Dass Atome mit einer vollen Elektronenhülle stabiler sind, ist bekannt, es ist eine der ersten Tatsachen, die in einem Chemiekurs der Mittelstufe gelehrt werden:
„Ein Element, dessen Atome außerhalb gefüllter Energieniveaus keine Elektronen haben, ist chemisch besonders stabil. Solche Elemente nennt man Edelgase.“
Diese Zahlen (für stabile Kerne) sind 2 (He), 10 (Ne), 18 (Ar), 36 (Kr), 54 (Xe) und 86 (Rn). Jeder entspricht einer vollen Hülle von Elektronen mit ähnlichen Energien, die von ausgehen und ende ein , kurz vor dem Schale ist gefüllt ( als Hauptquantenzahl und wobei die ersten beiden Quantenzahlen des Bahndrehimpulses , also ). Wir wissen auch, dass die Wertigkeit eines Atoms die Zahl der Elektronen ist, die mehr oder weniger als die Zahl für ein Edelgas ist.
Was ich nicht verstehe ist der Grund dafür:
„Stabile chemische Verbindungen werden durch die Coulomb-Anziehung zusammengehalten und typischerweise aus Atomen gebildet, deren Wertigkeit sich zu Null addiert.“
Was ist das Besondere daran, dass beide Atome Edelgaskonfiguration haben?
Für das letzte Elektron in der Schale haben wir, dass sich das Potential wie folgt verhält in der Nähe des Kerns (dessen Ladung ist ), und wie außerhalb des Atoms, wo die Kernladung durch die negative Ladung von Z − 1 Elektronen abgeschirmt ist, dann das Potential vom Atom weg (mit ) sollte Null sein. Und zum Beispiel würde das Wegnehmen eines Elektrons die Energie erhöhen, da es Arbeit erfordern würde, um es aus dem Potential zu nehmen. Es gäbe auch keine Anziehungskraft, ein zusätzliches Elektron außerhalb des Atoms zu binden.
Soweit ich verstehe, besteht der Mechanismus, durch den diese Atome aneinander binden würden, darin, zuerst zu ionisieren und dann die Coulomb-Anziehung mit ihnen zu verbinden. Nehmen wir zur Konkretheit an :
Ich weiß, dass für diese Elemente die Ionisierungsenergie klein sein kann, aber die Energie für die Nicht-Ionen sollte immer noch niedriger sein und daher sollten sie stabiler sein, aber das ist nicht der Fall. Meine Frage würde darauf hinauslaufen: Warum bleiben sie zusammen? Warum nicht einfach dem anderen Ion das Elektron wegschnappen und eigene Wege gehen?
Es ist immer gut, sich an den historischen Kontext zu erinnern. Die Aussage
Ein Element, dessen Atome außerhalb gefüllter Energieniveaus keine Elektronen haben, ist chemisch besonders stabil. Solche Elemente nennt man Edelgase.
verwechselt das Phänomen mit der Schlussfolgerung. Die Geschichte war folgende:
=> Es war und ist bis heute eine empirische Tatsache, dass Elemente mit 2, 8 und wieder 8 Elektronen Schalen so ausfüllen, dass diese Schalen chemisch besonders stabil sind .
Stabile chemische Verbindungen aus Atomen, deren Wertigkeit sich zu Null addiert. Was ist das Besondere daran, dass beide Atome Edelgaskonfiguration haben?
Erinnern wir uns noch einmal an den historischen Kontext:
Auf den Punkt gebracht (wieder aus Wikipedia ):
=> Alle Erklärungen und Schlussfolgerungen basieren auf der chemischen Stabilität von Nobelgasen. Es gibt keine Erklärung, warum Nobelgasatome 2, 8 und wieder 8 Elektronen in einer stabilen Anordnung haben; abgesehen davon, dass es Lösungen für partielle Differentialgleichungen gibt, die die Elektronenanregungen beschreiben können.
Die Quantenmechanik löst solche partiellen Differentialgleichungen für die sphärische Wahrscheinlichkeit für Elektronen mit Hilfe von Kugelflächenfunktionen .
Trotz ihres Namens nehmen sphärische Harmonische ihre einfachste Form in kartesischen Koordinaten an. Dies führt zu sphärischen Wahrscheinlichkeiten mit 2 Elektronen für die s-Schale und 6 Elektronen in der p-Schale
Aber Kugelflächenfunktionen haben auch andere Lösungen. Allgemeinere sphärische Harmonische vom Grad ℓ sind nicht unbedingt die der Laplace-Basis , und ihre Knotenmengen können von ziemlich allgemeiner Art sein. ( Wikipedia )
Eine Lösung, die dem von Lewis vorgeschlagenen kubischen Atom entspricht :
Das kubische Atom war ein frühes Atommodell, bei dem Elektronen an den acht Ecken eines Würfels in einem unpolaren Atom oder Molekül positioniert waren. Diese Theorie wurde 1902 von Gilbert N. Lewis entwickelt und 1916 in dem Artikel "The Atom and the Molecule" veröffentlicht und verwendet, um das Phänomen der Valenz zu erklären ... Die folgende Abbildung zeigt strukturelle Darstellungen für Elemente der zweiten Reihe von das Periodensystem.
Die entsprechende sphärische Harmonische ist die folgende:
Jedes der acht Segmente der Kugel entspricht topologisch den acht Kanten eines Würfels.
Bisher habe ich nur beschrieben, was die Wissenschaft sagt. Da Ihre Frage nicht genügend Aufmerksamkeit erhalten hat, kann ich gerne meine eigenen Gedanken hinzufügen, um Ihnen zu sagen, warum 2 und 8 Elektronen in einer Schale perfekt um einen Kern herum ausbalanciert sind.
Basierend auf der kubischen Lewis-Verteilung von Elektronen und der Erinnerung, dass Elektronen ein magnetisches Dipolmoment haben, ist es möglich, die acht äußeren Elektronen von Ne und Ar in ein perfektes Gleichgewicht zu bringen. Dies ist bei 4 Elektronen der Fall, die mit ihrem Nordpol zum Atomkern zeigen und bei den anderen 4 Elektronen mit ihrem Südpol. Bei He sind die beiden Elektronen antiparallel zueinander gerichtet. Haben Sie die Entsprechung zu Paulis Ausschlussprinzip gesehen ?
ACuriousMind