Was gibt der kovalenten Bindung ihre Stärke?

Es hilft wahrscheinlich zu definieren, was eine kovalente Bindung wirklich ist. Kovalente Bindungen entstehen, wenn ein oder mehrere Atomorbitale (AO) der beteiligten Atome konstruktiv interagieren und ein (bindendes) Molekülorbital (MO) bilden. Die folgende Abbildung schematisiert die Bildung von a$\sigma_{ss}$MO, wenn sich zwei Wasserstoffatome zu einem Diwasserstoffmolekül verbinden:

Der$+$Zeichen zeigen die Wellenfunktionen der$1s$Orbitale beider Atome haben das gleiche Vorzeichen (Phase) (zwei Atome mit entgegengesetzten Phasen bilden ein antibindendes MO, hier nicht abgebildet). Das Ergebnis$\sigma_{ss}$MO ist näherungsweise eine Linearkombination der einzelnen Wellenfunktionen. Nochmal schematisch:

Das MO „enthält“ nach Pauli immer$2$Elektronen mit entgegengesetztem Spin. Die MO kann also als „voll“ bezeichnet werden.

Rechts ist auch die Elektronenwahrscheinlichkeitsdichte schematisiert $\psi^2$und beachten Sie, dass diese Dichte auf der Kernachse zwischen beiden Kernen sehr signifikant ist . Dadurch wird die intranukleare Coulomb-Abstoßungskraft stark reduziert und die molekulare Anordnung stabil, was bedeutet, dass ein Auseinanderziehen Energie kosten würde. Diese Energie wird oft als Bindungsstärke ( in$\mathrm{kJ/mole}$).

$\sigma$MOs können auch zwischen verschiedenen Arten von AOs entstehen, wie z$\sigma_{sp}$Und$\sigma_{pp}$MOs. Und dazwischen$p$Und$p$AOs, sog$\pi$MOs können sich bilden. Diese werden benötigt, um die stärkeren Doppelbindungen und die noch stärkeren Dreifachbindungen zu bilden.

Angenommen, wir sprechen beispielsweise von zwei Wasserstoffatomen$H^1$Und$H^2$, und ein (Di)wasserstoffmolekül,$H_2$, die aus diesen beiden Wasserstoffatomen besteht, also$H^1H^2$. Eine Randbemerkung: Das Wort "Kraft" wird in dem von Ihnen zitierten Absatz nicht ausdrücklich erwähnt. Nun heißt es im Absatz zuerst:

In den isolierten Atomen wird jedes Elektron von einem positiven Kern angezogen – und zieht ihn an

Mit unserer Schreibweise lautet dies: Zwischen Kern und Elektron besteht eine elektrostatische Anziehung$H^1$, nennen wir das$E^1$und es gibt eine elektrostatische Anziehung zwischen Kern und Elektron von$H^2$, nennen wir das$E^2$. Für ein Wasserstoffatom beträgt diese Energie übrigens ziemlich genau 13,6 eV (zur Freude der Chemiker kann man sagen -13,6 eV).

Der Absatz geht weiter:

Im Molekül wird jedes Elektron von zwei positiven Kernen angezogen.

Mit unserer Schreibweise lautet dies: Beim Molekül entsteht das Elektron aus$H^1$wird von zwei Kernen angezogen, nennen wir das Energie$E^{12}$und das Elektron von$H^2$wird von zwei Kernen angezogen, nennen wir das Energie$E^{21}$.

Also, endlich, was Ihr zitierter Absatz behauptet, ist das

Eine letzte Anmerkung: Sie sagen

Ich bin mir bewusst, dass die Abnahme der Gesamtenergie oder die Zunahme der Stabilität definitiv kein Grund ist, die Stärke der kovalenten Bindung zu erklären, sondern eher eine Folge der Wirkung solcher Kräfte.

Dieser Satz ist nicht richtig. Die Energie von zwei Wasserstoffatomen ist$2\times13.6=27.2$ $eV$und die Energie eines (Di)Wasserstoffmoleküls ist ungefähr$31.2$ $eV$und deren Differenz ergibt ungefähr die Energie der kovalenten Bindung zwischen zwei Wasserstoffatomen$4$ $eV$.

Für einen Chemiker ist Gerts Antwort sehr gut. Ich bin mir nicht sicher, wie viel Chemie Sie wissen, also werde ich einfach ein bisschen.

Die grundlegendste Vorstellung ist, dass es zwei Archetypen von Bindungen gibt, ionische und kovalente.

Bei einer Ionenbindung gewinnt oder verliert jedes Atom Elektronen, um aufgeladen zu werden. Es wird angenommen, dass es kein „Teilen“ der Elektronen gibt. Bei NaCl hat also das Natriumion eine positive Ladung und das Chlorion eine negative Ladung. Es würde angenommen werden, dass jedes Ion eine harte Kugel ist, sodass die Ionen einen Abstand voneinander haben, der gleich dem Radius des Natriumions plus dem Radius des Chloridions ist.

