¿Por qué los enlaces covalentes?

Question

por qué en un enlace covalente son "la servidumbre de los electrones están en un estado de energía inferior que si los átomos individuales se mantuvo en la misma proximidad"?

También es correcto que " creo que cuando empiezan a publicar dos moléculas de los orbitales entre los dos de inicio de la superposición de formación de enlaces covalentes?"

Esencialmente por qué son los enlaces covalentes hecho? Un QM descripción sería bonito, pero yo no sé realmente QM de modo un tanto reducido a la explicación clásica de la QM explicación también sería agradable!

Answer 1

Los enlaces covalentes se forman cuando los electrones se adjunta a las cercanías de los núcleos puede existir en un estado de superposición, donde pueden ser, en parte, en otro núcleo. Esto sucede cuando el electrón estado se están mezclando con es sin cubrir.

Por ejemplo, para el H2, dos núcleos de hidrógeno están cerca, no hay energía electrostática para ello en la primera aproximación debido a que el electrón y el protón son esféricas las fuentes electromagnéticas. Pero cuando se acercan, y la vuelta de los dos electrones es opuesto (esto es necesario para atar), cada electrón se extenderá a cubrir el otro átomo, se superponen con los otros electrones (esto está permitido porque tienen espín opuesto, y así no se sienten de exclusión de Pauli), y esto reduce la energía cinética de los electrones.

La razón es simplemente que cuando se permite que un electrón para recorrer un espacio más grande, la energía cinética siempre va hacia abajo. Si se duplica el tamaño del espacio en una dirección, la energía cinética en que dirección va hacia abajo por un factor de 4. Si se consideran los dos átomos en dos cajas, la duplicación de la x-tamaño de la caja de mantenimiento de la y y z de los tamaños de la misma, reduce la energía cinética de X+X+X para X/4 + X +X o por un factor de 3/4, por lo que la energía de enlace de las dos cajas de extremo a extremo con la no-interacción de los electrones es de 1/4 de la energía cinética.

La energía cinética de un electrón en un H-átomo es igual a la energía de enlace (este es el teorema del Virial--- la energía cinética se cancela la mitad de la energía potencial en un 1/r potencial para hacer de la energía de enlace), por lo que obtener 1/4 de 12 eV o 3eV de la energía de enlace de este. Esta es una terrible aproximación, debido a que la elecrons se repelen entre sí, y el H-átomo no es una caja, pero se muestra que, de permitir que el electrón volumen para difundir las ganancias de una gran cantidad de energía en la escala atómica, y ahora es posible que incluso con la repulsión de los electrones se unen, y lo hacen.

Answer 2

En primer lugar, no hay ninguna explicación clásica de enlaces químicos, por lo que cualquier explicación tiene que incluir algunos de mecánica cuántica ideas.

La segunda, quizá la más simple de quantum idea aquí es que los electrones existen en los niveles de energía. Continuando con el hidrógeno ejemplo el más bajo nivel de energía de los electrones en $H_2$ tiene menos energía que el más bajo nivel de energía de los electrones en hidrógeno atómico. Dado que podemos obtener dos electrones con espines opuestos) en un sistema electrónico de nivel de energía, la combinación de dos $H$ átomos de resultados en el sistema de energía baja y la energía es por lo tanto emitidas (generalmente en forma de calor). Para romper el $H_2$ molécula además hay que agregar que la energía en la molécula.

En la molécula de helio (que no existe, pero podemos calcular que de todos modos) hay dos niveles de energía, uno menor que el del átomo de helio, y uno más alto. Sus energías promedio de la energía de la electrónica de nivel en un átomo de helio. Por lo tanto, si uno intenta poner dos átomos de helio juntos para hacer una molécula de helio no hay energía de ganancia o pérdida. Así que no hay vinculación energy holding $He_2$ juntos.

Eso es realmente todo lo que hay que hacer.

Answer 3

Considere la posibilidad de la H$_2$ molécula de la certeza. Unión de dos átomos de hidrógeno para formar un H$_2$ molécula se ve obstaculizada en la primera línea por el coulombian la repulsión entre los dos "desnudo" H$^+$ núcleos (protones). El establecimiento de una unión molecular tiene que superar esta primaria repulsión.

Los protones son pesados, en este caso al ser imaginado como localizada clásica de partículas. Los electrones son ligeros y tienen que ser imaginado mecánica cuántica como se describe por una común, más o menos localizada la distribución de carga $n(\vec{r})$, $\int{n(\vec{r})}\ d^3\vec{r}=2$ electrones.

