¿Cómo funciona realmente el enlace covalente?

Question

¿Cómo es que enlace covalente ¿Realmente funciona? Considere la molécula $O_2$ que tiene un doble enlace covalente entre las moléculas de oxígeno. Los textos de química dicen que se produce un doble enlace covalente porque esto da a cada oxígeno ocho electrones de valencia, que es la configuración más estable.

Entiendo que la regla del octeto funciona para un solo átomo, porque (por ejemplo) el $3s$ es mucho mayor en energía que el estado $2p$ estado. Sin embargo, no estoy seguro de cómo se aplica esto a una molécula de dos átomos. Hay dos maneras de explicarlo:

Si somos ingenuos y decimos que los estados cuánticos de los electrones de $O_2$ son sólo los estados de las dos moléculas de oxígeno originales, entonces es imposible llenar todo el $1s$ , $2s$ y $2p$ estados porque simplemente no hay suficientes electrones. En la clase de química, lo solucionamos con el "doble recuento" de los electrones de los enlaces covalentes: de alguna manera, pueden contar como electrones de valencia en dos átomos a la vez. Pero, ¿cómo puede un solo electrón estar en dos estados cuánticos a la vez?

De forma menos ingenua, podríamos decir que el $O_2$ Los orbitales se forman combinando los orbitales atómicos individuales de los átomos de oxígeno. Sin embargo, en este caso, la regla del octeto no tiene sentido para mí, porque los orbitales de la molécula parecen completamente diferentes. En esta imagen, ¿cómo sobrevive la imagen de la regla del octeto de una "cáscara completamente llena"?

Answer 1

En la química física, este problema se suele tratar en la teoría MO-LCAO.

Lo que se hace es suponer que se pueden crear los orbitales moleculares de la molécula como una combinación lineal los orbitales atómicos de los átomos de la molécula (MO-LCAO significa Orbitales moleculares - Combinación lineal de orbitales atómicos ). Por lo tanto, sus orbitales atómicos son un conjunto de bases matemáticas sobre las que se proyectan (utilizando algunos coeficientes) sus orbitales moleculares. El problema se simplifica aún más si consideras que los orbitales atómicos que se combinarán entre sí deben tener el mismo carácter para las operaciones de simetría posibles para esa molécula (significa que cada orbital atómico que se combine debe pertenecer al mismo grupo puntual, para que sus combinaciones lineales pertenezcan a ese grupo). Por lo tanto, se puede crear el SALC ( Combinaciones lineales adaptadas a la simetría ), combinaciones lineales de orbitales atómicos del mismo grupo puntual, y utilizarlos como un conjunto de bases matemáticas más potente para los orbitales moleculares.

Dicho así, se pueden calcular los coeficientes de la combinación lineal y la energía de cada orbital molecular. Lo que obtienes es un cierto número de niveles (el mismo número de los orbitales atómicos considerados en tu conjunto de bases) ordenados por su energía. Ahora puedes distinguir entre tres tipos de orbitales moleculares:

• adhesión Los orbitales atómicos interfieren constructivamente en la región entre los dos átomos;

• antibonding Los orbitales atómicos interfieren destructivamente en la región entre los dos átomos;

• no vinculación El orbital molecular es casi idéntico a un orbital atómico (el coeficiente de un determinado orbital atómico es mucho mayor que los demás).

Puedes distinguir (a un nivel muy básico) entre ellos representando los orbitales atómicos implicados y su signo en la región entre los átomos: si tienen el mismo signo, son de enlace, si no, son de antienlace. (Tenga en cuenta que al hacer esto me olvido de la magnitud del coeficiente, que debería ser relevante en la mayoría de los casos).

Ahora tienes una especie de "escalera" de orbitales moleculares y sabes si cada paso es de enlace o no. Ahora puedes poner los electrones (el mismo número que la suma de los electrones que había en los orbitales atómicos que utilizaste en tu conjunto de bases) como hiciste para los átomos aislados: de abajo a arriba, dos electrones en cada nivel, espín antiparalelo, y así sucesivamente (las mismas reglas también si tienes más niveles a la misma energía).

Ahora se puede volver a un marco químico clásico utilizando el llamado orden de fianza : $$ BO =1/2( n-n^*)$$ donde $n$ es el número de electrones en los orbitales de enlace y $n^*$ es el número de electrones en orbitales antienlazantes (los orbitales no enlazantes no cuentan). El orden de enlace indica (si es un número entero) cuántos enlaces representamos en una imagen clásica, volviendo así al concepto de la regla del octeto.

