Kovalente Bindung

Kovalente Bindung

Hintergrund und eigentliche Erklärung

Kovalente Bindungen sind durch den Austausch von einer oder mehreren Elektronen gebildet . In der klassischen kovalente Bindung , um jedes Atom spendet die Hälfte der Elektronen geteilt werden . Nach dem tatsächlichen Theorien ist diese Aufteilung der Elektronen als Folge der Elektronegativität ( Elektronen anziehende Fähigkeit ) der gebundenen Atomen . Solange die Elektronegativität Unterschied nicht größer als 1,7 ist, die Atome können nur den Valenzelektronen .
Being in Unmöglichkeit koordinative komplex und auch die Struktur einer Menge von gemeinsamen Verbindungen zu erklären, sind neue Varianten kovalente Bindung Theorie vorgeschlagen . In der Valence Bond ( VB )-Theorie - einer der must Vertreter in quantum mechanic - ein Atom verändert seine Atomorbital vor der Bindungsbildung . Die Gleichung, die als mathematisches Modell für Elektronen Bewegung in Atomen dient als Schrödingergleichung bekannt :
 
wobei: m die Masse des Elektrons , E die Gesamtenergie ist, V die potentielle Energie , und h die Plancksche Konstante ist . Die Lösung der Schrödingergleichung , der die Elektronendichteverteilung gibt heißen Orbital.
Die einfachsten Arten von s-und p -Orbital sind in Abb. dargestellt. 1 .
 
Abbildung 1 . s-und p -Orbital Formen

Die s-Orbital eine sphärische Symmetrie und p-Orbital eine bilobar Form mit einem Knoten in der Mitte.
Im einfachsten Fall ist eine kovalente Bindung durch Überlagerung von zwei Atomorbital wie in Fig. gebildet werden. 2
 
Abbildung 2 . Hypothetische kovalente zwischen s-und p -Orbital gebunden

Anstelle der Verwendung der Atomorbital direkt Mischungen davon (Hybrid ) ausgebildet sind. Dieser Mischprozess Hybridisierung bezeichnet und als Ergebnis erhalten Hybridorbital räumlich gerichtet .
Wir beschreiben eine einfache Hybridisierung für s-und p -Orbital . In diesem Fall können wir haben drei grundlegende Arten von Hybridisierung : sp3 , sp2 und sp. Diese Begriffe speziell auf die Hybridisierung des Atoms und die Anzahl der p-Orbital verwendet, um Hybriden bilden .
In sp3 Hybridisierung alle drei p-Orbital mit dem s-Orbital gemischt, um vier neue Hybriden ( alles wird Form σ Typ Anleihen oder halten freie Elektronenpaare ) zu erzeugen.
 
Abbildung 3 sp3 -Hybridisierung

Wenn zwei p-Orbital bei der Herstellung Hybriden mit dem s-Orbital verwendet werden, erhalten wir drei neue Hybrid- Orbital die Form σ wird Typ -Bindungen ( oder halten freie Elektronenpaare ) , und die " ungenutzte " p in π Art Bindung teilnehmen. Wir nennen solche Anordnung sp2 Hybridisierung.
Wenn nur ein p-Orbital mit dem s-Orbital gemischt wird , in sp-Hybridisierung , produzieren wir zwei Hybriden, die in σ Typ Bindung ( oder halten Sie eine freie Elektronenpaar ) teilnehmen. In diesem Fall können die verbleibenden zwei p-Orbital ein Teil von zwei senkrecht π -Systeme sein .

