Jak właściwie działa wiązanie kowalencyjne ? Rozważmy cząsteczkę $ O_2 $ , która ma podwójne wiązanie kowalencyjne między cząsteczkami tlenu. Teksty chemiczne mówią, że podwójne wiązanie kowalencyjne występuje, ponieważ daje to każdemu tlenowi osiem elektronów walencyjnych, co jest najbardziej stabilną konfiguracją.
Rozumiem, że reguła oktetu działa dla pojedynczego atomu, ponieważ (np.) $ 3s $ stan ma znacznie wyższy poziom energii niż stan 2 pensy $ . Jednak nie jestem pewien, jak to się ma do cząsteczki dwuatomowej. Istnieją dwa sposoby, aby to wyjaśnić:
Jeśli „naiwnie się i powiemy, że stany kwantowe elektronów w $ O_2 $ to tylko stany pierwotnych dwóch cząsteczek tlenu, wtedy nie można wypełnić wszystkich 1s $ , 2s $ i $ 2p $ stwierdzają, że po prostu nie ma wystarczającej liczby elektronów. Na lekcjach chemii omijamy ten problem przez „podwójne liczenie” elektronów związanych kowalencyjnie – w jakiś sposób mogą one być liczone jako elektrony walencyjne na dwóch atomach jednocześnie. Ale jak pojedynczy elektron może znajdować się w dwóch stanach kwantowych jednocześnie?
Mniej naiwnie możemy powiedzieć, że orbitale $ O_2 $ są tworzone przez łączenie razem poszczególnych orbitali atomowych atomów tlenu. Jednak w tym przypadku reguła oktetu nie ma dla mnie sensu, ponieważ orbitale cząsteczek wyglądają zupełnie inaczej. Jak na tym obrazku zachowuje się obraz reguły oktetu „całkowicie wypełnionej powłoki”?
Odpowiedź
W chemii fizycznej ten problem jest zwykle traktowany w teorii MO-LCAO.
Wystarczy założyć, że możesz stworzyć orbitale molekularne cząsteczki jako liniową kombinację orbitali atomowych atomów w cząsteczce (MO-LCAO oznacza Orbitale molekularne – liniowe połączenie orbitali atomowych ). Dlatego twoje orbitale atomowe są matematyczną podstawą, na której projektujesz (używając pewnych współczynników) swoje orbitale molekularne. Problem jest jeszcze bardziej uproszczony, jeśli weźmiesz pod uwagę, że orbitale atomowe, które będą się ze sobą łączyć, powinny mieć ten sam charakter dla operacji symetrii możliwych dla tej cząsteczki (to znaczy że każde połączenie orbitali atomowych powinno należeć do tej samej grupy punktowej w o aby ich kombinacje liniowe należały do tej grupy). Możesz zatem stworzyć SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), liniowe kombinacje orbitali atomowych z tej samej grupy punktów i używać ich jako mocniejszej matematycznej bazy dla orbitali molekularnych.
Mówiąc to, możesz obliczyć współczynniki kombinacji liniowej i energię każdego orbitalu molekularnego. Otrzymujesz określoną liczbę poziomów (taką samą liczbę orbitali atomowych uwzględnionych w twoim zestawie bazowym) uporządkowaną według ich energii. Możesz teraz rozróżnić trzy typy orbitali molekularnych:
-
wiązanie , orbitale atomowe konstruktywnie interferują w obszarze między dwoma atomami;
-
przeciwdziałanie , orbitale atomowe destrukcyjnie interferują w obszarze między dwoma atomami;
-
bez wiązania , orbital molekularny jest prawie identyczny z jednym orbitalem atomowym (współczynnik jednego orbitalu atomowego jest znacznie większy niż pozostałych).
Możesz je rozróżnić (na bardzo podstawowym poziomie), przedstawiając odpowiednie orbitale atomowe i ich znak w obszarze między atomami: jeśli mają ten sam znak, oni wiążą się, w przeciwnym razie są antybrzęczy. (Zwróć uwagę, że robiąc to zapominam o wielkości współczynnika, który powinien mieć znaczenie w większości przypadków.)
