Como a ligação covalente realmente funciona? Considere a molécula $ O_2 $ , que possui uma ligação covalente dupla entre as moléculas de oxigênio. Textos de química dizem que uma ligação covalente dupla ocorre porque isso dá a cada oxigênio oito elétrons de valência, que é a configuração mais estável.
Eu entendo que a regra do octeto funciona para um único átomo, porque (por exemplo) o $ 3s $ estado é muito mais alto em energia do que o estado $ 2p $ . No entanto, não tenho certeza de como isso se aplica a uma molécula de dois átomos. Existem duas maneiras de explicar:
Se “formos ingênuos e dissermos que os estados quânticos do elétron de $ O_2 $ são apenas os estados das duas moléculas de oxigênio originais, então é impossível preencher todos os $ 1s $ , $ 2s $ e $ 2p $ estados porque simplesmente não há elétrons suficientes. Na aula de química, contornamos isso por meio da “contagem dupla” de elétrons ligados covalentemente – de alguma forma, eles podem contar como elétrons de valência em dois átomos ao mesmo tempo. Mas como pode um único elétron estar em dois estados quânticos ao mesmo tempo?
De forma menos ingênua, poderíamos dizer que os orbitais $ O_2 $ são feitos por combinando os orbitais atômicos individuais dos átomos de oxigênio juntos. No entanto, neste caso, a regra do octeto não faz sentido para mim, porque os orbitais das moléculas parecem completamente diferentes. Nesta imagem, como a imagem da regra do octeto de uma “concha completamente preenchida” sobrevive?
Resposta
Na físico-química, este problema é geralmente tratado na teoria MO-LCAO.
O que você faz é assumir que você pode criar os orbitais moleculares da molécula como uma combinação linear dos orbitais atômicos dos átomos na molécula (MO-LCAO significa Orbitais Moleculares – Combinação Linear de Orbitais Atômicos ). Portanto, seus orbitais atômicos são um conjunto de base matemática na qual você projeta (usando alguns coeficientes) seus orbitais moleculares. O problema é ainda mais simplificado se você considerar que os orbitais atômicos que se combinam devem ter o mesmo caráter para as operações de simetria possíveis para aquela molécula (significa que toda combinação orbital atômica deve pertencer ao mesmo grupo de pontos, em o rder para que suas combinações lineares pertençam a esse grupo). Você pode, portanto, criar o SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ), combinações lineares de orbitais atômicos do mesmo grupo de pontos e usá-los como um conjunto de base matemática mais poderoso para os orbitais moleculares.
Dito isso, você pode calcular os coeficientes da combinação linear e a energia de cada orbital molecular. O que você obtém é um certo número de níveis (o mesmo número de orbitais atômicos considerados em seu conjunto de base) ordenados por sua energia. Agora você pode distinguir entre três tipos de orbitais moleculares:
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ligação , os orbitais atômicos interferem construtivamente na região entre os dois átomos;
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anti-ligação , os orbitais atômicos interferem destrutivamente na região entre os dois átomos;
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sem ligação , o orbital molecular é quase idêntico a um orbital atômico (o coeficiente de um determinado orbital atômico é muito maior do que os outros).
Você pode distinguir (em um nível muito básico) entre eles, representando os orbitais atômicos envolvidos e seu sinal na região entre os átomos: se eles têm o mesmo sinal, eles estão se ligando, do contrário, eles estão anti-ligações. (Observe que, ao fazer isso, esqueço a magnitude do coeficiente, que deve ser relevante na maioria dos casos.)
Agora você tem uma espécie de “escada” de orbitais moleculares e sabe se cada passo está se ligando ou não . Agora você pode colocar os elétrons (mesmo número que a soma dos elétrons que estavam nos orbitais atômicos que você usou em seu conjunto de base) como fez para átomos isolados: de baixo para cima, dois elétrons em cada nível, spin antiparalelo e assim por diante (as mesmas regras também se você tiver mais níveis com a mesma energia).
Agora você pode voltar a uma estrutura de química clássica usando a chamada ordem de títulos : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ onde $ n $ é o número de elétrons em orbitais de ligação e $ n ^ * $ é o número de elétrons em orbitais anti-ligação (orbitais sem ligação simplesmente não contam). a ordem das ligações diz (se for um inteiro) quantas ligações representamos em uma imagem clássica, voltando assim ao conceito de regra do octeto.
Na verdade, considere a camada de valência do oxigênio. pelos orbitais atômicos $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ e contém seis elétrons. Combinando-os (e ignorando a interação entre $ 2s $ e $ 2p_z $, isso poderia ser possível e apenas modifica a energia desses orbitais moleculares) você obtém $ 4 \ vezes 2 $ orbitais moleculares (o vértice * significa que eles estão anti-aderentes).
Os eleitos rons para oxigênio são pretos (os vermelhos são adicionados quando se considera a molécula F $ _2 $).
Os orbitais moleculares de ligação de uma camada desse tipo são quatro, portanto, o total de elétrons de ligação é oito. Aí vem a regra do octeto, mas esse tipo de raciocínio está tentando encaixar uma maneira empírica e errada de raciocínio em uma estrutura quântica mais poderosa.
Por favor, observe que minha resposta é de um ponto de vista realmente introdutório e básico; as coisas, a partir disso, podem se tornar muito mais complicadas.
