Woher kommt in chemischen Verbindungen die „Magie“ in den „magischen Zahlen“ der Atome?

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:

1. Mendelejew wusste 1869 nichts über die Gruppe der stabilen Elemente, die Nobelgase wurden damals einfach nicht entdeckt.
2. Die Entdeckung der Edelgase half bei der Entwicklung eines allgemeinen Verständnisses der Atomstruktur. 1895 versuchte der französische Chemiker Henri Moissan, eine Reaktion zwischen Fluor, dem elektronegativsten Element, und Argon zu bilden, scheiterte jedoch. Aus diesen Experimenten lernend, schlug der dänische Physiker Niels Bohr 1913 vor, dass die Elektronen in Atomen in Schalen angeordnet sind, die den Kern umgeben, und dass bei allen Edelgasen außer Helium die äußerste Schale immer acht Elektronen enthält.
3. 1916 formulierte Gilbert N. Lewis die Oktettregel, die zu dem Schluss kam, dass ein Oktett von Elektronen in der äußeren Schale die stabilste Anordnung für jedes Atom ist; Diese Anordnung führte dazu, dass sie mit anderen Elementen nicht reagierten, da sie keine Elektronen mehr benötigten, um ihre äußere Hülle zu vervollständigen.
   (Punkt 2 und 3 sind Zitate aus Wikipedia über Nobelgase )

=> 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:

1. Der entscheidende Erfolg des (Bohr'schen) Modells lag in der Erklärung der Rydberg-Formel für die spektralen Emissionslinien von atomarem Wasserstoff . Während die Rydberg-Formel experimentell bekannt war, erhielt sie keine theoretische Untermauerung, bis das Bohr-Modell eingeführt wurde.
2. Das Elektron kann sich auf bestimmten stabilen Bahnen um den Kern drehen, ohne Energie abzustrahlen, im Gegensatz zu dem, was der klassische Elektromagnetismus vermuten lässt.
3. Das Bohr-Modell liefert fast exakte Ergebnisse nur für ein System, in dem zwei geladene Punkte einander mit viel geringerer als Lichtgeschwindigkeit umkreisen. Dabei handelt es sich um Einelektronensysteme wie das Wasserstoffatom, einfach ionisiertes Helium und doppelt ionisiertes Lithium.
4. Es wurden mehrere Verbesserungen des Bohr-Modells vorgeschlagen, insbesondere das Sommerfeld-Modell oder das Bohr-Sommerfeld-Modell, die darauf hindeuten, dass sich Elektronen auf elliptischen Bahnen um einen Kern bewegen, anstatt auf den kreisförmigen Bahnen des Bohr-Modells.
5. Am Ende wurde das Modell durch die moderne quantenmechanische Behandlung des Wasserstoffatoms ersetzt, die erstmals 1925 von Wolfgang Pauli unter Verwendung der Heisenbergschen Matrizenmechanik gegeben wurde. Das aktuelle Bild des Wasserstoffatoms basiert auf den Atomorbitalen der Wellenmechanik, die Erwin Schrödinger 1926 entwickelt hat.
   (Alle Punkte sind Zitate aus Wikipedia zum Bohr-Modell )

Auf den Punkt gebracht (wieder aus Wikipedia ):

• Die Emissionsspektren angeregter Elektronen in Atomen sind die experimentellen Fakten.
• Bohrs Bedingung, dass der Drehimpuls ein ganzzahliges Vielfaches von ħ ...
• ... wurde später 1924 von de Broglie als Zustand einer stehenden Welle neu interpretiert: Das Elektron wird durch eine Welle beschrieben und eine ganze Anzahl von Wellenlängen muss auf den Umfang der Elektronenbahn passen.
• In der modernen Quantenmechanik ist das Elektron im Wasserstoff eine kugelförmige Wahrscheinlichkeitswolke, die in der Nähe des Kerns dichter wird. Die Geschwindigkeitskonstante des Wahrscheinlichkeitszerfalls in Wasserstoff ist gleich dem Kehrwert des Bohr-Radius

=> 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$Y_{\ell }^{m}$, 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 ?