Ein Atom wird seine Hybridisierung in einer solchen Weise, dass die stärkste mögliche Bindungen zu bilden und halten alle seine Bindung und lone-pair -Elektronen in als Niedrig-Energie- Hybriden wie möglich einzustellen, und so weit voneinander entfernt wie möglich ( auf Elektron-Elektron minimieren Abstoßungen ) .
Im einfachsten Beispiel Wasserstoff-Molekül Bildung :

Wasserstoffatome müssen zwei Elektronen in ihrer äußeren Ebene auf das Edelgas Helium Struktur zu erreichen. Die kovalente Bindung , gebildet durch die sich ein Elektron von jedem Wasserstoffatom, hält die zwei Atome gemeinsam , weil das Paar von Elektronen auf beiden Kernen angezogen wird .
Um die Form eines quantenmechanischen Moleküle erklären schlagen eine neue Theorie genannt , Elektronenpaar Abstoßung theory ". Danach wird die Form eines Moleküls oder Ionen durch die Anordnung der Elektronenpaare am letzten Schale am Zentralatom regiert, ist diese Anordnung in einer Weise erfolgen , die minimale Menge von Abstoßung zwischen ihnen herzustellen.
Im Falle von zwei Paaren von Elektronen (wie BeCl2 ) um Zentralatom das Molekül linear, da ein Winkel von 180 ° zu gewährleisten eine minimale Wechselwirkung der Elektronen -Paaren.

Bei drei Elektronenpaare am Zentralatom ( BF3 oder BCl3 ) die Moleküle nehmen eine trigonal planaren Form mit einer Anleihe von 120 º:

Bei vier Elektronenpaare am Zentralatom (CH4) haben wir eine tetraedrische Anordnung . Ein Tetraeder ist eine regelmäßige dreieckig -basierte Pyramide. Das Kohlenstoffatom würde in der Mitte und Wasserstoff an den vier Ecken sein . Alle Bindungswinkel 109.5 ° .
 
Für fünf Paare um Zentralatom ( PF5 ) ist die Form eine trigonale Bipyramide . Drei der Fluor in einer Ebene um 120 ° zueinander , die beiden anderen sind im rechten Winkel zu dieser Ebene. Die trigonale Bipyramide hat daher zwei unterschiedliche Bindungswinkel - 120 ° und 90 °.
 

 Bei sechs Elektronenpaare am Zentralatom (SF6) der Struktur ist ein Oktaeder .

Molekülorbital ( MO )-Theorie ist eine alternative Art der Beschreibung Molekülstruktur und Elektronendichte . Die grundsätzliche Voraussetzung der MO-Theorie ist, dass die Orbitale verwendet werden, um das Molekül zu beschreiben , nicht notwendigerweise mit besonderen Bindungen zwischen den Atomen verbunden, sondern kann alle Atome des Moleküls umfassen . Molekülorbitale bestehen aus Kombinationen von Atomorbitalen . In einfachen Molekülorbital ( MO) Theoretisch sollte die Anzahl der Orbitale zu kombinieren, um die gleiche Anzahl von Orbitale bilden . Zum Beispiel, " n" Atomorbitale kombinieren zu bilden "n" Molekülorbitale .

Die Eigenschaften des Moleküls durch die Summe der Beiträge aller Orbitalen Elektronen beschrieben .
In lokalisierten Bindungen die Anzahl der Orbitale , die sich überschneiden zwei ( je einem Elektron) , so dass zwei Orbitale erzeugt werden. Einer von ihnen, als ein Orbital , hat eine niedrigere als die ursprüngliche Energie Atomorbital , und die andere , genannt ein Orbital , hat eine höhere Energiedichte . Wie Orbital niedriger Energie zuerst zu füllen, im Falle einer Elektronen- Sharing zwischen den Atomen , beide Elektronen in das neue molekulare Orbital gehen , da jede Orbital zwei Elektronen aufnehmen kann. In diesem Fall ist die Orbital bleibt leer in den Grundzustand .
Betrachten wir die einfachste Molekül - H2 . Jedes H -Atom ein Elektron in einem 1s-Orbital . Wenn sie zusammen kommen , überlagern sich diese beiden 1s -Orbitale wie in fig. 4 und bilden das gebundene Orbital.
In der gleichen Zeit eine höhere Elektronendichte zwischen den Atomen gezählt wird.
Die anderen Anti- Orbital ist leer und hat eine Form , die Elektronen verbringen mehr Zeit weg von der Region zwischen den beiden Atomen führen würde. Aus diesem Grund ist dieses Orbital als ein .
 