Comentários
- Obrigado pela resposta! O que você ‘ disse faz sentido, mas ainda não ‘ não entendo como isso leva à regra do octeto. Depois de calcularmos a ordem do título, por que os átomos acabam com octetos?
- @knzhou I ‘ editei para tentar responder com um exemplo mais específico (e corrigiu um erro na definição da ordem do título).
- @knzhou A regra do octeto está errada. Existem muitas exceções. A regra do octeto foi proposta muito antes da fundação da mecânica quântica ‘ ser estabelecida.
- Isso faz muito sentido. Você tem experiência direta em simular orbitais em moléculas? A razão de eu perguntar é que, quando guias de ondas ópticas acoplados são simulados, muitas vezes se faz uma aproximação de que os eigenfields da estrutura acoplada são combinações lineares dos eigenfields de guias de ondas desacoplados – o análogo direto de MO-LCAO. De fato, os problemas de autofunção de guia de onda são exatamente análogos aos problemas de Sturm-Liouville correspondentes derivados de Schr ö equações dinger Isso é bonito para a concepção, mas ‘ é uma péssima aproximação assim que o acoplamento …
- … é totalmente forte. Os guias de onda devem ser surpreendentemente fracamente acoplados para serem precisos. Você tem alguma avaliação da precisão do MO-LCAO para, digamos, algo como a molécula $ O_2 $?
Resposta
A regra do octeto é antiga e não é precisa (não tem nada a ver com a mecânica quântica e é apoiada apenas por evidências” empíricas “)
A regra do octeto foi proposta muito antes de os fundamentos da mecânica quântica serem estabelecidos.
Aqui está um trecho da Wikipedia:
A regra do octeto é uma regra química que reflete a observação de que átomos de os elementos do grupo tendem a se combinar de tal forma que cada átomo tem oito elétrons em sua camada de valência, dando-lhe a mesma configuração eletrônica de um gás nobre. A regra é especialmente aplicável a carbono, nitrogênio, oxigênio e halogênios, mas também a metais como sódio ou magnésio.
Os pontos importantes a serem observados aqui são:
- ” uma regra química que reflete a observação “: estabelecida apenas com base em observações
- A regra é especialmente aplicável a carbono, nitrogênio, oxigênio e halogênios, mas também a metais como sódio ou magnésio : funciona para a maioria dos os compostos formados apenas pelos elementos dos primeiros períodos da tabela periódica.
Não apenas existem várias exceções à regra quando os átomos acima do número atômico 20 são considerados, mas também há exceções à regra quando alguns dos elementos dos períodos inferiores são considerados ( não é uma surpresa):
- existem átomos estáveis que têm a camada de valência incompletamente preenchida, mas ainda são estáveis ($ BCl_3 $, um fenômeno chamado ligação de volta desempenha um papel aqui que garante octeto momentâneo para o boro átomo)
- existem átomos estáveis com número ímpar de elétrons (óxido nítrico, $ NO $; dióxido de nitrogênio, $ NO_2 $; dióxido de cloro, $ ClO_2 $)
- existem estáveis átomos com mais de 8 elétrons de valência ($ SF_6 $ tem 12 elétrons em torno do átomo central, ou seja: enxofre)
Resumindo, a regra do octeto é não correto.
Como funciona a regra do octeto?
Em aulas de química s, contornamos isso por “contagem dupla” de elétrons covalentemente ligados – de alguma forma, eles podem contar como elétrons de valência em dois átomos ao mesmo tempo. Mas como um único elétron pode estar em dois estados quânticos ao mesmo tempo?
A regra do octeto afirma que os átomos tendem a formar moléculas de modo que tenham 8 elétrons em sua concha de valência. Não importa se o elétron é um par solitário (ou um elétron radical) ou se é um elétron ligado; seja qual for o tipo do elétron, ele ainda é uma parte do átomo.
Você não conta duas vezes, você conta todos os elétrons compartilhados porque eles são parte do átomo. Como o nome diz, os elétrons estão sendo compartilhados; portanto, elétrons compartilhados são incluídos durante a contagem.
Por que ainda usamos a regra do octeto hoje?
Ainda usamos a regra do octeto hoje, pois é mais fácil de entender e descreve o comportamento da maioria dos compostos comuns (os compostos formados pelos primeiros elementos). “t quer a Teoria Orbital Molecular em um livro didático de $ 10 ^ {th} $ grade, não é?
Teoria Orbital Molecular
Esta é a teoria mais recente que explica a formação de títulos. JackI deu uma explicação concisa e organizada da Teoria Orbital Molecular.
Comentários
- Tenho um arquivo que chamo de ” coleção de moléculas ” – a maioria das moléculas são selecionadas por serem estranhas (como em não seguir a regra do octeto, por exemplo), grandes ou apenas esteticamente agradáveis. Comecei parcialmente porque adorei o fato de que muitas geometrias moleculares estranhas podem ser formadas a partir da regra do octeto – em alguns casos, mesmo sem o carbono envolvido, como pode ser visto em en. wikipedia.org/wiki/Decaborane . E eu estava procurando essa pergunta porque suspeitei que a regra do octeto pode ter sido apenas uma regra que não ‘ funciona tão bem, mas evita a teoria orbital molecular. É bom saber.