Hur fungerar kovalent bindning egentligen? Tänk på molekylen $ O_2 $ , som har en dubbel kovalent bindning mellan syremolekylerna. Kemitexter säger att en dubbel kovalent bindning uppstår eftersom detta ger varje syre åtta valenselektroner, vilket är den mest stabila konfigurationen.

Jag förstår att oktettregeln fungerar för en enda atom, eftersom (t.ex.) $ 3s $ -tillståndet har mycket högre energi än $ 2p $ -tillståndet. Jag är dock inte säker på hur detta gäller en tvåatommolekyl. Det finns två sätt att förklara det:

Om vi är ”naiva och säger att elektronkvanttillstånden $ O_2 $ är bara tillstånden för de två ursprungliga syremolekylerna, då är det omöjligt att fylla alla $ 1s $ , $ 2s $ , och $ 2p $ anger eftersom det bara inte finns tillräckligt med elektroner. I kemiklassen går vi runt detta genom att ”dubbelräka” kovalent bundna elektroner – på något sätt kan de räknas som valenselektroner på två atomer samtidigt. Men hur kan en enskild elektron vara i två kvanttillstånd samtidigt?

Mindre naivt kan vi säga att $ O_2 $ orbitaler är gjorda av kombinerar de enskilda atomorbitalerna i syreatomerna tillsammans. Men i det här fallet är oktettregeln inte meningsfull för mig, eftersom molekylens orbitaler ser helt annorlunda ut. Hur överlever oktettregelbilden av ett ”helt fyllt skal” i den här bilden?

Svar

I fysikalisk kemi behandlas detta problem vanligtvis i MO-LCAO teori.

Vad du gör är att anta att du kan skapa molekylers orbitaler som en linjär kombination av atomernas orbitaler i molekylen (MO-LCAO står för Molecular Orbitals – Linear Combination of Atomic Orbitals ). Därför är dina atomorbitaler är en matematisk basuppsättning som du projicerar (med hjälp av vissa koefficienter) dina molekylära orbitaler. Problemet förenklas ytterligare om du anser att de atomära orbitalerna som kommer att kombineras ska ha samma karaktär för symmetrioperationerna som är möjliga för den molekylen att varje atombana som kombinerar ska tillhöra samma punktgrupp, i o rder för att deras linjära kombinationer ska tillhöra den gruppen). Du kan därför skapa SALC ( Symmetry-anpassade linjära kombinationer ), linjära kombinationer av atomorbitaler i samma punktgrupp och använda dem som en mer kraftfull matematisk grunduppsättning för molekylära orbitaler.

Angivet detta kan du beräkna koefficienterna för den linjära kombinationen och energin för varje molekylär orbital. Vad du får är ett visst antal nivåer (samma antal atomorbitaler som beaktas i din basuppsättning) ordnade efter deras energi. Du kan nu skilja mellan tre typer av molekylära orbitaler:

  • bindning , atomorbitalerna interfererar konstruktivt i regionen mellan de två atomerna;

  • antikondenserande , atomorbitalerna stör destruktivt i regionen mellan de två atomerna;

  • icke bindande , den molekylära orbitalen är nästan identisk med en atombana (koefficienten för en viss atombana är mycket större än de andra).

Du kan skilja (på en mycket grundläggande nivå) mellan dem genom att representera de inblandade atomorbitalerna och deras tecken i regionen mellan atomerna: om de har samma tecken, de häftar, annars är de bindande. (Observera att genom att göra detta glömmer jag storleken på koefficienten, som i de flesta fall borde vara relevant.)

Bindning av orbitaler för en biatomisk molekyl med utgångspunkt från skalet $ n = 2 $.

Antibindande orbitaler för samma molekyl.

Nu har du en slags ”stege” av molekylära orbitaler och du vet om varje steg är bindande eller inte . Du kan nu placera elektronerna (samma antal som summan av elektronerna som i atomorbitalerna du använde i din basuppsättning) som du gjorde för isolerade atomer: från botten till toppen, två elektroner i varje nivå, antiparallell snurrning och så vidare (samma regler också om du har fler nivåer i samma energi).

Du kan nu gå tillbaka till ett klassiskt kemi-ramverk med den så kallade bindningsordning : $$ BO = 1/2 (nn ^ *) $$ där $ n $ är antalet elektroner i bindningsorbitaler och $ n ^ * $ är antalet elektroner i antibondande orbitaler (icke-bindande orbitaler räknas bara inte). bindningsordning berättar (om det är ett heltal) hur många bindningar vi representerar i en klassisk bild och går därmed tillbaka till begreppet oktettregel.

Tänk faktiskt på syres valensskal. Det är gjort av atomorbitalerna $ 2s $, $ 2p_x $, $ 2p_y $, $ 2p_z $ och den innehåller sex elektroner. Genom att kombinera dessa (och ignorera interaktionen mellan $ 2s $ och $ 2p_z $, kan det vara möjligt och det modifierar bara energin i dessa molekylära orbitaler) du får $ 4 \ gånger 2 $ molekylära orbitaler (toppunkten * betyder att de är antikondenserande.

Molekylära orbitaler för syrgasens valensskal.

De utvalda rons för syre är svarta (röda läggs till när man överväger F $ _2 $ -molekylen).

De bindande molekylära orbitalerna från ett skal av denna typ är fyra, varför summan av bindningselektronerna är åtta. Här kommer oktettregeln, men denna typ av resonemang försöker passa ett empiriskt och fel sätt att resonera i ett mer kraftfullt och kvantiskt ramverk.

