables qui ont une coquille de valence incomplètement remplie mais qui sont toujours stables ($ BCl_3 $, un phénomène appelé back bonding joue ici un rôle qui assure un octet momentané pour le bore atome)
- il y a des atomes stables avec un nombre impair délectrons (oxyde nitrique, $ NO $; dioxyde dazote, $ NO_2 $; dioxyde de chlore, $ ClO_2 $)
- il y a stable atomes avec plus de 8 électrons de valence ($ SF_6 $ a 12 électrons entourant latome central, cest-à-dire: le soufre)
Pour tout résumer, la règle de loctet est pas correct.
Comment fonctionne la règle doctet?
En classe de chimie s, nous contournons cela en « comptant deux fois » les électrons liés de manière covalente – dune manière ou dune autre, ils peuvent compter comme des électrons de valence sur deux atomes à la fois. Mais comment un électron unique peut-il être dans deux états quantiques à la fois?
La règle de loctet stipule que les atomes ont tendance à former des molécules telles quils ont 8 électrons dans leur coquille de valence. Peu importe si lélectron est une paire isolée (ou un électron radical) ou sil sagit dun électron lié; quel que soit le type délectron, il fait toujours partie de latome.
Vous ne comptez pas deux fois, vous comptez tous les électrons partagés car ils font partie de latome. Comme son nom lindique, les électrons sont partagés; par conséquent, les électrons partagés sont inclus lors du comptage.
Pourquoi utilisons-nous encore la règle des octets aujourdhui?
Nous utilisons encore la règle de loctet aujourdhui car elle est plus facile à comprendre et décrit le comportement de la plupart des composés courants (les composés formés par les premiers éléments). « Vous ne voulez pas de théorie orbitale moléculaire dans un manuel de 10 $ ^ {th} $, nest-ce pas?
Théorie orbitale moléculaire
Cest la dernière théorie qui explique les formations de liaisons. Jack Jai donné une explication concise et soignée de la théorie de lorbite moléculaire.
Commentaires
- Jai un fichier que jappelle » collection de molécules » – la plupart des molécules sont sélectionnées pour être bizarres (comme dans, ne pas suivre la règle de loctet, par exemple), grandes ou simplement esthétiques. Je lai commencé en partie parce que jaimais le fait que de nombreuses géométries moléculaires étranges puissent être formées à partir de la règle de loctet – dans certains cas même sans carbone impliqué, comme on peut le voir dans fr. wikipedia.org/wiki/Decaborane . Et je cherchais cette question parce que je soupçonnais que la règle de loctet nétait peut-être quune règle qui ‘ t fonctionne très bien, mais évite la théorie des orbitales moléculaires. Bon à savoir.