Lo que da un enlace covalente su fuerza?

Question

Me encontré con el siguiente pasaje de la Estructura y Propiedades capítulo de Morrison-Boyd Química Orgánica:

Lo que le da el enlace covalente su fuerza? Es el aumento de la atracción electrostática. En los átomos aislados, cada electrón es atraído y atrae a-uno positivo núcleo;en la molécula, cada electrón es atraído por dos núcleos positivos.

Sin embargo, creo que no se refiere a la fuerza la celebración de cada átomo juntos. Más bien, simplemente describe el aumento en la fuerza electrostática de atracción entre los electrones y los núcleos. Yo creo que la fuerza de enlace es una medida de la dificultad en separar los componentes de los átomos, no de los electrones de los núcleos positivos.

¿Qué es exactamente el patrón o la imagen de las fuerzas sobre los núcleos y los electrones, debido a la una de la otra, que contiene el componente de los átomos juntos? (Soy consciente de que la reducción en el total de la energía o aumento de la estabilidad no es definitivamente una razón para dar cuenta de la fuerza del enlace covalente, sino más bien una consecuencia de la acción de dichas fuerzas.)

Answer 1

Probablemente ayuda a definir lo que es un enlace covalente que realmente es. Los enlaces covalentes se producen cuando uno o más Orbitales Atómicos (OA) de los átomos que participan de manera constructiva interactuar y formar un (bonding) Orbitales Moleculares (OM). La siguiente figura schematises la formación de una $\sigma_{ss}$ MO cuando dos átomos de hidrógeno se combinan para formar una molécula de dihidrógeno:

El $+$ signos indican las funciones de onda de la $1s$ orbitales de ambos átomos tienen el mismo signo (fase) (dos átomos con la oposición de fases forman un anti-vinculación de MO, no se muestra aquí). El resultado $\sigma_{ss}$ MO es de aproximadamente una combinación lineal de las funciones de onda individuales. De nuevo, de forma esquemática:

$$\psi_{1s,1}+\psi_{1s,2}\to \psi_{\sigma}$$

La MO, de acuerdo con Pauli, siempre 'contiene' $2$ los electrones de espín opuesto. Así que la MO puede decirse que el 'completo'.

A la derecha también está esquematizable los electrones de densidad de probabilidad $\psi^2$ y nota que esta densidad es muy importante en el eje nuclear, entre ambos núcleos. Esto hace que el comercio intra-nuclear de Coulomb la fuerza de repulsión para reducir en gran medida y la disposición molecular de ser estable, es decir, que separándola sería el costo de la energía. Esta energía se refiere a menudo como la fuerza de la unión (en $\mathrm{kJ/mole}$).

$\sigma$ MOs también pueden surgir entre los distintos tipos de AOs, como $\sigma_{sp}$ $\sigma_{pp}$ MOs. Y entre el $p$ $p$ AOs, llamado $\pi$ MOs pueden formar. Estos son necesarios para formar el más fuerte dobles enlaces y la aún más triples enlaces.

Answer 2

Supongamos que hablamos de dos átomos de hidrógeno, decir $H^1$$H^2$, y un (di)de la molécula de hidrógeno, $H_2$, que se compone de los dos átomos de hidrógeno, que es, $H^1H^2$. Una nota de lado, la palabra "fuerza" no está explícitamente mencionado en el párrafo que he citado. Ahora el párrafo primero dice:

En los átomos aislados, cada electrón es atraído y atrae a - uno positivo núcleo

Con nuestra notación esto se lee como: hay una atracción electrostática entre el núcleo y el electrón de $H^1$, vamos a llamar a esta $E^1$ y hay una atracción electrostática entre el núcleo y el electrón de $H^2$, vamos a llamar a esta $E^2$. Por cierto, para un átomo de hidrógeno, esta energía es casi exactamente 13.6 eV (para hacer químicos feliz se puede decir -13.6 eV).

El párrafo que sigue:

en la molécula, cada electrón es atraído por dos núcleos positivos.

Con nuestra notación esto se lee como: cuando la molécula está formada la electrónica de $H^1$ se siente atraído por dos núcleos, vamos a llamar a esta energía $E^{12}$ y el electrón de $H^2$ se siente atraído por dos núcleos, vamos a llamar a esta energía $E^{21}$.

Así que, finalmente, lo que a su citó el párrafo reclamos es que $$\textrm {Energy of covalent bond}=E^{12}+E^{21}-E^{1}-E^{2}$$

Una nota final: usted dice

Soy consciente de que la reducción en el total de la energía o aumento de la estabilidad no es definitivamente una razón para dar cuenta de la fuerza del enlace covalente, sino más bien una consecuencia de la acción de esas fuerzas.

Esta frase no es correcta. La energía de los dos átomos de hidrógeno es $2\times13.6=27.2$ $eV$ y la energía de un (di)de la molécula de hidrógeno es aproximadamente $31.2$ $eV$ y a diferencia de lo que da la energía de la unión covalente entre dos átomos de hidrógeno, que es, aproximadamente $4$ $eV$.

