共有結合は実際にどのように機能しますか？

物理化学では、この問題は通常MO-LCAO理論で扱われます。

あなたがしていることは、分子の分子軌道は、分子内の原子の原子軌道の線形結合として作成できます（MO-LCAOは分子軌道-原子軌道の線形結合の略です）。したがって、原子軌道はは、分子軌道を（いくつかの係数を使用して）投影する数学的基礎セットです。結合する原子軌道が、その分子で可能な対称演算に対して同じ特性を持つ必要があることを考慮すると、問題はさらに単純化されます（つまり、すべての原子軌道結合は、oの同じ点グループに属する必要があります。それらの線形結合がそのグループに属するためのrder）。したがって、SALC（対称性適応線形結合）、同じ点群の原子軌道の線形結合を作成し、それらを分子軌道のより強力な数学的基底関数系として使用できます。

これを述べると、線形結合の係数と各分子軌道のエネルギーを計算できます。あなたが得るものは、それらのエネルギーによって順序付けられた特定の数のレベル（あなたの基底関数系で考慮されたのと同じ数の原子軌道）です。これで、3種類の分子軌道を区別できるようになりました。

• 結合、原子軌道は、2つの原子の間の領域で建設的に干渉します。

• 反結合、原子軌道は2つの原子の間の領域で破壊的に干渉します;

• 非結合、分子軌道は1つの原子軌道とほぼ同じです（特定の原子軌道の係数は他の原子軌道よりもはるかに大きくなります）。

関係する原子軌道と原子間の領域でのそれらの符号を表すことにより、それらを（非常に基本的なレベルで）区別できます。それらが同じ符号を持っている場合、それらは結合性であり、そうでなければ反結合性です。 （これを行うと、ほとんどの場合に関連するはずの係数の大きさを忘れることに注意してください。）

これで、分子軌道の一種の「はしご」ができ、各ステップが結合しているかどうかがわかります。 。これで、孤立した原子の場合と同じように、電子（基底関数系で使用した原子軌道の電子の合計と同じ数）を配置できます。下から上に、各レベルに2つの電子、逆平行スピン、およびなど（同じエネルギーでより多くのレベルがある場合も同じルール）。

いわゆる結合次数を使用して、古典的な化学フレームワークに戻ることができます：$$ BO = 1/2（nn ^ *）$$ここで、$ n $は結合性軌道の電子数、$ n ^ * $は反結合性軌道の電子数です（非結合性軌道はカウントされません）。結合次数は、古典的な図で表す結合の数を示します（整数の場合）。したがって、オクテット規則の概念に戻ります。

実際、酸素の原子価殻を考慮してください。原子軌道$ 2s $、$ 2p_x $、$ 2p_y $、$ 2p_z $によって、6つの電子が含まれています。これらを組み合わせることで（そして$ 2s $と$ 2p_z $の間の相互作用を無視することで、可能であり、変更するだけです。これらの分子軌道のエネルギー）は、$ 4 \ times 2 $の分子軌道を取得します（頂点*は、それらが反結合性であることを意味します）。

選出者酸素のロンは黒です（F $ _2 $分子を考慮すると赤いロンが追加されます）。

このタイプのシェルからの結合分子軌道は4であるため、結合電子の合計は8です。ここにオクテット則がありますが、この種の推論は、経験的で間違った推論方法をより強力で量子的なフレームワークに適合させようとしています。

私の答えは、本当に入門的で基本的な観点からのものであることに注意してください。これから始まることは、はるかに複雑になる可能性があります。

コメント

• 回答ありがとうございます！ 'と言ったことは理にかなっていますが、それでも'これがオクテット則にどのようにつながるのかわかりません。結合次数を計算すると、なぜ原子がオクテットになるのですか？
• @knzhou I '編集して、より具体的な例で答えようとしました（および結合次数の定義の誤りを修正しました。
• @knzhouオクテットルールが間違っています。多くの例外があります。オクテット則は、量子力学の基礎が確立されるずっと前に提案されました'。
• これは非常に理にかなっています。分子の軌道をシミュレートした直接の経験はありますか？私が尋ねる理由は、結合された光導波路がシミュレートされるとき、結合された構造の固有フィールドが非結合された導波路固有フィールドの線形結合であるという近似をしばしば行うからです-MO-LCAOの直接の類似物。確かに、導波管固有関数の問題は、非相対論的Schr öディンガー方程式から導出される対応するSturm-Liouville問題に正確に類似しています。これは概念としては美しいですが、'結合が…
• …となるとすぐにひどい近似になります。導波管は、正確であるために驚くほど弱く結合されている必要があります。たとえば、$ O_2 $分子のようなMO-LCAOの精度について、何か評価はありますか？

