공유 결합 은 실제로 어떻게 작동합니까? 산소 분자 사이에 이중 공유 결합이있는 분자 $ O_2 $ 를 생각해보십시오. 화학 문헌에 따르면 이중 공유 결합은 각 산소에 가장 안정적인 구성 인 8 개의 원자가 전자를 제공하기 때문에 발생합니다.

나는 옥텟 규칙이 단일 원자에 대해 작동한다는 것을 이해합니다. span class = “math-container”> $ 3s $ 주는 $ 2p $ 주보다 에너지가 훨씬 높습니다. 그러나 이것이 원자가 두 개인 분자에 어떻게 적용되는지 잘 모르겠습니다. 설명하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

우리가 순진하고 $ O_2 $ 는 원래 두 산소 분자의 상태 일 뿐이므로 모든 $ 1s $ 를 채우는 것은 불가능합니다. , $ 2s $ 및 $ 2p $ 상태는 전자가 충분하지 않기 때문입니다. 화학 수업에서 우리는 공유 결합 된 전자를 “이중 계수”하여이 문제를 해결합니다. 어떻게 든 한 번에 두 원자의 원자가 전자로 계수 할 수 있습니다. 그러나 어떻게 단일 전자가 한 번에 두 개의 양자 상태에있을 수 있습니까?

덜 순진하게도 $ O_2 $ 궤도는 산소 원자의 개별 원자 궤도를 함께 결합합니다. 그러나이 경우 분자 궤도가 완전히 달라 보이기 때문에 옥텟 규칙이 “이치에 맞지 않습니다.이 그림에서”완전히 채워진 껍질 “의 옥텟 규칙 그림은 어떻게 살아남습니까?

답변

물리 화학에서이 문제는 일반적으로 MO-LCAO 이론으로 처리됩니다.

당신이하는 일은 다음과 같이 가정하는 것입니다. 분자에있는 원자의 원자 궤도를 선형 조합으로 분자의 분자 궤도를 만들 수 있습니다 (MO-LCAO는 분자 궤도-원자 궤도의 선형 조합 을 나타냄). 따라서 원자 궤도는 분자 궤도를 투영하는 (일부 계수를 사용하여) 수학적 기초 세트입니다. 함께 결합 할 원자 궤도가 해당 분자에 대해 가능한 대칭 작업에 대해 동일한 특성을 가져야한다는 점을 고려하면 문제가 더욱 단순화됩니다 (즉, 모든 원자 궤도 결합은 o에서 동일한 점 그룹에 속해야합니다. 해당 그룹에 속하는 선형 조합에 대한 rder). 따라서 SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), 동일한 점 그룹의 원자 궤도 선형 조합을 생성하고이를 분자 궤도에 대한보다 강력한 수학적 기반 세트로 사용할 수 있습니다.

이렇게 말하면 선형 조합의 계수와 각 분자 궤도의 에너지를 계산할 수 있습니다. 당신이 얻는 것은 에너지에 의해 정렬 된 특정 수의 레벨 (기본 세트에서 고려 된 동일한 수의 원자 궤도)입니다. 이제 세 가지 유형의 분자 궤도를 구분할 수 있습니다.

  • 결합 , 원자 궤도는 두 원자 사이의 영역에서 건설적으로 간섭합니다.

  • 결합 방지 , 원자 궤도는 두 원자 사이의 영역에서 파괴적으로 간섭합니다.

  • 비 결합 , 분자 궤도는 하나의 원자 궤도와 거의 동일합니다 (특정 원자 궤도의 계수는 다른 궤도보다 훨씬 큽니다).

관련된 원자 궤도와 원자 사이의 영역에있는 기호를 표시하여 (매우 기본적인 수준에서) 구분할 수 있습니다. 기호가 같으면 그들은 결합하고, 그렇지 않으면 결합을 방지합니다. (이렇게함으로써 대부분의 경우 관련이있는 계수의 크기를 잊어 버립니다.)

