Come funziona effettivamente il legame covalente?

In chimica fisica, questo problema viene solitamente trattato nella teoria MO-LCAO.

Quello che fai è presumere che puoi creare gli orbitali molecolari della molecola come una combinazione lineare degli orbitali atomici degli atomi nella molecola (MO-LCAO sta per Molecular Orbitals – Linear Combination of Atomic Orbitals ). Pertanto, i tuoi orbitali atomici sono un insieme matematico su cui proiettare (utilizzando alcuni coefficienti) i propri orbitali molecolari. Il problema si semplifica ulteriormente se si considera che gli orbitali atomici che si combineranno insieme dovrebbero avere lo stesso carattere per le operazioni di simmetria possibili per quella molecola (significa che ogni combinazione orbitale atomica dovrebbe appartenere allo stesso gruppo di punti, in o rder affinché le loro combinazioni lineari appartengano a quel gruppo). È quindi possibile creare le SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), combinazioni lineari di orbitali atomici dello stesso gruppo di punti e utilizzarle come un set di basi matematiche più potenti per gli orbitali molecolari.

Detto questo, puoi calcolare i coefficienti della combinazione lineare e lenergia di ogni orbitale molecolare. Quello che ottieni è un certo numero di livelli (lo stesso numero di orbitali atomici considerati nel tuo set di base) ordinati dalla loro energia. Ora puoi distinguere tra tre tipi di orbitali molecolari:

• legame , gli orbitali atomici interferiscono in modo costruttivo nella regione tra i due atomi;

• antilegame , gli orbitali atomici interferiscono in modo distruttivo nella regione tra i due atomi;

• non legante , lorbitale molecolare è quasi identico a un orbitale atomico (il coefficiente di un certo orbitale atomico è molto maggiore degli altri).

Puoi distinguerli (a un livello molto elementare) tra loro rappresentando gli orbitali atomici coinvolti e il loro segno nella regione tra gli atomi: se hanno lo stesso segno, si legano, altrimenti sono antilegame. (Tieni presente che in questo modo dimentico la grandezza del coefficiente, che dovrebbe essere rilevante nella maggior parte dei casi.)

Ora hai una sorta di “scala” di orbitali molecolari e sai se ogni passaggio si lega o no . Ora puoi inserire gli elettroni (lo stesso numero della somma degli elettroni che si trovavano negli orbitali atomici che hai usato nel tuo set di base) come hai fatto per gli atomi isolati: dal basso verso lalto, due elettroni in ogni livello, spin antiparallelo e così via (stesse regole anche se hai più livelli alla stessa energia).

Ora puoi tornare a un framework di chimica classico utilizzando il cosiddetto bond order : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ dove $ n $ è il numero di elettroni negli orbitali leganti e $ n ^ * $ è il numero di elettroni negli orbitali antilegame (gli orbitali non leganti semplicemente non contano). lordine dei legami indica (se è un numero intero) quanti legami rappresentiamo in unimmagine classica, tornando così al concetto di regola dellottetto.

Si consideri infatti il guscio di valenza dellossigeno. dagli orbitali atomici $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ e contiene sei elettroni. Combinando questi (e ignorando linterazione tra $ 2s $ e $ 2p_z $, ciò potrebbe essere possibile e ciò modifica solo lenergia di questi orbitali molecolari) ottieni $ 4 \ volte 2 $ orbitali molecolari (lapice * significa che sono antilegame).

Gli eletti rons per lossigeno sono neri (quelli rossi vengono aggiunti quando si considera la molecola F $ _2 $).

Gli orbitali molecolari di legame da un guscio di questo tipo sono quattro, quindi il totale degli elettroni di legame sono otto. Ecco la regola dellottetto, ma questo tipo di ragionamento sta cercando di adattare un modo di ragionamento empirico e sbagliato in un quadro più potente e quantistico.

Tieni presente che la mia risposta è da un punto di vista veramente introduttivo e di base; le cose, a partire da questo, possono diventare molto più complicate.

Commenti

• Grazie per la risposta! Quello che ‘ hai detto ha senso, ma ancora ‘ non capisco come questo porta alla regola dellottetto. Una volta calcolato lordine delle obbligazioni, perché gli atomi finiscono con ottetti?
• @knzhou I ‘ ho modificato per provare a rispondere con un esempio più specifico (e corretto un errore nella definizione dellordine delle obbligazioni).
• @knzhou La regola dellottetto è sbagliata. Ci sono molte eccezioni. La regola dellottetto è stata proposta molto prima della fondazione della meccanica quantistica ‘.
• Questo ha molto senso. Hai esperienza diretta nella simulazione di orbitali in molecole? La ragione per cui chiedo è che, quando vengono simulate guide donda ottiche accoppiate, spesso si fa unapprossimazione che gli autocampi della struttura accoppiata sono combinazioni lineari degli autocampi della guida donda disaccoppiata – lanalogo diretto di MO-LCAO. In effetti, i problemi di autofunzione della guida donda sono esattamente analoghi ai corrispondenti problemi di Sturm-Liouville derivanti da equazioni di dinger ö non relativistiche Questo è bello per il concepimento, ma ‘ è una pessima approssimazione non appena laccoppiamento …
• … è del tutto forte. Le guide donda devono essere sorprendentemente debolmente accoppiate affinché siano accurate. Hai qualche apprezzamento dellaccuratezza di MO-LCAO per, diciamo, qualcosa come la molecola $ O_2 $?