Answer 3

Para un químico Gert la respuesta es muy buena. No estoy seguro de cuánto química sabes que lo voy simplemente un poco.

La mayoría de la noción básica es que hay dos arquetipos de bonos, iónicos y covalentes.

Para un enlace iónico cada átomo cualquiera gana o pierde electrones para ser cargado. Se supone que no hay que "compartir" de los electrones. Así que para NaCl los iones de sodio tiene una carga positiva y la carga de iones de cloro tiene una carga negativa. Sería suponer que cada ion es una esfera duro, por lo que los iones sería una distancia igual al radio de los iones de sodio, más el radio del ion cloruro.

El otro arquetipo de enlace es el enlace covalente. Para este tipo de vínculo que cada átomo aporta un electrón del orbital molecular, que puede contener dos electrones y los átomos comparten los electrones por igual. De agua, $H_2O$, sería un ejemplo de una molécula con enlaces covalentes. Para ampliar esto un poco más, el átomo de hidrógeno y el átomo de oxígeno cada uno tiene un orbital con un electrón antes de la vinculación. Cuando la unión de los dos orbitales atómicos se combinan de modo que uno se convierte en un moleculares de la vinculación orbital, y el otro se convierte en un moleculares anti-vinculación de orbital. Los dos electrones van en la parte inferior de energía molecular de la vinculación orbital y el más alto de la energía molecular anti-vinculación orbital vacío.

Para la mayor parte ni conceptual extrema que existe realmente y bonos son por lo general entre los dos extremos.

Answer 4

Puede que no te guste esta respuesta, pero creo que al menos parte de cualquier análisis de esta cuestión debería ser el reto de pensar que se basa demasiado en macroscópicas de las nociones de fuerza, particularmente las declaraciones como:

"Soy consciente de que la reducción en el total de la energía o aumento de la estabilidad no es definitivamente una razón para dar cuenta de la fuerza del enlace covalente, sino más bien una consecuencia de la acción de esas fuerzas"

De hecho, si uno debe, se puede definir un mecánico-cuántica de la fuerza orientado a la descripción de la dinámica de la partícula a partir de las declaraciones acerca de la estabilidad de la reducción de la energía a través de la Ehrenafest Teorema (más sobre esto más adelante). Por lo tanto, una fuerza de descripción de problemas como este es bastante secundario y garantizada por el teorema de Ehrenfest una vez que uno tiene una descripción completamente trabajadas en términos de energía. Esta es la razón por la que me animo a tomar las descripciones tales como Gert la Respuesta que ser la respuesta a un problema como este.

Cuando uno llega a la mecánica cuántica, la única rigurosamente cosas significativas desde un punto de vista de la física son los estados del sistema, sus unitario tiempo de evolución y distribuciones estadísticas de medición de resultados definidos por el sistema de estados que prevalecen en el momento de la medición. La noción de "Fuerza" es totalmente innecesario para esta descripción, por la siguiente razón.

Parte del análisis de la evolución es entender que, cuando se habla de espera (en el sentido estadístico) o la media de los comportamientos, aislados de la mecánica cuántica del sistema de energía total es constante y por lo tanto no puede evolucionar espontáneamente a un nivel de energía más alto a menos que la diferencia de energía es suministrada a la red a través de una interacción con el mundo exterior. Por lo tanto, menor es la energía de un sistema de dos mutuamente junto partículas en comparación con la suma de las energías de las dos partículas separadas, más improbable será para las dos partículas se dividan, deben ser suministrados de que la diferencia de energía. Por supuesto, se separan cuando la temperatura de un sistema de moléculas de hidrógeno es bastante alta: el bipartito sistemas están interactuando el uno con el otro y de manera rutinaria absorber la diferencia de energía a través de colisiones con otros $H_2$s.

De vuelta a el Teorema de Ehrenfest, que, en su mayoría de forma general, se lee:

$$\frac{d}{dt}\langle \hat{A}(t)\rangle = \left\langle\frac{\partial \hat{A}(t)}{\partial t}\right\rangle + \frac{1}{i \hbar}\left\langle[\hat{A}(t),\hat{H}]\right\rangle$$

donde $\hat{H}$ es el sistema cuántico de Hamilton aka la Energía Observable y $\hat{A}$ es cualquier otro observable. Este teorema es trivial para captar en la imagen de Heisenberg. También dice que la media de cualquier observables que conmutan con el Hamiltoniano se conserva, trivialmente, la energía es, por lo tanto conserva. También, si se conecta la una partícula en un potencial $\frac{\hat{p}^2}{2\,m} + \hat{V}$ en el teorema de obtener una definición de la fuerza sobre la partícula:

$$\mathrm{d}_t \langle\hat{p}\rangle = -\nabla \langle\hat{V}\rangle\stackrel{def}{=} F$$

Así, la noción de "fuerza" surge como una consecuencia de la conservación de la media de cualquier cosa que conmuta con el Hamiltoniano.

Una suave introducción - que conduce a una relación bastante completa de la derivación de estas ideas, se encuentra en la sección 7.4 del volumen II de la Feynman lectures.