Abbildung 4 . Bindenden und antibindenden Orbital für Wasserstoff-Molekül

Vorgeschlagene Modell der kovalente Bindung

Im vorgeschlagenen Theorie gebunden bedeutet eine kovalente nur eine Kopplung der magnetischen Momente der einzelnen Atome , um eine größere Stabilität zu erhalten. Die Elektronen bleiben und Umlaufbahn um ordnungsgemäße Kern und folglich gibt es keinen Austausch von Elektronen zwischen den Atomen . Wenn eine kovalente gebunden gebrochen wird die Kopplung zwischen diesen magnetischen Momente verloren und natürlich jedes Atom mit seinen Elektronen bleibt . Die Situation ist ganz anders als in der Quanten- Theorien , denn wenn eine kovalente Bindung gebrochen ist die Elektronen probabilistisch sind zurück auf Atome verteilt, so ein Elektron Form einem Atom zum anderen Atom Teilnahme an gebunden ankommen kann .
Nach neuen Interpretation besitzt jedes Atom Wasserstoff ein Elektron magnetische Moment des Elektrons durch Bewegung . Das magnetische Moment des Kerns geringer ist , damit es nicht in diesem Fall wichtig. Das Elektron magnetische Moment wird durch die Kombination von Orbital gebildet und spinnen magnetisches Moment mit bekannten Regeln von Vektoren . Die kovalente Bindung bedeutet, dass beide Atome gegenseitig anziehen durch die magnetische Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten . Die einfachste Wechselwirkung zwischen zwei magnetischen Momente unterschiedlichen Elektronen aus unterschiedlichen Atomen in Fig. 5 gezeigt . Die magnetischen Momente parallel sind , aber mit entgegengesetzten Richtungen zeigen .
Jedes Atom hat eigene Elektron und Elektronenumlaufbahn nur um den Kern und die Bahnen der Elektronen in parallelen Ebenen angeordnet sind ( Abb. 5). Es ist ein dynamisches Gleichgewicht in Bezug auf eine minimale Abstand zwischen den Atomen , wenn die elektrostatische Abstoßungskraft stärker wurde und ein maximaler Abstand zwischen den Atomen , wenn die Kupplung zwischen den magnetischen Momenten die Atome, an einem zum anderen bewegen zu erzwingen. Es gibt auch einen elektrostatischen Druck auf die Elektronen- Wechselwirkung und ein nukleares Druck durch den Kern Wechselwirkung . Diese Interaktionen regulieren den Abstand zwischen den Atomen , weil , wenn der Abstand kleiner wird aufgrund der attraktiven magnetischen Wechselwirkung , die elektrostatische Abstoßung Anstieg und das Gleichgewicht gehalten wird.

Abbildung 5 Hydrogen kovalente Bindung Formationen

Die Wasserstoffmoleküle gebildet durch die entgegengesetzte Orientierung der magnetischen Momente Elektronen eine geringere Energie Vergleichs mit dem Stand der einzelnen Atome des Wasserstoffs. Die Energie Wechselwirkung zwischen Wasserstoffatomen ist gegeben durch:
 (1.1)

