¿Cómo funciona realmente el enlace covalente?

¿Cómo funciona realmente el enlace covalente ? 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 enlace covalente doble porque le 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 3 s El estado es mucho más alto en energía que el 2 pag estado. Sin embargo, no estoy seguro de cómo se aplica esto a una molécula de dos átomos. Hay dos formas de explicarlo:

Si somos ingenuos y decimos que los estados cuánticos de electrones de O 2 son solo los estados de las dos moléculas de oxígeno originales, entonces es imposible llenar todo el 1 s , 2 s , y 2 pag estados porque simplemente no hay suficientes electrones. En la clase de química, solucionamos esto mediante el "doble conteo" de electrones unidos covalentemente; de ​​alguna manera, pueden contarse como electrones de valencia en dos átomos a la vez. Pero, ¿cómo puede un solo electrón estar en dos estados cuánticos a la vez?

Menos ingenuamente, 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 las moléculas se ven completamente diferentes. En esta imagen, ¿cómo sobrevive la imagen de la regla del octeto de una "cáscara completamente llena"?

Respuestas (2)

En química física, este problema generalmente se trata en la teoría MO-LCAO.

Lo que haces es asumir que puedes crear los orbitales moleculares de la molécula como una combinación lineal de los orbitales atómicos de los átomos en la molécula (MO-LCAO significa Molecular Orbitals - Linear Combination of Atomic Orbitals ). Por lo tanto, tus orbitales atómicos son un conjunto de bases matemáticas sobre las cuales proyectas (usando algunos coeficientes) tus orbitales moleculares. El problema se simplifica aún más si considera que los orbitales atómicos que se combinarán entre sí deben tener el mismo carácter para las operaciones de simetría posibles para esa molécula (es decir, cada combinación de orbitales atómicos debe pertenecer al mismo grupo de puntos, para que su linealidad combinaciones para pertenecer a ese grupo). Por lo tanto, 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 esto, puedes calcular los coeficientes de la combinación lineal y la energía de cada orbital molecular. Lo que obtienes es una cierta cantidad de niveles (la misma cantidad de orbitales atómicos considerados en tu conjunto básico) ordenados por su energía. Ahora puede distinguir entre tres tipos de orbitales moleculares:

  • enlace , los orbitales atómicos interfieren constructivamente en la región entre los dos átomos;

  • antienlace , los orbitales atómicos interfieren destructivamente en la región entre los dos átomos;

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

Puede distinguir (en un nivel muy básico) entre ellos representando los orbitales atómicos involucrados y su signo en la región entre los átomos: si tienen el mismo signo, son enlazantes, de lo contrario, son antienlazantes. (Tenga en cuenta que al hacer esto me olvido de la magnitud del coeficiente, que debería ser relevante en la mayoría de los casos).

Orbitales de enlace para una molécula biatómica usando como base el conjunto $n=2$.

Orbitales antienlazantes para la misma molécula.

Ahora tienes una especie de "escalera" de orbitales moleculares y sabes si cada paso se enlaza o no. Ahora puede poner los electrones (el mismo número que la suma de los electrones que estaban en los orbitales atómicos que usó en su conjunto básico) como lo hizo para los átomos aislados: de abajo hacia arriba, dos electrones en cada nivel, espín antiparalelo y así sucesivamente (las mismas reglas también si tienes más niveles a la misma energía).

Ahora puede volver a un marco de química clásica utilizando el llamado orden de enlace :

B O = 1 / 2 ( norte − norte ∗ )
dónde norte es el número de electrones en los orbitales de enlace y norte ∗ es el número de electrones en los orbitales antienlazantes (los orbitales no enlazantes simplemente no cuentan). El orden de enlace dice (si es un número entero) cuántos enlaces representamos en una imagen clásica, volviendo así al concepto de regla del octeto.

De hecho, considere la capa de valencia del oxígeno. Está formado por los orbitales atómicos. 2 s , 2 pag X , 2 pag y , 2 pag z y contiene seis electrones. Combinando estos (e ignorando la interacción entre 2 s y 2 pag z , eso podría ser posible y eso solo modifica la energía de estos orbitales moleculares) obtienes 4 × 2 orbitales moleculares (el vértice * significa que son antienlazantes).

Orbitales moleculares de la capa de valencia del oxígeno.

Los electrones para el oxígeno son negros (los rojos se agregan al considerar la F 2 molécula).

Los orbitales moleculares enlazantes de una capa de este tipo son cuatro, por lo que el total de electrones enlazantes es ocho. Aquí viene la regla del octeto, pero este tipo de razonamiento está tratando de encajar una forma de razonamiento empírica e incorrecta en un marco cuántico más poderoso.