Der andere grundlegende Archetyp der Bindung ist die kovalente Bindung. Bei dieser Art von Bindung trägt jedes Atom ein Elektron zum Molekülorbital bei, das zwei Elektronen aufnehmen kann, und die Atome teilen sich die Elektronen zu gleichen Teilen. Wasser,$H_2O$, wäre ein Beispiel für ein Molekül mit kovalenten Bindungen. Um dies noch etwas zu erweitern, haben das Wasserstoffatom und das Sauerstoffatom vor der Bindung jeweils ein Orbital mit einem Elektron. Beim Binden verbinden sich die beiden Atomorbitale, so dass eines zu einem molekularen Bindungsorbital und das andere zu einem molekularen Antibindungsorbital wird. Die beiden Elektronen gehen in das niederenergetische molekulare Bindungsorbital und das höherenergetische molekulare antibindende Orbital ist leer.

Größtenteils existiert keines der konzeptionellen Extreme wirklich, und Verbindungen bestehen im Allgemeinen zwischen den beiden Extremen.

Diese Antwort mag Ihnen vielleicht nicht gefallen, aber ich denke, zumindest ein Teil jeder Analyse dieser Frage sollte darin bestehen, Denkweisen in Frage zu stellen, die sich zu stark auf makroskopische Vorstellungen von Kraft stützen, insbesondere Aussagen wie:

"Mir ist bewusst, dass die Abnahme der Gesamtenergie oder die Erhöhung der Stabilität definitiv kein Grund ist, die Stärke der kovalenten Bindung zu erklären, sondern eher eine Folge der Wirkung solcher Kräfte."

Tatsächlich kann man, wenn man muss, effektiv eine quantenmechanische kraftorientierte Beschreibung der Teilchendynamik aus Aussagen über die Stabilität durch Energieerniedrigung durch das Ehrenafest-Theorem definieren (dazu später mehr). Daher ist eine Kraftbeschreibung solcher Probleme ziemlich sekundär und durch das Ehrenfest-Theorem garantiert, sobald man eine energetisch gründlich ausgearbeitete Beschreibung hat. Aus diesem Grund ermutige ich Sie, Beschreibungen wie Gerts Antwort als vollständige Antwort auf ein Problem wie dieses zu verstehen.

Wenn man zur Quantenmechanik kommt, sind die einzigen streng physikalisch sinnvollen Dinge Systemzustände, ihre einheitlichen zeitlichen Entwicklungen und statistischen Verteilungen von Messergebnissen, die durch die zum Zeitpunkt der Messung vorherrschenden Systemzustände definiert sind. Ein Begriff von "Kraft" ist für diese Beschreibung aus dem folgenden Grund ziemlich unnötig.

Ein Teil der Analyse der Evolution besteht darin, dies zu verstehen, wenn man von erwartet (im statistischen Sinne) oder Mittelwert sprichtVerhaltensweisen ist die Gesamtenergie eines isolierten quantenmechanischen Systems konstant und kann sich daher nicht spontan auf ein höheres Energieniveau entwickeln, es sei denn, die Energiedifferenz wird dem System durch eine Wechselwirkung mit der Außenwelt zugeführt. Je niedriger also die Energie eines Systems aus zwei miteinander gekoppelten Teilchen im Vergleich zur Summe der Energien der beiden Teilchen im getrennten Zustand ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sich die beiden Teilchen trennen - ihnen muss diese Energiedifferenz zugeführt werden . Natürlich spalten sie sich, wenn die Temperatur eines Systems von Wasserstoffmolekülen hoch genug ist: Die zweiteiligen Systeme interagieren miteinander und absorbieren routinemäßig die Energiedifferenz durch Kollisionen miteinander$H_2$S.

Zurück zum Satz von Ehrenfest, der in seiner allgemeinsten Form lautet:

Wo$\hat{H}$ist das Quantensystem Hamiltonian alias das Energy Observable und$\hat{A}$ist irgendetwas anderes beobachtbar. Dieser Satz ist im Heisenberg-Bild trivial zu verstehen. Es besagt auch, dass der Mittelwert jeder Observablen, die mit dem Hamilton-Operator pendelt, erhalten bleibt; trivialerweise bleibt also Energie erhalten. Auch, wenn Sie das eine Teilchen-in-ein-Potenzial stecken$\frac{\hat{p}^2}{2\,m} + \hat{V}$in den Satz bekommt man eine Definition der Kraft auf das Teilchen:

Somit entsteht der Begriff "Kraft" als Folge der Erhaltung des Mittelwerts von allem, was mit dem Hamilton-Operator pendelt.

Eine sanfte Einführung, die zu einer ziemlich vollständigen Ableitung dieser Ideen führt, findet sich in Abschnitt 7.4 von Band II der Feynman-Vorlesungen .