Observera att mitt svar är ur en riktigt inledande och grundläggande synvinkel; saker, med utgångspunkt från detta, kan bli mycket mer komplicerade.

Kommentarer

  • Tack för svaret! Det du ’ har sagt är meningsfullt, men jag förstår fortfarande inte ’ hur detta leder till oktettregeln. När vi väl har beräknat obligationsordningen, varför slutar atomer med oktetter?
  • @knzhou I ’ har redigerats för att försöka svara med ett mer specifikt exempel (och korrigerade ett misstag i definitionen av obligationsordern).
  • @knzhou Oktektregeln är fel. Det finns många undantag. Oktettregeln föreslogs mycket innan grunden för kvantmekanik ’ fastställdes.
  • Det är mycket meningsfullt. Har du direkt erfarenhet av att simulera orbitaler i molekyler? Anledningen till att jag frågar är att man, när kopplade optiska vågledare simuleras, ofta gör en approximation av att egenfälten i den kopplade strukturen är linjära kombinationer av de oavkopplade vågledarens egenfält – den direkta analogen till MO-LCAO. Faktum är att vågledarens egenfunktionsproblem är exakt analoga med motsvarande Sturm-Liouville-problem som härrör från icke-relativistisk Schr ö dingerekvationer. Detta är vackert för befruktningen, men det ’ en elak approximation så snart kopplingen …
  • … är alls stark. Vågledarna måste vara överraskande svagt kopplade för att de ska vara korrekta. Har du någon uppskattning av noggrannheten hos MO-LCAO för, säg, något som $ O_2 $ -molekylen?

Svar

Oktettregeln är gammal och är inte korrekt (har inget att göra med kvantmekanik och stöds endast av” empiriskt ”bevis)

Oktettregeln föreslogs mycket innan grunden för kvantmekanik etablerades.

Här är ett utdrag från Wikipedia:

Oktettregeln är en kemisk tumregel som återspeglar observationen att atomer av huvud- gruppelement tenderar att kombineras på ett sådant sätt att varje atom har åtta elektroner i sitt valensskal, vilket ger den samma elektroniska konfiguration som en ädelgas. Regeln är särskilt tillämplig på kol, kväve, syre och halogener, men även på metaller som natrium eller magnesium.

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

Viktiga punkter att notera här är:

  • ” en kemisk tumregel som återspeglar observation ”: upprättad endast baserat på observationer
  • Regeln är särskilt tillämpligt på kol, kväve, syre och halogener, men även på metaller som natrium eller magnesium : fungerar för större delen av föreningarna som bildas av elementen från de första perioderna i det periodiska systemet.

Det finns inte bara flera undantag från regeln när atomer över atomnummer 20 anses, det finns undantag från regeln när vissa av elementen från de lägre perioderna också beaktas ( inte en överraskning):

  • Det finns stabila atomer som har ofullständigt fyllda valensskal men är fortfarande stabila ($ BCl_3 $, ett fenomen som kallas back bonding spelar en roll här som säkerställer en kortvarig oktett för Boron atom)
  • det finns stabila atomer med udda antal elektroner (kväveoxid, $ NO $; kvävedioxid, $ NO_2 $; klordioxid, $ ClO_2 $)
  • det finns stabila atomer med mer än 8 valenselektroner ($ SF_6 $ har 12 elektroner som omger den centrala atomen, dvs. svavel)

För att sätta allt i nötskal är oktettregeln inte korrekt.

Hur fungerar oktettregel?

I kemiklasser s, vi kringgår detta genom att ”dubbelräka” kovalent bundna elektroner – på något sätt kan de räknas som valenselektroner på två atomer samtidigt. Men hur kan en enda elektron vara i två kvanttillstånd samtidigt?

Oktettregeln säger att atomerna tenderar att bilda molekyler så att de har åtta elektroner i deras valensskal. Det spelar ingen roll om elektronen är ett ensamt par (eller en radikal elektron) eller om det är en bunden elektron; oavsett vilken typ elektronen kanske är, är den fortfarande en del av atomen.

Du räknar inte dubbelt så räknar du alla delade elektroner eftersom de är en del av atomen. Som namnet säger, elektronerna delas, därför ingår delade elektroner medan de räknas.

Varför använder vi fortfarande oktettregeln idag?

Vi använder fortfarande oktettregeln idag eftersom det är lättare att förstå och beskriver beteendet hos de flesta vanliga föreningar (de föreningar som bildas av de första elementen). Du skulle inte ”vill du inte ha molekylär orbitalteori i en $ 10 ^ {th} $ lärobok, eller hur?

Molekylär orbital teori

Detta är den senaste teorin som förklarar bindningsformationer. JackI har gett en kortfattad och snygg förklaring av Molecular Orbital Theory.

Kommentarer

  • Jag har en fil som jag kallar ” molekylsamling ” – de flesta molekyler är valda för att vara konstiga (som till exempel, inte följa oktettregeln), stora eller bara estetiskt tilltalande. Jag startade det delvis för att jag älskade det faktum att många konstiga molekylära geometrier kunde bildas ur oktettregeln – i vissa fall även utan kol involverat, vilket kan ses i sv. wikipedia.org/wiki/Decaborane . Och jag letade efter den här frågan eftersom jag misstänkte att oktettregeln kanske bara hade varit en regel som inte ’ fungerar så bra, men undviker molekylär banor. Bra att veta.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *