Wie funktioniert eigentlich kovalente Bindung?

In der physikalischen Chemie wird dieses Problem üblicherweise in der MO-LCAO-Theorie behandelt.

Was Sie tun, ist anzunehmen, dass Sie die Molekülorbitale des Moleküls als Linearkombination der Atomorbitale der Atome im Molekül erzeugen können (MO-LCAO steht für Molecular Orbitals - Linear Combination of Atomic Orbitals ). Daher sind Ihre Atomorbitale ein mathematischer Basissatz, auf den Sie (unter Verwendung einiger Koeffizienten) Ihre Molekülorbitale projizieren. Das Problem wird weiter vereinfacht, wenn man bedenkt, dass die Atomorbitale, die miteinander kombiniert werden, denselben Charakter für die für dieses Molekül möglichen Symmetrieoperationen haben sollten (das bedeutet, dass jede Atomorbitalkombination zur selben Punktgruppe gehören sollte, damit ihre linearen Kombinationen, die zu dieser Gruppe gehören). Sie können daher die SALC ( Symmetry Adapted Linear Combinations ) erstellen), Linearkombinationen von Atomorbitalen derselben Punktgruppe, und verwenden sie als leistungsfähigere mathematische Basis für die Molekülorbitale.

Damit können Sie die Koeffizienten der Linearkombination und die Energie jedes Molekülorbitals berechnen. Was Sie erhalten, ist eine bestimmte Anzahl von Ebenen (gleiche Anzahl der in Ihrem Basissatz berücksichtigten Atomorbitale), die nach ihrer Energie geordnet sind. Man kann nun zwischen drei Arten von Molekülorbitalen unterscheiden:

• Bindung interferieren die Atomorbitale konstruktiv im Bereich zwischen den beiden Atomen;

• antibindend interferieren die Atomorbitale destruktiv im Bereich zwischen den beiden Atomen;

• nicht bindend , das Molekülorbital ist fast identisch mit einem Atomorbital (der Koeffizient eines bestimmten Atomorbitals ist viel größer als der anderer).

Sie können (auf einer sehr einfachen Ebene) zwischen ihnen unterscheiden, indem Sie die beteiligten Atomorbitale und ihr Vorzeichen in der Region zwischen den Atomen darstellen: Wenn sie das gleiche Vorzeichen haben, sind sie bindend, andernfalls sind sie antibindend. (Bitte beachten Sie, dass ich dabei die Größe des Koeffizienten vergesse, die in den meisten Fällen relevant sein sollte.)

Jetzt haben Sie eine Art "Leiter" von Molekülorbitalen und wissen, ob jeder Schritt eine Bindung darstellt oder nicht. Sie können jetzt die Elektronen (dieselbe Zahl wie die Summe der Elektronen in den Atomorbitalen, die Sie in Ihrem Basissatz verwendet haben) so platzieren, wie Sie es für isolierte Atome getan haben: von unten nach oben, zwei Elektronen in jeder Ebene, antiparalleler Spin und so weiter (dieselben Regeln auch, wenn Sie mehr Ebenen bei gleicher Energie haben).

Mit der sogenannten Bindungsordnung können Sie nun auf ein klassisches Chemiegerüst zurückgreifen :

Betrachten Sie in der Tat die Valenzschale von Sauerstoff. Es wird von den Atomorbitalen hergestellt$2s$,$2p_x$,$2p_y$,$2p_z$und es enthält sechs Elektronen. Durch Kombinieren dieser (und Ignorieren der Wechselwirkung zwischen$2s$Und$2p_z$, das könnte möglich sein und ändert nur die Energie dieser Molekülorbitale), die Sie erhalten$4\times 2$Molekülorbitale (die Spitze * bedeutet, dass sie antibindend sind).

Die Elektronen für Sauerstoff sind schwarz (rote werden hinzugefügt, wenn man das F betrachtet$_2$Molekül).

Die bindenden Molekülorbitale einer solchen Schale sind vier, daher beträgt die Gesamtzahl der bindenden Elektronen acht. Hier kommt die Oktettregel, aber diese Art der Argumentation versucht, eine empirische und falsche Art der Argumentation in einen mächtigeren und Quantenrahmen zu integrieren.

Bitte beachten Sie, dass meine Antwort von einem wirklich einführenden und grundlegenden Standpunkt aus erfolgt; die Dinge können, ausgehend davon, viel komplizierter werden.

Die Oktettregel ist alt und nicht genau (hat nichts mit Quantenmechanik zu tun und wird nur durch "empirische" Beweise gestützt).

Die Oktettregel wurde lange vor der Etablierung der Grundlagen der Quantenmechanik vorgeschlagen.

Hier ein Auszug aus Wikipedia:

Die Oktettregel ist eine chemische Faustregel, die die Beobachtung widerspiegelt, dass Atome von Hauptgruppenelementen dazu neigen, sich so zu verbinden, dass jedes Atom acht Elektronen in seiner Valenzschale hat, was ihm die gleiche elektronische Konfiguration wie ein Edelgas verleiht. Die Regel gilt insbesondere für Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und die Halogene, aber auch für Metalle wie Natrium oder Magnesium.

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

Wichtige Punkte, die hier zu beachten sind:

• "eine chemische Faustregel, die die Beobachtung widerspiegelt ": ausschließlich auf der Grundlage von Beobachtungen erstellt
• Die Regel gilt besonders für Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und die Halogene, aber auch für Metalle wie Natrium oder Magnesium : funktioniert für die meisten Verbindungen, die von den Elementen der ersten Perioden des Periodensystems gebildet werden.

Es gibt nicht nur mehrere Ausnahmen von der Regel, wenn Atome über der Ordnungszahl 20 betrachtet werden, es gibt auch Ausnahmen von der Regel, wenn einige der Elemente aus den niedrigeren Perioden berücksichtigt werden (keine Überraschung):

• Es gibt stabile Atome, die eine unvollständig gefüllte Valenzschale haben, aber immer noch stabil sind ($BCl_3$, hier spielt ein Phänomen namens Backbonding eine Rolle, das für das momentane Oktett des Boratoms sorgt)
• es gibt stabile Atome mit ungerader Elektronenzahl (Stickstoffmonoxid,$NO$; Stickstoffdioxid,$NO_2$; Chlordioxid,$ClO_2$)
• Es gibt stabile Atome mit mehr als 8 Valenzelektronen ($SF_6$hat 12 Elektronen, die das Zentralatom umgeben, dh: Schwefel)

Um es auf den Punkt zu bringen, die Oktettregel ist nicht korrekt.

Wie funktioniert die Oktettregel?

Im Chemieunterricht umgehen wir das, indem wir kovalent gebundene Elektronen „doppelt zählen“ – irgendwie können sie auf zwei Atomen gleichzeitig als Valenzelektronen zählen. Aber wie kann ein einzelnes Elektron gleichzeitig in zwei Quantenzuständen sein?

Die Oktettregel besagt, dass die Atome dazu neigen, Moleküle so zu bilden, dass sie 8 Elektronen in ihrer Valenzschale haben. Es spielt keine Rolle, ob das Elektron ein einsames Elektronenpaar (oder ein Radikalelektron) oder ein gebundenes Elektron ist; Welche Art auch immer das Elektron sein mag, es ist immer noch ein Teil des Atoms.

Sie zählen nicht doppelt, Sie zählen alle gemeinsamen Elektronen, weil sie Teil des Atoms sind. Wie der Name schon sagt, werden die Elektronen geteilt; daher werden gemeinsame Elektronen beim Zählen eingeschlossen.

Warum verwenden wir heute noch die Oktettregel?

Wir verwenden heute noch die Oktettregel, da sie einfacher zu verstehen ist und das Verhalten der meisten gängigen Verbindungen (der Verbindungen, die aus den ersten paar Elementen gebildet werden) beschreibt. Sie würden die Molekularorbitaltheorie nicht in einem haben wollen$10^{th}$Klasse Lehrbuch, würden Sie?

Molekularorbitaltheorie

Dies ist die neueste Theorie, die Bindungsbildungen erklärt. JackI hat eine prägnante und übersichtliche Erklärung der Molecular Orbital Theory gegeben.