Hvordan fungerer kovalent binding egentlig? Tenk på molekylet $ O_2 $ , som har en dobbel kovalent binding mellom oksygenmolekylene. Kjemitekster sier at en dobbel kovalent binding oppstår fordi dette gir hvert oksygen åtte valenselektroner, som er den mest stabile konfigurasjonen.
Jeg forstår at oktettregelen fungerer for et enkelt atom, fordi (f.eks. span class = «math-container»> $ 3s $ state har mye høyere energi enn $ 2p $ -tilstanden. Imidlertid er jeg ikke sikker på hvordan dette gjelder et to-atom-molekyl. Det er to måter å forklare det på:
Hvis vi er «naive og sier at elektronkvantetilstandene på $ O_2 $ er bare tilstandene til de opprinnelige to oksygenmolekylene, så er det umulig å fylle alle $ 1s $ , $ 2s $ , og $ 2p $ angir fordi det bare ikke er nok elektroner. I kjemiklassen kommer vi rundt dette ved å «dobbelte» kovalent bundet elektroner – på en eller annen måte kan de telle som valenselektroner på to atomer samtidig. Men hvordan kan et enkelt elektron være i to kvantetilstander samtidig?
Mindre naivt kan vi si at $ O_2 $ orbitaler er laget av kombinere de individuelle atomorbitalene til oksygenatomene sammen. I dette tilfellet gir ikke oktettregelen mening for meg, fordi molekylets orbitaler ser helt annerledes ut. Hvordan overlever oktettregelbildet av et «fullstendig skall» i dette bildet?
Svar
I fysisk kjemi blir dette problemet vanligvis behandlet i MO-LCAO teori.
Det du gjør er å anta at du kan lage molekylære orbitaler av molekylet som en lineær kombinasjon atomorbitalene til atomene i molekylet (MO-LCAO står for Molecular Orbitals – Lineær kombinasjon av atomorbitaler ). Derfor er dine atomorbitaler er et matematisk grunnlag som du projiserer (ved hjelp av noen koeffisienter) dine molekylære orbitaler. Problemet forenkles ytterligere hvis du vurderer at atomorbitalene som vil kombineres sammen, skal ha samme karakter for symmetrioperasjonene som er mulig for det molekylet (det betyr at hver kombinasjon av atombane skal tilhøre samme punktgruppe, i o rder for deres lineære kombinasjoner å tilhøre den gruppen). Du kan derfor lage SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), lineære kombinasjoner av atomorbitaler av samme punktgruppe, og bruke dem som et kraftigere matematisk grunnlag satt for molekylære orbitaler.
Angitt dette, kan du beregne koeffisientene til den lineære kombinasjonen og energien til hver molekylære bane. Det du får er et visst antall nivåer (samme antall atomorbitaler som er vurdert i ditt basissett) ordnet etter deres energi. Du kan nå skille mellom tre typer molekylære orbitaler:
-
binding , atomorbitalene forstyrrer seg konstruktivt i regionen mellom de to atomene;
-
antibonding , atomorbitalene forstyrrer destruktivt i regionen mellom de to atomene;
-
ikke-binding , den molekylære orbitalen er nesten identisk med en atombane (koeffisienten til en bestemt atombane er langt større enn de andre).
Du kan skille (på et veldig grunnleggende nivå) mellom dem ved å representere de involverte atomorbitalene og deres tegn i regionen mellom atomene: hvis de har samme tegn, de binder seg, ellers er de antibondende. (Vær oppmerksom på at ved å gjøre dette glemmer jeg størrelsen på koeffisienten, som i de fleste tilfeller burde være relevant.)
Nå har du en slags «stige» av molekylære orbitaler, og du vet om hvert trinn er binding eller ikke . Du kan nå sette elektronene (samme antall som summen av elektronene som i atomorbitalene du brukte i basissettet ditt) som du gjorde for isolerte atomer: fra bunn til topp, to elektroner i hvert nivå, antiparallell spinn og så videre (de samme reglene også hvis du har flere nivåer med samme energi).
Du kan nå gå tilbake til et klassisk kjemirammeverk ved å bruke den såkalte obligasjonsrekkefølge : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ hvor $ n $ er antall elektroner i bindingsorbitaler og $ n ^ * $ er antall elektroner i antibondende orbitaler (ikke-bindende orbitaler teller bare ikke). bindingsrekkefølge forteller (hvis det er et heltall) hvor mange obligasjoner vi representerer i et klassisk bilde, og går dermed tilbake til begrepet oktettregel.
Vurder faktisk valensskallet til oksygen. Det er laget av atomorbitalene $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ og den inneholder seks elektroner. Ved å kombinere disse (og ignorere samspillet mellom $ 2s $ og $ 2p_z $, kan det være mulig, og det endrer bare energien til disse molekylære orbitalene) får du $ 4 \ ganger 2 $ molekylære orbitaler (toppunktet * betyr at de er antikondenserende).
De utvalgte rons for oksygen er svarte (røde tilsettes når man vurderer F $ _2 $ -molekylet).
De bindende molekylære orbitalene fra et skall av denne typen er fire, og derfor er summen av bindingselektronene åtte. Her kommer oktettregelen, men denne typen resonnement prøver å passe en empirisk og feil måte å resonnere inn i et mer kraftfullt og kvantestativ.
Vær oppmerksom på at svaret mitt er fra et innledende og grunnleggende synspunkt; ting, med utgangspunkt i dette, kan bli mye mer kompliserte.