La regola dellottetto è vecchia e non accurata (non ha nulla a che fare con la meccanica quantistica ed è supportata solo da prove” empiriche “)

La regola dellottetto è stata proposta molto prima che venissero stabilite le basi della meccanica quantistica.

Ecco un estratto da Wikipedia:

La regola dellottetto è una regola pratica chimica che riflette losservazione che gli atomi di gli elementi del gruppo tendono a combinarsi in modo tale che ogni atomo abbia otto elettroni nel suo guscio di valenza, dandogli la stessa configurazione elettronica di un gas nobile. La regola è particolarmente applicabile a carbonio, azoto, ossigeno e alogeni, ma anche a metalli come sodio o magnesio.

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

I punti importanti da notare qui sono:

• ” una regola pratica chimica che riflette losservazione “: stabilita solo sulla base di osservazioni
• La regola è specialmente applicabile a carbonio, azoto, ossigeno e alogeni, ma anche a metalli come sodio o magnesio : funziona per la maggior parte dei i composti formati solo dagli elementi dei primi periodi della tavola periodica.

Non solo ci sono diverse eccezioni alla regola quando vengono considerati gli atomi al di sopra del numero atomico 20, ci sono eccezioni alla regola anche quando vengono considerati anche alcuni degli elementi dei periodi inferiori ( non è una sorpresa):

• ci sono atomi stabili che hanno un guscio di valenza riempito in modo incompleto ma sono ancora stabili ($ BCl_3 $, un fenomeno chiamato back bonding gioca un ruolo qui che garantisce un ottetto momentaneo per il Boro atomo)
• ci sono atomi stabili con un numero dispari di elettroni (ossido nitrico, $ NO $; biossido di azoto, $ NO_2 $; biossido di cloro, $ ClO_2 $)
• ci sono stabili atomi con più di 8 elettroni di valenza ($ SF_6 $ ha 12 elettroni che circondano latomo centrale, ad esempio: zolfo)

Per riassumere, la regola dellottetto è non corretto.

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Come funziona la regola degli ottetti?

In chimica s, aggiriamo questo problema “contando due volte” gli elettroni legati in modo covalente – in qualche modo, possono contare come elettroni di valenza su due atomi contemporaneamente. Ma come può un singolo elettrone trovarsi in due stati quantistici contemporaneamente?

La regola dellottetto afferma che gli atomi tendono a formare molecole tali da avere 8 elettroni nel loro guscio di valenza. Non importa se lelettrone è una coppia solitaria (o un elettrone radicale) o se è un elettrone legato; qualunque sia il tipo di elettrone, forse, è ancora una parte dellatomo.

Non contate due volte, contate tutti gli elettroni condivisi perché fanno parte dellatomo. Come dice il nome, gli elettroni vengono condivisi; pertanto, durante il conteggio vengono inclusi gli elettroni condivisi.

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Perché ancora oggi usiamo la regola dellottetto?

Usiamo ancora oggi la regola dellottetto poiché è più facile da capire e descrive il comportamento della maggior parte dei composti comuni (i composti formati dai primi pochi elementi). “Voglio la Teoria dellOrbitale Molecolare in un libro di testo da $ 10 ^ {th} $ grade, vero?

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Teoria dellOrbitale Molecolare

Questa è lultima teoria che spiega le formazioni di legame. JackI ha fornito una spiegazione concisa e chiara della teoria dellorbitale molecolare.

Commenti

• Ho un file che chiamo ” molecule collection ” – la maggior parte delle molecole sono selezionate per essere strane (ad esempio, non seguendo la regola dellottetto), grandi o semplicemente esteticamente gradevoli. Lho iniziato in parte perché amavo il fatto che molte strane geometrie molecolari potessero essere formate dalla regola dellottetto – in alcuni casi anche senza carbonio coinvolto, come si può vedere in en. wikipedia.org/wiki/Decaborane . E stavo cercando questa domanda perché sospettavo che la regola dellottetto potesse essere solo una regola che ‘ non funziona così bene, ma evita la teoria degli orbitali molecolari. Buono a sapersi.