Hoe werkt covalente binding eigenlijk? Beschouw het molecuul $ O_2 $ , dat een dubbele covalente binding heeft tussen de zuurstofmoleculen. Chemische teksten zeggen dat een dubbele covalente binding optreedt omdat dit elke zuurstof acht valentie-elektronen geeft, wat de meest stabiele configuratie is.
Ik begrijp dat de octetregel werkt voor een enkel atoom, omdat (bijv.) De $ 3s $ state is veel hoger in energie dan de $ 2p $ state. Ik “weet echter niet zeker hoe dit van toepassing is op een molecuul met twee atomen. Er zijn twee manieren om het uit te leggen:
Als we” naïef zijn en zeggen dat de elektronenkwantumtoestanden van $ O_2 $ zijn slechts de toestanden van de oorspronkelijke twee zuurstofmoleculen, dan is het onmogelijk om alle $ 1s $ te vullen , $ 2s $ , en $ 2p $ staten omdat er gewoon niet genoeg elektronen zijn. In de scheikunde komen we hier omheen door covalent gebonden elektronen “dubbel te tellen” – op de een of andere manier kunnen ze als valentie-elektronen op twee atomen tegelijk tellen. Maar hoe kan een enkel elektron zich in twee kwantumtoestanden tegelijk bevinden?
Minder naïef zouden we kunnen zeggen dat de $ O_2 $ orbitalen worden gemaakt door het combineren van de individuele atomaire orbitalen van de zuurstofatomen met elkaar. In dit geval is de octetregel echter niet logisch voor mij, omdat de molecuulorbitalen er compleet anders uitzien. Hoe overleeft de octetregelafbeelding van een “volledig gevulde schaal” op deze foto?
Answer
In de fysische chemie wordt dit probleem meestal behandeld in de MO-LCAO-theorie.
Wat je doet is aannemen dat je kunt de moleculaire orbitalen van het molecuul creëren als een lineaire combinatie de atomaire orbitalen van de atomen in het molecuul (MO-LCAO staat voor Moleculaire Orbitalen – Lineaire Combinatie van Atoom Orbitalen ). Daarom zijn je atomaire orbitalen vormen een wiskundige basisset waarop u uw moleculaire orbitalen projecteert (met behulp van enkele coëfficiënten). Het probleem wordt verder vereenvoudigd als u bedenkt dat de atomaire orbitalen die samen worden gecombineerd hetzelfde karakter moeten hebben voor de symmetriebewerkingen die mogelijk zijn voor dat molecuul (dit betekent dat elke atomaire orbitaalcombinatie tot dezelfde puntgroep moet behoren, in o rder voor hun lineaire combinaties om tot die groep te behoren). U kunt daarom de SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), lineaire combinaties van atomaire orbitalen van dezelfde puntgroep, maken en deze gebruiken als een krachtigere wiskundige basisset voor de moleculaire orbitalen.
Als je dit zegt, kun je de coëfficiënten van de lineaire combinatie en de energie van elke moleculaire orbitaal berekenen. Wat je krijgt is een bepaald aantal niveaus (hetzelfde aantal atoomorbitalen dat in je basisset wordt beschouwd), gerangschikt op basis van hun energie. U kunt nu onderscheid maken tussen drie soorten moleculaire orbitalen:
-
binding , de atomaire orbitalen interfereren constructief in het gebied tussen de twee atomen;
-
antibindend , interfereren de atomaire orbitalen destructief in het gebied tussen de twee atomen;
-
niet bindend , de moleculaire orbitaal is bijna identiek aan één atomaire orbitaal (de coëfficiënt van een bepaalde atomaire orbitaal is veel groter dan de andere).
Je kunt ze onderscheiden (op een heel basaal niveau) door de betrokken atoomorbitalen en hun teken in het gebied tussen de atomen weer te geven: als ze hetzelfde teken hebben, ze zijn bindend, anders zijn ze antibindend. (Houd er rekening mee dat ik door dit te doen de grootte van de coëfficiënt vergeet, die in de meeste gevallen relevant zou moeten zijn.)
Nu heb je een soort “ladder” van moleculaire orbitalen en weet je of elke stap bindt of niet . Je kunt nu de elektronen plaatsen (hetzelfde aantal als de som van de elektronen die in de atoomorbitalen die je gebruikte in je basisset) zoals je deed voor geïsoleerde atomen: van onder naar boven, twee elektronen in elk niveau, antiparallelle spin en enzovoort (dezelfde regels ook als je meer niveaus hebt met dezelfde energie).
U kunt nu teruggaan naar een klassiek scheikunde-raamwerk met behulp van de zogenaamde bindingsvolgorde : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ waarbij $ n $ het aantal elektronen in bindende orbitalen is en $ n ^ * $ het aantal elektronen in antibindende orbitalen (niet-bindende orbitalen tellen gewoon niet mee). bindingsvolgorde vertelt (als het een geheel getal is) hoeveel bindingen we vertegenwoordigen in een klassiek beeld, en gaat dus terug naar het concept van octetregel.
Overweeg in feite de valentieschil van zuurstof. Het wordt gemaakt door de atomaire orbitalen $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ en het bevat zes elektronen. Door deze te combineren (en de interactie tussen $ 2s $ en $ 2p_z $ te negeren, zou dat mogelijk kunnen zijn en dat verandert alleen de energie van deze moleculaire orbitalen) krijg je $ 4 \ maal 2 $ moleculaire orbitalen (de top * betekent dat ze antibindend zijn).
De uitverkorenen rons voor zuurstof zijn zwart (rode worden toegevoegd bij beschouwing van het F $ _2 $ -molecuul).
De bindende moleculaire orbitalen van een schaal van dit type zijn vier, daarom is het totaal van de bindende elektronen acht. Hier komt de octetregel, maar dit soort redenering probeert een empirische en verkeerde manier van redeneren in een krachtiger en kwantumkader te passen.
Houd er rekening mee dat mijn antwoord echt inleidend en fundamenteel is; dingen, om hieruit te beginnen, kunnen een stuk gecompliceerder worden.
Reacties
- Bedankt voor het antwoord! Wat je ‘ hebt gezegd, is logisch, maar ik begrijp ‘ nog steeds niet hoe dit tot de octetregel leidt. Wanneer we de bindingsvolgorde hebben berekend, waarom eindigen atomen dan met octetten?
- @knzhou I ‘ heb ik bewerkt om te proberen te antwoorden met een specifieker voorbeeld (en heeft een fout in de definitie van de bandvolgorde gecorrigeerd).
- @knzhou De octect-regel is verkeerd. Er zijn veel uitzonderingen. De octetregel werd voorgesteld lang voordat de basis van de kwantummechanica ‘ werd vastgelegd.
- Dit is heel logisch. Heb je directe ervaring met het simuleren van orbitalen in moleculen? De reden die ik vraag is dat, wanneer gekoppelde optische golfgeleiders worden gesimuleerd, men vaak een benadering maakt dat de eigenvelden van de gekoppelde structuur lineaire combinaties zijn van de ongekoppelde eigenvelden van de golfgeleider – het directe analoog van MO-LCAO. Eigenfunctieproblemen van de golfgeleider zijn inderdaad precies analoog aan de overeenkomstige Sturm-Liouville-problemen die voortkomen uit niet-relativistische Schr ö dinger-vergelijkingen Dit is mooi voor conceptie, maar het is ‘ is een slechte benadering zodra de koppeling …
- … überhaupt sterk is. De golfgeleiders moeten verrassend zwak zijn gekoppeld om nauwkeurig te zijn. Heb je enige waardering voor de nauwkeurigheid van MO-LCAO voor bijvoorbeeld zoiets als het $ O_2 $ -molecuul?
Answer
De octetregel is oud en niet nauwkeurig (heeft niets te maken met kwantummechanica en wordt alleen ondersteund door” empirisch “bewijs)
De octetregel werd voorgesteld lang voordat de grondslagen van de kwantummechanica werden gelegd.