Teraz masz swego rodzaju „drabinę” orbitali molekularnych i wiesz, czy każdy krok wiąże się, czy nie . Możesz teraz umieścić elektrony (taką samą liczbę jak suma elektronów, które znajdowały się na orbitali atomowych, których użyłeś w swoim zestawie bazowym), tak jak w przypadku izolowanych atomów: od dołu do góry, po dwa elektrony na każdym poziomie, spin przeciwrównoległy i tak dalej (te same zasady również, jeśli masz więcej poziomów przy tej samej energii).
Możesz teraz wrócić do klasycznej struktury chemicznej, używając tak zwanej kolejności wiązań : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ gdzie $ n $ to liczba elektronów na orbitalach wiążących, a $ n ^ * $ to liczba elektronów na orbitaliach antybakteryjnych (orbitale niezwiązane po prostu się nie liczą). kolejność wiązań mówi (jeśli jest to liczba całkowita), ile wiązań reprezentujemy na klasycznym obrazie, w ten sposób wracając do koncepcji reguły oktetu.
W rzeczywistości rozważmy powłokę walencyjną tlenu. przez orbitale atomowe $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ i zawiera sześć elektronów. Łącząc je (i ignorując interakcję między $ 2s $ i $ 2p_z $, może to być możliwe i tylko modyfikuje energii tych orbitali molekularnych) otrzymujesz 4 $ \ razy 2 $ orbitali molekularnych (wierzchołek * oznacza, że są one przeciwdziałające).
Wybrani rony dla tlenu są czarne (czerwone są dodawane, biorąc pod uwagę cząsteczkę F $ _2 $).
Wiążące orbitale molekularne z powłoki tego typu mają cztery, więc łączna liczba elektronów wiążących wynosi osiem. Tu pojawia się reguła oktetu, ale tego rodzaju rozumowanie polega na próbie dopasowania empirycznego i niewłaściwego sposobu rozumowania do potężniejszej i kwantowej struktury.
Proszę zauważyć, że moja odpowiedź jest naprawdę wprowadzająca i z podstawowego punktu widzenia; sprawy, począwszy od tego, mogą stać się znacznie bardziej skomplikowane.
Komentarze
- Dziękuję za odpowiedź! To, co ' powiedziałeś, ma sens, ale nadal nie ' nie rozumiem, w jaki sposób prowadzi to do reguły oktetu. Po obliczeniu kolejności wiązań, dlaczego atomy kończą się na oktetach?
- @knzhou I ' zredagowałem, aby spróbować odpowiedzieć na bardziej konkretny przykład (i poprawiono błąd w definicji kolejności obligacji).
- @knzhou Zasada oktektu jest nieprawidłowa. Jest wiele wyjątków. Reguła oktetu została zaproponowana na długo przed ustanowieniem podstaw mechaniki kwantowej '.
- Ma to duży sens. Czy masz bezpośrednie doświadczenie w symulowaniu orbitali w cząsteczkach? Powodem, o który pytam, jest to, że kiedy symulowane są sprzężone światłowody, często dokonuje się przybliżenia, że pola własne sprzężonej struktury są liniowymi kombinacjami niezwiązanych pól własnych falowodu – bezpośrednim analogiem MO-LCAO. Rzeczywiście, problemy z funkcjami własnymi falowodu są dokładnie analogiczne do odpowiadających im problemów Sturma-Liouvillea wywodzących się z nierelatywistycznych równań Schr ö dingera To jest piękne do poczęcia, ale ' marne przybliżenie, gdy tylko sprzężenie …
- … będzie w ogóle mocne. Falowody muszą być zaskakująco słabo sprzężone, aby były dokładne. Czy doceniasz dokładność MO-LCAO dla, powiedzmy, czegoś takiego jak cząsteczka $ O_2 $?
Odpowiedź
Reguła oktetu jest stara i niedokładna (nie ma nic wspólnego z mechaniką kwantową i jest poparta jedynie dowodami„ empirycznymi ”)
Reguła oktetu została zaproponowana na długo przed ustanowieniem podstaw mechaniki kwantowej.