wobei B1 stellen die Intensität des Magnetfelds durch μ1 auf der Ebene der sekundären Atom Bahn (r2) und B2 angelegt stellen die Intensität des Magnetfelds durch μ2 in Höhe der ersten Bahn -Atom (R1) erstellt .
cos cos θ2 θ1 und stellen Sie den Winkel zwischen μ1 bzw. B2 und B1 μ2 und aufgrund der Symmetrie der Wasserstoff-Molekül θ1 = θ2 .
So in erster Näherung ein Elektron in dem Magnetfeld, das durch die andere von der anderen Elektronen -Atom und wechselseitig erstellt bewegt.
Die Orientierung der B1 und B2 ist antiparallel Orientierung μ1 , μ2 jeweiligen (für die ecuatorial Ebene) . Dies ist aufgrund der Orientierung der B tangential zu der Linie des Magnetfeldes durch μ1 , μ2 jeweiligen erstellt . In Fig. 6 ist dargestellt , wie beispielsweise das magnetische Moment von Elektronen sich in der xy-Ebene mit Kern in den Ursprung des Systems erzeugt . Das magnetische Moment ist entlang der z-Achse , die Linie des Magnetfeldes von Nordpol und geben Sie in den Südpol. Der Vektor B berührt die Magnetfeldlinien Feld und ecuatorial Ebene ( Elektron Umlaufbahn -Ebene) und in umgekehrter Richtung dann N und S-Pole , B ist im Allgemeinen antiparallel μ .
Aufgrund der Orientierung der Elektronen Bahnen bei kovalente Bindung ist die gleiche antiparallele gelten auch für die μ1 bzw. B2 B1 und μ2 .
Die Energie der magnetischen Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen wurde :
  (1.2)
θ1 = θ2 = 0 , die cos θ1 bedeutet = cos θ2 = 1
Der Wert von B durch ein magnetisches Moment im Abstand r erzeugt wird gegeben , nach electrodynamics durch :

  (1.3)
wobei: B die Stärke des Feldes ;
r der Abstand vom Zentrum
λ ist die magnetische Breite ( 90 ° - θ ), wobei θ = magnetische colatitudes in Bogenmaß oder Grad von der Dipolachse (Magnetic colatitudes 0 ist entlang der Achse des Dipols und 90 ° in der Ebene senkrecht zu seiner Achse . ) gemessen ;
M ist das Dipolmoment in Ampere Quadratmeter gemessen , die Joule pro Tesla entspricht ;
μ0 ist die Permeabilität des freien Raums , in Henrys pro Meter gemessen.
Für unseren Fall l = 0 , M = m , so dass das Feld durch erste Elektron zweites Elektron Ebene geschaffen ist
 
 (1.4)

Abbildung 6 antiparallele Orientierungen B und m die gleiche magnetische Moment xy-Ebene Elektronenumlaufbahn

Und für die zweite Elektron zunächst Elektronenbahn haben wir:
  (1.5)
Die magnetische Wechselwirkung wurde :
 (1.6)
wo und und μ0 ist die Permeabilität des freien Raums , in Henrys pro Meter gemessen.
Für Wasserstoff Elektronen aufgrund der Symmetrie der Atomanordnung wir als gleichwertig für die Elektronenmikroskopie magnetischen Momente , so können wir schreiben:
  (3.7)
Der große und grundlegende Unterschied zwischen Quantentheorie und die vorgeschlagene Theorie ist, dass nach der Bildung von Wasserstoff-Moleküle , jedes Atom von Wasserstoff nur ein Elektron um Kern hat . Das Wasserstoffatom keinen Dublettstruktur nach neue Theorie . Es gibt keinen Unterschied in atomare Struktur zwischen Atom allein Wasserstoffatom und Wasserstoffatom Molekül . Der einzige Unterschied ist die Kopplung des magnetischen Momentes von Wasserstoff mit einem anderen magnetischen Moment und diese Kopplung versichern einen geringeren Energiebedarf bei Molekül .