De hecho, consideremos la capa de valencia del oxígeno. Está formada por los orbitales atómicos $2s$ , $2p_x$ , $2p_y$ , $2p_z$ y contiene seis electrones. Combinando estos (e ignorando la interacción entre $2s$ y $2p_z$ que podría ser posible y que sólo modifica la energía de estos orbitales moleculares) se obtiene $4\times 2$ orbitales moleculares (el vértice * significa que son antibonding).

Los electrones del oxígeno son negros (los rojos se añaden al considerar el F $_2$ molécula).

Los orbitales moleculares de enlace de una cáscara de este tipo son cuatro, por lo tanto el total de los electrones de enlace son ocho. Aquí viene la regla del octeto, pero este tipo de razonamiento está tratando de encajar una forma empírica y errónea de razonamiento en un marco más poderoso y cuántico.

Tenga en cuenta que mi respuesta es desde un punto de vista realmente introductorio y básico; las cosas, a partir de esto, pueden complicarse mucho más.

Answer 2

La regla del octeto es antigua y no es exacta (no tiene nada que ver con la mecánica cuántica y sólo está respaldada por pruebas "empíricas")

La regla del octeto se propuso mucho antes de que se establecieran los fundamentos de la mecánica cuántica.

Este es un extracto de Wikipedia:

La regla del octeto es una regla química que refleja la observación de que los átomos de los elementos del grupo principal tienden a combinarse de tal manera que cada átomo tiene ocho electrones en su capa de valencia, lo que le da la misma configuración electrónica que un gas noble. La regla es especialmente especialmente aplicable al carbono, el nitrógeno, el oxígeno y los halógenos, pero también a metales como el sodio o el magnesio.

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

Los puntos importantes a tener en cuenta aquí son:

• "una regla química que refleja la observación ": establecido sólo a partir de observaciones
• La norma es especialmente aplicable a carbono, nitrógeno, oxígeno y los halógenos, pero también a metales como el sodio o el magnesio : funciona sólo para la mayoría de los compuestos formados por los elementos de los primeros períodos de la tabla periódica.

No sólo hay varias excepciones a la regla cuando se consideran los átomos por encima del número atómico 20, sino que también hay excepciones a la regla cuando se consideran algunos de los elementos de los períodos inferiores (no es una sorpresa):

• hay átomos estables que tienen la cáscara de valencia incompleta pero siguen siendo estables ( $BCl_3$ (aquí interviene un fenómeno llamado back bonding que asegura el octeto momentáneo para el átomo de Boro)
• hay átomos estables con número impar de electrones (óxido nítrico, $NO$ ; dióxido de nitrógeno, $NO_2$ ; dióxido de cloro, $ClO_2$ )
• hay átomos estables con más de 8 electrones de valencia ( $SF_6$ tiene 12 electrones alrededor del átomo central, es decir, el azufre)

Para resumirlo todo, la regla del octeto es no correcto.

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¿Cómo funciona la regla del octeto?

En la clase de química, lo evitamos "contando dos veces" los electrones de los enlaces covalentes. covalentemente enlazados - de alguna manera, pueden contar como electrones de valencia en dos átomos a la vez. Pero, ¿cómo puede un solo electrón estar en dos estados dos estados cuánticos a la vez?

La regla del octeto establece que los átomos tienden a formar moléculas tales que tienen 8 electrones en su capa de valencia. No importa si el electrón es un par solitario (o un electrón radical) o si es un electrón enlazado; sea cual sea el tipo de electrón, sigue formando parte del átomo.

No se cuenta doble, se cuentan todos los electrones compartidos porque son parte del átomo. Como el nombre lo dice, los electrones están siendo compartidos; por lo tanto, los electrones compartidos se incluyen al contar.

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¿Por qué seguimos utilizando la regla del octeto hoy en día?

Hoy en día seguimos utilizando la regla del octeto, ya que es más fácil de entender y describe el comportamiento de la mayoría de los compuestos comunes (los compuestos formados por los primeros elementos). No querría la Teoría de los Orbitales Moleculares en un $10^{th}$ libro de texto de grado, ¿lo harías?

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Teoría de los orbitales moleculares

Esta es la última teoría que explica la formación de enlaces. JackI ha dado una explicación concisa y ordenada de la teoría de los orbitales moleculares.