이원자 분자에 대한 결합 궤도는 기본으로 쉘 $ n = 2 $를 설정합니다.

동일한 분자에 대한 결합 방지 궤도.

이제 분자 궤도의 일종의 “사다리”가 있으며 각 단계가 결합되는지 여부를 알 수 있습니다. . 이제 분리 된 원자에 대해했던 것처럼 전자 (기본 세트에서 사용한 원자 궤도의 전자 합계와 동일한 수)를 넣을 수 있습니다. 아래에서 위로, 각 레벨에서 두 개의 전자, 반 평행 스핀, (같은 에너지에 더 많은 레벨이있는 경우에도 동일한 규칙).

이제 소위 결합 순서 : $$를 사용하여 고전적인 화학 프레임 워크로 돌아갈 수 있습니다. BO = 1 / 2 (nn ^ *) $$ 여기서 $ n $는 결합 오비탈의 전자 수이고 $ n ^ * $는 반 결합 오비탈의 전자 수입니다 (비 결합 오비탈은 계산되지 않음). 결합 순서는 (정수인 경우) 우리가 고전적인 그림에서 얼마나 많은 결합을 나타내는 지 알려주므로 옥텟 규칙의 개념으로 돌아갑니다.

사실 산소의 원자가 껍질을 고려하십시오. 원자 궤도 $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $에 의해 6 개의 전자가 포함되어 있습니다. 이들을 결합하면 (그리고 $ 2s $와 $ 2p_z $ 사이의 상호 작용을 무시하면) 가능할 수 있으며 이 분자 궤도의 에너지) 당신은 $ 4 \ x 2 $ 분자 궤도를 얻습니다 (정점 *은 그들이 반 결합임을 의미합니다).

산소 원자가 껍질에 대한 분자 궤도.

선출 자 산소 용 론은 검은 색입니다 (F $ _2 $ 분자를 고려할 때 빨간색이 추가됨).

이 유형의 껍질로부터의 결합 분자 궤도는 4 개이므로 결합 전자의 총합은 8 개입니다. 여기 옥텟 규칙이 나오지만, 이런 종류의 추론은 경험적이고 잘못된 추론 방법을보다 강력하고 양자적인 틀에 맞추려고합니다.

제 답변은 정말 입문적이고 기본적인 관점에서 나온 것입니다. 이것부터 시작하는 것은 훨씬 더 복잡해질 수 있습니다.

댓글

  • 답변 해 주셔서 감사합니다! 당신이 말한 내용은 ' 이치에 맞지만 '이게 어떻게 옥텟 규칙으로 연결되는지 이해하지 못합니다. 결합 순서를 계산하면 원자가 옥텟으로 끝나는 이유는 무엇입니까?
  • @knzhou I ' 더 구체적인 예를 사용하여 대답하기 위해 편집했습니다. 채권 순서 정의 오류 수정).
  • @knzhou 옥 텍트 규칙이 잘못되었습니다. 많은 예외가 있습니다. 옥텟 규칙은 양자 역학의 기초가 마련되기 훨씬 전에 ' 제안되었습니다.
  • 이는 상당히 의미가 있습니다. 분자의 궤도를 시뮬레이션 한 경험이 있습니까? 내가 묻는 이유는 결합 된 광 도파관을 시뮬레이션 할 때 결합 된 구조의 고유 필드가 결합되지 않은 도파관 고유 필드의 선형 조합 인 MO-LCAO의 직접적인 아날로그라는 근사치를 만드는 경우가 많기 때문입니다. 실제로 도파관 고유 함수 문제는 비 상대적 Schr ö 딩거 방정식에서 파생 된 해당 Sturm-Liouville 문제와 정확히 유사합니다. / div> 결합이 강해지 자마자 형편없는 근사치 …
  • … 도파관은 정확하기 위해 놀랍게도 약하게 결합되어야합니다. $ O_2 $ 분자와 같은 것에 대한 MO-LCAO의 정확성에 대해 감사하십니까?