Como primer paso, trate de frotis de la densidad de carga que representan tanto a los electrones en el medio del espacio entre los dos protones, haciendo algo así como un "puente". Esto resultará en la tendencia de los protones de acercarnos más, ambos se sienten atraídos el uno al otro, por la negativa de la densidad de carga en el medio. Sin embargo, esta puramente electrostática reducción de la H$^+$ -% H $^+$ repulsión no es suficiente para garantizar la estabilidad de la H$_2$ molécula.

La contribución decisiva a la de los bonos de estabilidad viene en el segundo paso, y es puramente mecánica cuántica en su origen.

Uno puede adivinar que, debido a la repulsión electrón-electrón, la localización de los dos electrones en el "puente" de la región viene en el costo de un aumento en el potencial cinético de energía. Decisivo es la observación de que este aumento es más que compensada por un aumento en la (negativo) cinética potencial de la energía de los electrones, que es máxima cuando los electrones están localizados en el "puente" de la región entre los protones (no hay nodos en sus funciones de onda en este caso!)

En conlusion: el factor decisivo en la formación del enlace es la más negativa de la energía potencial debida a los electrones de la localización dentro del "puente". Este es sin intuitiva resultado, sino una consecuencia de la célebre Teorema del Virial, y tiene que ser resuelto de forma explícita.

Todo el argumento mantiene invariable, incluso cuando sólo hay un electrón, es decir, en el H$_2^+$ molécula de iones. Una muy discusión detallada de estos conceptos está dada por Bader (los Átomos en las Moléculas).

Answer 4

Aquí es más formal, pero sin embargo primaria de tratamiento.

La herramienta clave a la independiente pontential y la energía cinética de las contribuciones, para un determinado promedio de la energía total $E=<T>+<V>$, es el Teorema del Virial (VT). Para un átomo (un núcleo y sus electrones de la nube) VT toma la forma simple

$$ 2<T>+<V>=0 \ .$$

Para un biatomic sistema (que representan el dos por separados átomos de H, pero también la unión covalente H$_2$ molécula) VT sería declaró en "molecular" la forma como

$$E(R)+R\ \frac{d}{dR}E(R)=-< T > \ (1).$$

Debe subrayarse que esta VT tiene exactamente para cualquier separación de $R$ de los núcleos, a la superposición de áreas, así como la no superposición de nubes de electrones. Aquí $E(R)$ es la exacta y total de la energía, $<T>$ $<V>$ es el promedio de los valores de la cinética y la energía potencial de los electrones, promediada con la posición exacta de la función de onda. Naturalmente, $<T>$ $<V>$ también $R$-dependiente. Contrariamente a lo que uno puede pensar a primera vista, el $dE/dR$ plazo es una parte integral de la VT, incluso si los núcleos se mantienen firmemente fijada.

Por la diferenciación de (1) se deduce

$$2\frac{dE}{dR}+R\ \frac{d^2E}{dR^2}=-\frac{d}{dR}< T >\ (2) .$$

Empujar a los dos átomos de hidrógeno uno hacia el otro, desde el infinito, si un vínculo estable es ser formado en una cierta separación de $R_0$, debemos tener un mínimo estable $$d^2E/dR^2>0 \ (3)$$ y un poco la fuerza de atracción $$dE/dR\ge 0 \ (4)$$ empezando por debajo de una cierta separación de $R\ge R_0$. Las condiciones de $(3,4)$ implica $$\frac{d< T >}{dR}<0 \ (5)$$ mientras la condición $(4)$ solo se satisface sólo si $$ 2<T>+<V> \ \le 0 \ \ (6)$$ a continuación algunos de los $R\ge R_0$.

Observación 1: Si un lazo de longitud $R_0$ forma, la energía cinética de los electrones, tiene necesariamente a $increase$ mientras $R$ es hacia la disminución de la $R_0$.

Observación 2: a Pesar de que la energía cinética aumenta con la disminución de $R$, Eq.6 garantiza que la energía potencial (negativo) será al menos el doble de la energía cinética (sólo para $R\ge R_0$).

Nota: Esta argumentación es de cristal-se presentan claramente en Cohen-Tannoudji de la Mecánica Cuántica, Vol.2, p.1191-1199. Se discute también un par de puntos sutiles relacionadas con los mecanismos físicos que producen diferentes desigualdades en grandes separaciones.