Hier is een fragment uit Wikipedia:
De octetregel is een chemische vuistregel die de observatie weerspiegelt dat atomen van hoofd- groepselementen hebben de neiging om zo te combineren dat elk atoom acht elektronen in zijn valentieschil heeft, waardoor het dezelfde elektronische configuratie krijgt als een edelgas. De regel is vooral van toepassing op koolstof, stikstof, zuurstof en halogenen, maar ook op metalen zoals natrium of magnesium.
Belangrijke punten om op te merken zijn:
- ” een chemische vuistregel die waarneming weerspiegelt “: alleen vastgesteld op basis van waarnemingen
- De regel is vooral toepasbaar op koolstof, stikstof, zuurstof en de halogenen, maar ook op metalen zoals natrium of magnesium : werkt voor de meeste alleen de verbindingen gevormd door de elementen van de eerste paar periodes van het periodiek systeem.
Er zijn niet alleen verschillende uitzonderingen op de regel wanneer atomen boven het atoomnummer 20 in aanmerking worden genomen, er zijn ook uitzonderingen op de regel wanneer ook enkele elementen uit de lagere perioden in aanmerking worden genomen ( geen verrassing):
- er zijn stabiele atomen die een onvolledig gevulde valentieschil hebben maar nog steeds stabiel zijn ($ BCl_3 $, een fenomeen genaamd backbonding speelt hier een rol die zorgt voor een kortstondig octet voor de Boron atoom)
- er zijn stabiele atomen met een oneven aantal elektronen (stikstofmonoxide, $ NO $; stikstofdioxide, $ NO_2 $; chloordioxide, $ ClO_2 $)
- er zijn stabiele atomen met meer dan 8 valentie-elektronen ($ SF_6 $ heeft 12 elektronen rondom het centrale atoom, dwz: zwavel)
Om alles in een notendop te stellen, is de octetregel niet correct.
Hoe werkt de octet-regel?
In scheikunde s, we omzeilen dit door covalent gebonden elektronen “dubbel te tellen” – op de een of andere manier kunnen ze als valentie-elektronen op twee atomen tegelijk tellen. Maar hoe kan een enkel elektron zich in twee kwantumtoestanden tegelijk bevinden?
De octetregel stelt dat de atomen de neiging hebben om moleculen te vormen zodat ze 8 elektronen hebben in hun valentieschil. Het maakt niet uit of het elektron een eenzaam paar is (of een radicaal elektron) of dat het een gebonden elektron is; welk type het elektron ook is, het maakt nog steeds deel uit van het atoom.
Je hoeft niet dubbel te tellen, je telt alle gedeelde elektronen omdat ze deel uitmaken van het atoom. Zoals de naam al zegt, de elektronen worden gedeeld; daarom worden gedeelde elektronen meegenomen tijdens het tellen.
Waarom gebruiken we vandaag nog steeds de octetregel?
We gebruiken vandaag nog steeds de octet-regel omdat deze gemakkelijker te begrijpen is en het gedrag van de meeste gewone verbindingen beschrijft (de verbindingen gevormd door de eerste paar elementen). “Wil je toch geen moleculaire orbitale theorie in een leerboek van $ 10 ^ {th} $ rang?
Moleculaire orbitale theorie
Dit is de nieuwste theorie die bindingsformaties verklaart. JackI heeft een beknopte en nette uitleg gegeven van de moleculaire orbitale theorie.
Opmerkingen
- Ik heb een bestand dat ik molecuulverzameling ” – de meeste moleculen zijn geselecteerd omdat ze raar zijn (zoals in, bijvoorbeeld niet de octetregel volgen), groot of gewoon esthetisch. Ik begon het gedeeltelijk omdat ik het geweldig vond dat veel vreemde moleculaire geometrieën konden worden gevormd uit de octetregel – in sommige gevallen zelfs zonder koolstof, zoals te zien is in en. wikipedia.org/wiki/Decaborane . En ik was op zoek naar deze vraag omdat ik vermoedde dat de octetregel misschien gewoon een regel was die niet ‘ zo goed werkt, maar de moleculaire orbitaaltheorie vermijdt. Goed om te weten.