Als Vergleich ist quantenmechanischen unfähig zu erklären, warum zwei entgegengesetzten Spin Senken sind die Energie des Systems. In der gleichen Zeit gibt es einen Widerspruch in der tatsächlichen Theorie , wenn die Elektronen auf Unterschale in atomare Struktur gefüllt sind und als eine kovalente gebunden gebildet wird. Genauer gesagt , füllen die Elektronen eine Unterschale zuerst mit einem Elektron in jedem Orbital parallel mit Spins und nach , dass die vorhandenen Elektronen füllen Sie das Orbitalbesetzung mit entgegengesetzten Elektronenspins . Also, wenn das gekoppelte Spin-Zustand ist stabil , sollte Besetzung Unterschale besetzt vervollständigen eine orbitale und nach hat ein weiteres Orbital werden.
Für andere Elemente , wenn wir ein einzelnes Elektron haben in der letzten Shell die Situation ist einfach, weil für den inneren Schalen , magnetischen Momente leiden eine interne Kompensation. Was ist passiert , wenn wir mehr Elektronen auf der letzten Schale haben ?
Normalerweise in den Grundzustand Elektronen bilden Paare mit entgegengesetzten Spin , um ein geringes Maß an Energie zu erhalten . Aber bei Wechselwirkung mit anderen Reaktionspartner ein Prozess der Entkopplung von Paaren von Elektronen passiert . Je nach Zustand der Reaktion auf die Struktur des Elements , auf die Stabilität der gebildeten Verbindung ist es möglich, eine teilweise Entkopplung oder eine vollständige Entkopplung von Elektronen von den letzten Schale haben . Als Beispiel: Chlorid mit 7 Elektronen auf der letzten Schale, teilnehmen können :
• mit einem Elektron in chemische Verbindung wie in Grundzustand
• mit 3 Elektronen , bedeutet, dass eine Entkopplung der ein Paar von Elektronen sowie die ersten Elektronen entkoppelt ;
• mit 5 Elektronen , bedeutet, dass eine Entkopplung der beiden Paare von Elektronen sowie die ersten Elektronen entkoppelt ;
• mit 7 Elektronen , bedeutet, dass eine Entkopplung der drei Paare von Elektronen sowie die ersten entkoppelten Elektronen .
Wenn ein einzelnes Elektron auf der letzten Schale dargestellt und wir haben ein einzelnes Element gebunden ist, ist die Orientierung der Elektronen magnetisches Moment nicht so wichtig. Natürlich ist das Molekül gebildet ist linear. Wenn die Anzahl der Elektronen magnetischen Momente größer ist , die Situation ist ein bisschen kompliziert, aber lösbar und leicht zu verstehen. Die magnetischen Momente der Elektronen behandelt klassischen Dadurch wird die Energie minimal ist, wenn die Streuung des magnetischen Momentes maximal ist. Als Folge der magnetischen Momente und natürlich die gebildeten Grenzen, wird eine solche Orientierung , um eine minimale Interaktion versichern.
Im Falle von zwei Elektronen auf der letzten Schale, diese zwei magnetischen Momente und damit zwei kovalente Bindungen bedeutet , das Molekül linear ist , ist der Winkel zwischen Grenzen 180 ° bei zwei einfache Bindung .
Im Falle der drei magnetischen Momente ( drei kovalente einfache Grenzen ) eine trigonal-planare Anordnung wird bevorzugt oder eine pyramidenförmige Struktur trigonal bei Zentralatom mit einem einsamen Elektronenpaar .
Im Falle von vier magnetischen Momente ( vier kovalente einfache Grenzen ) das Molekül haben eine tetraedrische Anordnung .
Für fünf und sechs magnetische Moment ( fünf oder sechs einfache kovalente Bindungen ) sind eine trigonale Bipyramide und eine oktaedrische Struktur bevorzugt.
Bei sieben magnetischen Momente aufgrund der sterischen Wechselwirkung , ist es zwingend erforderlich, dass mindestens eine kovalente als Doppel aufgrund der Geometrie von Molekülen gebunden .
Chloride mit seinen Elektronen Struktur bilden können bis zu sieben kovalente Bindungen . Nicht mit dem Zählen der Zahl der Elektronen um Chlorid Kern Angst. Auch haben wir sieben kovalente gebundenen wir nur sieben Elektronen auf der letzten Schale haben . Aber manchmal die Struktur Formen braucht die Notwendigkeit eines achten gebundene , und in diesem Fall Chlorid fängt ein Elektron und wird acht kovalente Bindungen zu bilden. Wir werden diese Situation zum Beispiel bei Anion Perchlorat Struktur zu sehen .
Dies ist der Fall, wenn nur einfache Bindungen zwischen Atomen gebildet werden. Aber was ist möglich, vorherzusagen, mit unserem Modell , wenn eine doppelte oder dreifache Bindung gebildet ?
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