Kommentarer
- Takk for svaret! Det du ‘ har sagt er fornuftig, men jeg forstår fortsatt ikke ‘ hvordan dette fører til oktettregelen. Når vi først har beregnet obligasjonsrekkefølgen, hvorfor ender atomene med oktetter?
- @knzhou I ‘ har redigert for å prøve å svare med et mer spesifikt eksempel (og rettet en feil i definisjonen av obligasjonsordren).
- @knzhou Oktektregelen er feil. Det er mange unntak. Oktettregelen ble foreslått mye før grunnlaget for kvantemekanikken ‘ ble lagt ned.
- Dette gir mye mening. Har du direkte erfaring med å simulere orbitaler i molekyler? Grunnen til at jeg spør er at når koblede optiske bølgeledere simuleres, gjør man ofte en tilnærming til at egenfeltene til den koblede strukturen er lineære kombinasjoner av de frakoblede bølgelederens egenfelter – den direkte analogen til MO-LCAO. Faktisk er bølgelederens egenfunksjonsproblemer nøyaktig analoge med de tilsvarende Sturm-Liouville-problemene som stammer fra ikke-relativistisk Schr ö dingerligninger. Dette er vakkert for unnfangelsen, men det ‘ sa elendig tilnærming så snart koblingen …
- … er i det hele tatt sterk. Bølgelederne må være overraskende svakt koblet for at den skal være nøyaktig. Har du noen forståelse for nøyaktigheten av MO-LCAO for, si, noe som $ O_2 $ -molekylet?
Svar
Oktettregelen er gammel og er ikke nøyaktig (har ingenting å gjøre med kvantemekanikk og støttes kun av» empirisk «bevis)
Oktettregelen ble foreslått mye før grunnlaget for kvantemekanikken ble etablert.
Her er et utdrag fra Wikipedia:
Oktettregelen er en kjemisk tommelfingerregel som gjenspeiler observasjon av atomer av hoved- gruppeelementer har en tendens til å kombineres på en slik måte at hvert atom har åtte elektroner i sitt valensskall, noe som gir den samme elektroniske konfigurasjon som en edelgass. Regelen gjelder spesielt for karbon, nitrogen, oksygen og halogener, men også for metaller som natrium eller magnesium.
Viktige punkter å merke seg her er:
- » en kjemisk tommelfingerregel som gjenspeiler observasjon «: etablert kun basert på observasjoner
- Regelen er spesielt anvendelig for karbon, nitrogen, oksygen og halogener, men også til metaller som natrium eller magnesium : fungerer for det meste forbindelsene som bare er dannet av elementene i de første periodene i det periodiske systemet.
Ikke bare er det flere unntak fra regelen når atomer over atomnummer 20 blir vurdert, det er unntak fra regelen når noen av elementene fra nedre perioder også blir vurdert ( ikke en overraskelse):
- det er stabile atomer som har ufullstendig fylt valensskall, men som fremdeles er stabile ($ BCl_3 $, et fenomen som kalles tilbakebinding spiller en rolle her som sikrer en øyeblikkelig oktett for Boron atom)
- det er stabile atomer med oddetall elektroner (nitrogenoksid, $ NO $; nitrogendioksid, $ NO_2 $; klordioksid, $ ClO_2 $)
- det er stabile atomer med mer enn 8 valenselektroner ($ SF_6 $ har 12 elektroner som omgir det sentrale atomet, dvs. svovel)
For å sette alt i nøtteskall er oktettregelen ikke riktig.
Hvordan fungerer oktettregelen?
I kjemiklasser s, vi kommer oss rundt dette ved å «doble telle» kovalent bundet elektroner – på en eller annen måte kan de telle som valenselektroner på to atomer samtidig. Men hvordan kan et enkelt elektron være i to kvantetilstander samtidig?
Oktettregelen sier at atomene har en tendens til å danne molekyler slik at de har 8 elektroner i deres valensskall. Det spiller ingen rolle om elektronet er et ensomt par (eller et radikalt elektron) eller om det er et bundet elektron; Uansett hvilken type elektron kanskje er, er det fortsatt en del av atomet.
Du teller ikke dobbelt, du teller alle delte elektroner fordi de er en del av atomet. Som navnet sier, elektronene blir delt, derfor er delte elektroner inkludert mens du teller.
Hvorfor bruker vi fortsatt oktetregelen i dag?
Vi bruker fortsatt oktettregelen i dag, da det er lettere å forstå og beskriver oppførselen til de fleste vanlige forbindelser (forbindelsene dannet av de første få elementene). «vil du ikke ha Molecular Orbital Theory i en $ 10 ^ {th} $ grade-lærebok?
Molecular Orbital Theory
Dette er den siste teorien som forklarer bindingsdannelser. JackI har gitt en kortfattet og ryddig forklaring av Molecular Orbital Theory.
Kommentarer
- Jeg har en fil som jeg kaller » molekylsamling » – de fleste molekyler er valgt for å være rare (som for eksempel ikke å følge oktettregelen), store eller bare estetisk tiltalende. Jeg startet det delvis fordi jeg elsket det faktum at mange rare molekylgeometrier kunne dannes ut av oktettregelen – i noen tilfeller selv uten karbon involvert, som det fremgår av no. wikipedia.org/wiki/Decaborane . Og jeg lette etter dette spørsmålet fordi jeg mistenkte at oktettregelen kanskje bare hadde vært en regel som ikke ‘ ikke fungerer så bra, men unngår molekylær orbitalteori. Godt å vite.