オクテット則は古く、正確ではありません（量子力学とは関係がなく、「経験的」証拠のみに裏付けられています）

オクテット則は、量子力学の基礎が確立されるずっと前に提案されました。

これはウィキペディアからの抜粋です：

オクテット則は、主原子の観察を反映する化学的法則です。グループ要素は、各原子がその価電子殻に8つの電子を持ち、希ガスと同じ電子配置を与えるように結合する傾向があります。この規則は、特に炭素、窒素、酸素、ハロゲンに適用されますが、ナトリウムやマグネシウムなどの金属にも適用されます。

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

ここで注意すべき重要なポイントは次のとおりです。

• ” が観察を反映する化学的ルール “：観察のみに基づいて確立
• ルールは特に炭素、窒素、酸素、ハロゲンだけでなく、ナトリウムやマグネシウムなどの金属にも適用可能：ほとんどの場合に機能します周期表の最初の数周期の元素によってのみ形成される化合物。

原子番号20を超える原子が考慮される場合、規則にはいくつかの例外があるだけでなく、下位期間の要素の一部も考慮される場合、規則には例外があります（驚くことではありません）：

• 原子価シェルが不完全に満たされているが、それでも安定している安定した原子があります（$ BCl_3 $、バックボンディングと呼ばれる現象がここで役割を果たし、Boronの瞬間的なオクテットを保証します原子）
• 奇数の電子を持つ安定した原子があります（一酸化窒素、$ NO $、二酸化窒素、$ NO_2 $、二酸化塩素、$ ClO_2 $）
• 安定しています8個を超える原子価電子を持つ原子（$ SF_6 $の中心原子を囲む12個の電子、つまり硫黄）

すべてを簡単に言えば、オクテット則は not 正解です。

---

オクテット則はどのように機能しますか？

化学クラスs、共有結合した電子を「二重に数える」ことでこれを回避します。どういうわけか、それらは一度に2つの原子の価電子として数えることができます。しかし、1つの電子が一度に2つの量子状態になるにはどうすればよいでしょうか？

オクテット則では、原子は8つの電子を持つように分子を形成する傾向があるとされています。それらの価電子殻で。電子が孤立電子対（またはラジカル電子）であるか、結合電子であるかは関係ありません。電子の種類が何であれ、それはまだ原子の一部です。

二重に数えるのではなく、共有電子は原子の一部であるため、すべての共有電子を数えます。名前が示すように、電子は共有されているため、カウント中に共有電子が含まれます。

---

なぜ今日でもオクテット則を使用しているのですか？

ほとんどの一般的な化合物（最初のいくつかの要素によって形成される化合物）の動作を理解し、説明するのが簡単なため、今日でもオクテット則を使用しています。 「$ 10 ^ {th} $グレードの教科書に分子軌道理論が必要ではありませんか？

---

分子軌道理論

これは、結合形成を説明する最新の理論です。 JackIは、分子軌道理論について簡潔かつ簡潔に説明しています。

コメント

• 私が分子コレクション"-ほとんどの分子は、奇妙なもの（たとえば、オクテット則に従わないなど）、大きい、または単に見た目に美しいものとして選択されます。 enに見られるように、オクテット則から多くの奇妙な分子構造が形成される可能性があるという事実が大好きだったため、部分的に始めました。 wikipedia.org/wiki/Decaborane 。そして、この質問を探していたのは、オクテット則が'うまく機能しないが、分子軌道理論を回避する単なる規則である可能性があるためです。知っておくと便利です。