Oto fragment z Wikipedii:
Reguła oktetu to praktyczna reguła chemiczna, która odzwierciedla obserwację, że atomy głównego- elementy grupowe mają tendencję do łączenia się w taki sposób, że każdy atom ma osiem elektronów w swojej powłoce walencyjnej, co nadaje mu taką samą konfigurację elektroniczną jak gaz szlachetny. Reguła ma zastosowanie szczególnie do węgla, azotu, tlenu i halogenów, ale także do metali takich jak sód czy magnez.
Ważne punkty, na które należy zwrócić uwagę:
- ” praktyczna reguła chemiczna, która odzwierciedla obserwację „: ustalona wyłącznie na podstawie obserwacji
- Reguła jest szczególnie dotyczy węgla, azotu, tlenu i halogenów, ale także metali takich jak sód czy magnez : działa w większości związki utworzone tylko przez pierwiastki z kilku pierwszych okresów układu okresowego.
Nie tylko istnieje kilka wyjątków od reguły, gdy rozważane są atomy powyżej liczby atomowej 20, są też wyjątki od reguły, w której brane są pod uwagę również niektóre pierwiastki z niższych okresów ( nic dziwnego):
- są stabilne atomy, które mają niecałkowicie wypełnioną powłokę walencyjną, ale są nadal stabilne ($ BCl_3 $, zjawisko zwane wiązaniem wstecznym odgrywa tutaj rolę, które zapewnia chwilowy oktet dla boru atom)
- istnieją stabilne atomy z nieparzystą liczbą elektronów (tlenek azotu, $ NO $; dwutlenek azotu, $ NO_2 $; dwutlenek chloru, $ ClO_2 $)
- są stabilne atomy z więcej niż 8 elektronami walencyjnymi ($ SF_6 $ ma 12 elektronów otaczających centralny atom, czyli: siarki)
Podsumowując, reguła oktetu to nie prawidłowe.
Jak działa reguła oktetu?
W klasach chemii s, omijamy ten problem przez „podwójne liczenie” elektronów związanych kowalencyjnie – w jakiś sposób mogą one liczyć się jako elektrony walencyjne na dwóch atomach jednocześnie. Ale jak pojedynczy elektron może znajdować się w dwóch stanach kwantowych naraz?
Reguła oktetu mówi, że atomy mają tendencję do tworzenia cząsteczek, które mają 8 elektronów w ich walencyjnej powłoce. Nie ma znaczenia, czy elektron jest samotną parą (lub elektronem rodnikowym), czy też elektronem związanym; niezależnie od typu elektronu, wciąż jest on częścią atomu.
Nie liczysz podwójnie, liczysz wszystkie wspólne elektrony, ponieważ są one częścią atomu. Jak sama nazwa wskazuje, elektrony są współdzielone, dlatego podczas zliczania uwzględniane są wspólne elektrony.
Dlaczego nadal używamy reguły oktetu?
Nadal używamy reguły oktetu, ponieważ jest ona łatwiejsza do zrozumienia i opisuje zachowanie większości typowych związków (związków utworzonych przez kilka pierwszych elementów). „Nie chciałbyś Teorii Orbitalu Molekularnego w podręczniku za 10 $ {th} $, prawda?
Teoria Orbitalu Molekularnego
Jest to najnowsza teoria wyjaśniająca tworzenie się wiązań. JackI przedstawiłem zwięzłe i zgrabne wyjaśnienie teorii orbitalu molekularnego.
Komentarze
- Mam plik, który nazywam ” zbiór molekuł ” – większość cząsteczek jest wybieranych jako dziwne (na przykład nieprzestrzeganie reguły oktetu), duże lub po prostu estetyczne. Zacząłem to częściowo, ponieważ podobał mi się fakt, że z reguły oktetu można było utworzyć wiele dziwnych geometrii molekularnych – w niektórych przypadkach nawet bez udziału węgla, jak widać w pl. wikipedia.org/wiki/Decaborane . Szukałem tego pytania, ponieważ podejrzewałem, że reguła oktetu mogła być po prostu regułą, która ' nie działa tak dobrze, ale unika teorii orbitali molekularnych. Dobrze wiedzieć.