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

¡Gracias por la respuesta! Lo que dijiste tiene sentido, pero sigo sin entender cómo esto conduce a la regla del octeto. Una vez que calculamos el orden de enlace, ¿por qué los átomos terminan con octetos?
@knzhou He editado para tratar de responder con un ejemplo más específico (y corregido un error en la definición de orden de bonos).
@knzhou La regla octect es incorrecta. Hay muchas excepciones. La regla del octeto se propuso mucho antes de que se establecieran las bases de la mecánica cuántica.
Esto tiene mucho sentido. ¿Tiene experiencia directa en la simulación de orbitales en moléculas? La razón por la que pregunto es que, cuando se simulan guías de ondas ópticas acopladas, a menudo se hace una aproximación de que los campos propios de la estructura acoplada son combinaciones lineales de los campos propios de la guía de ondas desacoplada, el análogo directo de MO-LCAO. De hecho, los problemas de función propia de la guía de ondas son exactamente análogos a los correspondientes problemas de Sturm-Liouville que se derivan de las ecuaciones de Schrödinger no relativistas. Esto es hermoso para la concepción, pero es una aproximación pésima tan pronto como el acoplamiento...
... es del todo fuerte. Las guías de ondas tienen que estar acopladas sorprendentemente débilmente para que sean precisas. ¿Tiene alguna apreciación de la precisión de MO-LCAO para, digamos, algo como el O 2 ¿molécula?
@WetSavannaAnimalakaRodVance En realidad, soy un estudiante de licenciatura en Ingeniería Física (y estoy pensando en una maestría en Óptica), por lo que esto proviene de mi curso de Química Física. No he calculado directamente estos orbitales, pero nuestro ejercicio estándar es comenzar con valores propios (energía de los OM) y coeficientes y construir e interpretar las funciones propias (que no son las funciones de onda reales debido a algunas aproximaciones, como Born - Oppenheimer ). En ese curso nos han mostrado unos orbitales moleculares calculados y unas imágenes tomadas por (si no recuerdo mal) STM...
... que eran asombrosamente similares. ¡Los buscaré y tal vez los agregaré a la respuesta!

La regla del octeto es antigua y no es precisa (no tiene nada que ver con la mecánica cuántica y solo está respaldada por evidencia 'empírica')

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

Aquí hay un extracto de Wikipedia:

La regla del octeto es una regla química general 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 aplicable al carbono, nitrógeno, 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 general química que refleja la observación ": establecida en base únicamente a las observaciones
  • La regla es especialmente aplicable al carbono, el nitrógeno, el oxígeno y los halógenos, pero también a metales como el sodio o el magnesio : funciona únicamente para la mayoría de los compuestos formados por los elementos de los primeros períodos de la tabla periódica.

No solo hay varias excepciones a la regla cuando se consideran 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 una capa de valencia incompleta pero aún son estables ( B C yo 3 , un fenómeno llamado back bonding juega un papel aquí que asegura un octeto momentáneo para el átomo de Boro)
  • hay átomos estables con número impar de electrones (óxido nítrico, norte O ; dioxido de nitrogeno, norte O 2 ; Dioxido de cloro, C yo O 2 )
  • hay átomos estables con más de 8 electrones de valencia ( S F 6 tiene 12 electrones que rodean el átomo central, es decir: azufre)

En pocas palabras, la regla del octeto no es correcta.

¿Cómo funciona la regla del octeto?

En la clase de química, solucionamos esto mediante el "doble conteo" de electrones unidos covalentemente; de ​​alguna manera, pueden contarse como electrones de valencia en dos átomos a la vez. Pero, ¿cómo puede un solo electrón estar en 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; cualquiera que sea el tipo de electrón, sigue siendo parte del átomo.

No cuentas dos veces, cuentas todos los electrones compartidos porque son parte del átomo. Como su nombre lo dice, los electrones se comparten; por lo tanto, los electrones compartidos se incluyen al contar.

¿Por qué todavía usamos la regla del octeto hoy?

Todavía usamos la regla del octeto hoy en día, 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 querrías la teoría de orbitales moleculares en un 10 t h libro de texto de grado, ¿quieres?

Teoría de orbitales moleculares

Esta es la última teoría que explica la formación de enlaces. JackI ha dado una explicación clara y concisa de la Teoría de Orbitales Moleculares.

Tengo un archivo que llamo "colección de moléculas": la mayoría de las moléculas se seleccionan por ser extrañas (por ejemplo, sin seguir la regla del octeto), grandes o simplemente estéticamente agradables. Lo comencé en parte porque me encantó el hecho de que muchas geometrías moleculares extrañas podrían formarse a partir de la regla del octeto, en algunos casos incluso sin el carbono involucrado, como se puede ver en en.wikipedia.org/wiki/Decaborane . Y estaba buscando esta pregunta porque sospechaba que la regla del octeto podría haber sido simplemente una regla que no funciona tan bien, pero que evita la teoría de los orbitales moleculares. Bueno saber.
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