답변

옥텟 규칙이 오래되어 정확하지 않습니다 (양자 역학과 관련이 없으며”경험적 “증거로만 뒷받침 됨).

옥텟 규칙은 양자 역학의 기초가 확립되기 훨씬 전에 제안되었습니다.

다음은 Wikipedia에서 발췌 한 것입니다.

옥텟 법칙은 주요 원자의 관찰을 반영하는 화학적 경험 법칙입니다. 그룹 원소는 각 원자가 원자가 껍질에 8 개의 전자를 가지고있는 방식으로 결합하는 경향이 있으며, 이는 귀금속과 동일한 전자 구성을 제공합니다. 이 규칙은 특히 탄소, 질소, 산소 및 할로겐뿐만 아니라 나트륨이나 마그네슘과 같은 금속에도 적용됩니다.

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

여기에서 유의해야 할 중요한 사항은 다음과 같습니다.

  • ” 관찰을 반영하는 화학적 경험 법칙 “: 관찰만을 기반으로 설정
  • 규칙은 특히 탄소, 질소, 산소 및 할로겐뿐만 아니라 나트륨 또는 마그네슘과 같은 금속에도 적용 가능 : 대부분의 주기율표의 처음 몇주기의 원소에 의해서만 형성된 화합물.

원자 번호 20 이상의 원자를 고려할 때 규칙에 몇 가지 예외가있을뿐만 아니라 하위 기간의 일부 요소도 고려 될 때 규칙에 예외가 있습니다 ( 놀랍지 않습니다.) :

  • 불완전하게 채워진 원자가 껍질을 가지고 있지만 여전히 안정적인 원자가 있습니다 ($ BCl_3 $, 여기서 백 본딩이라고하는 현상은 붕소에 대한 순간 옥텟을 보장하는 역할을합니다. atom)
  • 전자 수가 홀수 인 안정된 원자가 있습니다 (산화 질소, $ NO $; 이산화질소, $ NO_2 $; 이산화 염소, $ ClO_2 $)
  • 안정적 임 원자가 전자가 8 개 이상인 원자 ($ SF_6 $에는 중심 원자를 둘러싼 12 개의 전자가 있습니다. 예 : 황)

모든 것을 간단히 말하면 옥텟 규칙은 정답이 아닙니다 .

옥텟 규칙은 어떻게 작동하나요?

화학 클래스 s, 우리는 공유 결합 된 전자를 “이중 계수”하여이 문제를 해결합니다. 어떻게 든 한 번에 두 원자의 원자가 전자로 계수 할 수 있습니다. 그러나 어떻게 단일 전자가 동시에 두 개의 양자 상태에있을 수 있습니까?

옥텟 규칙은 원자가 8 개의 전자를 갖는 분자를 형성하는 경향이 있다고 말합니다. 그들의 원자가 껍질에서. 전자가 고독한 쌍 (또는 라디칼 전자)인지 또는 결합 된 전자인지는 중요하지 않습니다. 전자가 어떤 유형이든간에 여전히 원자의 일부입니다.

당신은 이중으로 세지 않고 모든 공유 전자가 원자의 일부이기 때문에 세는 것입니다. 이름에서 알 수 있듯이 전자는 공유되고 있으므로 계산하는 동안 공유 전자가 포함됩니다.

오늘날 여전히 옥텟 규칙을 사용하는 이유는 무엇입니까?

대부분의 일반적인 화합물 (처음 몇 개 요소로 형성된 화합물)의 동작을 이해하고 설명하는 것이 더 쉽기 때문에 오늘날에도 옥텟 규칙을 사용합니다. “$ 10 ^ {th} $ 학년 교과서의 분자 궤도 이론을 원하지 않습니까?

분자 궤도 이론

이것은 결합 형성을 설명하는 최신 이론입니다. JackI는 분자 궤도 이론에 대해 간결하고 깔끔하게 설명했습니다.

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