Enlace covalente

3.1 Enlace covalente

El tema se ha mejorado en el libro de Química, a fin de buscar el material actualizado . Presentamos aquí el material fue impreso en el libro Atomic .

3.1.1 . Antecedentes y explicación real

            Los enlaces covalentes se forman como resultado de la participación de uno o más electrones . En el enlace covalente clásica, cada átomo dona la mitad de los electrones para ser compartida . Según las teorías actuales , este intercambio de electrones es como resultado de la electronegatividad ( capacidad de atracción de electrones ) de los átomos enlazados . Mientras la diferencia de electronegatividad no es mayor que 1.7 los átomos sólo pueden compartir los electrones de enlace .
            Estar en imposibilidad de explicar coordinativa compleja y también la estructura de una gran cantidad de compuestos comunes , nuevas teorías acerca de la envolvente covalente se proponen . En el Bono teoría Valence ( VB ) - uno de los mostos de representación en mecánica cuántica - un átomo reorganiza su orbital atómico antes de la formación de enlaces . En lugar de utilizar el orbital atómica directamente , mezclas de ellos ( híbridos ) se forman . Este proceso de mezcla se denomina hibridación y como resultado se obtienen espacialmente dirigida orbital híbrido .
            Vamos a describir una hibridación simple para s y p orbital. En este caso podemos tener tres tipos básicos de hibridación : sp3 , sp2 y sp . Estos términos se refieren específicamente a la hibridación del átomo y indican el número de orbitales p utilizado para formar híbridos .
            En la hibridación sp3 los tres orbitales p se mezclan con el orbital s de generar cuatro nuevos híbridos (todos formaremos enlaces de tipo σ o mantener los pares de electrones solitarios ) .
            Si dos orbitales p se utilizan en la fabricación de híbridos con el orbital s , tenemos tres nuevos orbitales híbridos que forman enlaces de tipo σ ( o mantener los pares de electrones solitarios ) , y el p " no utilizado " puede participar en el tipo de unión π . Llamamos tal hibridación sp2 arreglo.
            Si sólo hay un orbital p se mezcla con el orbital s , en la hibridación sp , se producen dos híbridos que participarán en σ tipo de unión ( o tener un par de electrones solitario ) . En este caso , los dos restantes orbital p puede ser una parte de dos sistemas π perpendiculares .
            Un átomo ajustará su hibridación , de tal manera que forman los lazos más fuertes posibles y mantener toda su unión y electrones solitario - par en los híbridos de bajo consumo de energía como sea posible, y tan lejos el uno del otro como sea posible (para minimizar electrón-electrón repulsiones ).
            En el ejemplo de la formación más simple molécula de hidrógeno : los átomos de hidrógeno tienen dos electrones en su nivel externo para alcanzar la estructura de gas noble helio. El enlace covalente , formada mediante el intercambio de un electrón de cada átomo de hidrógeno , contiene los dos átomos juntos debido a que el par de electrones es atraído a ambos núcleos .
cov001

          A fin de explicar la forma de una moléculas cuántico mecánico proponer una nueva teoría llamada , , par de electrones teoría de repulsión " . De acuerdo con esto, la forma de una molécula o ion se rige por la disposición de los pares de electrones en la última capa alrededor del átomo central ; esta disposición se hace de tal manera para producir la cantidad mínima de repulsión entre ellos .
             En caso de dos pares de electrones (como BeCl2 ) alrededor de átomo central de la molécula es lineal porque un ángulo de 180 º asegura una interacción mínima entre pares de electrones .

cov002
            En el caso de los tres pares de electrones alrededor del átomo central ( BF3 o BCl3 ) las moléculas adoptan una forma plana trigonal con un ángulo de enlace de 120 º:

cov003

           

En el caso de los cuatro pares de electrones alrededor del átomo central ( CH4 ), tenemos un arreglo tetraédrico . Un tetraedro es una pirámide triangular basado regular. El átomo de carbono sería en el centro y el hidrógeno en las cuatro esquinas . Todos los ángulos de enlace son 109.5 ° .

cov004

            Durante cinco pares de todo átomo central ( PF5 ) , la forma es una bipirámide trigonal . Tres de los átomos de flúor están en un plano en 120 ° el uno al otro ; los otros dos están en ángulos rectos a este plano . Por consiguiente, la bipirámide trigonal tiene dos ángulos diferentes de bonos - 120 ° y 90 ° .

cov005

            En el caso de los seis pares de electrones alrededor del átomo central ( SF6) La estructura es un octaedro .

3.1.2 Modelo propuesto de la envolvente covalente

            En una teoría propuesta unido covalente implica sólo un acoplamiento de los momentos magnéticos de los átomos individuales con el fin de obtener una mayor estabilidad . Los electrones permanecen y órbita alrededor del núcleo adecuado , y por lo tanto no hay intercambio de electrones entre los átomos . Cuando una covalente unido se rompe la unión entre los momentos magnéticos se pierde y , por supuesto, cada átomo queda con sus electrones. La situación es muy diferente en las teorías cuánticas , porque cuando un enlace covalente se rompe los electrones se distribuyen probabilísticamente volver a los átomos para un electrón de un átomo se puede pasar a otro átomo de participar en el destino . En teoría propuesta de la interacción electrostática entre los átomos que participan en la formación de enlazado covalente es menos importante .
            De acuerdo a la nueva interpretación , cada átomo de hidrógeno posee un momento magnético de electrones debido al movimiento de los electrones . El momento magnético del núcleo es menor por lo que no es importante en este caso . El momento magnético de electrones se forma por combinación de orbital y girar momento magnético utilizando reglas conocidas de vectores . El enlace covalente significa que ambos átomos atraen recíprocamente debido a la interacción magnética entre sus momentos magnéticos . La interacción más sencilla entre dos momentos magnéticos de diferente electrones de diferentes átomos se muestra a continuación. Los momentos magnéticos están apuntando paralelo pero con direcciones opuestas .
  Cada átomo tiene su propio electrón y la órbita del electrón sólo alrededor de su núcleo y las órbitas de los electrones se sitúan en planos paralelos ( fig. 3.1 ) . Hay un equilibrio dinámico en relación con una distancia mínima entre los átomos , cuando la fuerza de repulsión electrostática se hizo más fuerte y una distancia máxima entre los átomos cuando el acoplamiento entre los momentos magnéticos forzar a los átomos se mueven a uno a otro . Hay también un empuje electrostático debido a la interacción recíproca de electrones y un empuje nuclear debido a la interacción recíproca núcleo . Estas interacciones son más pequeñas que la interacción magnética por lo que la molécula es estable en condiciones normales .

cov006

Figura 3.1 Hidrógeno formaciones enlace covalente

            Las moléculas de hidrógeno forman debido a la orientación opuesta de los momentos magnéticos de los electrones tiene una energía más baja comparada con el estado de los átomos individuales de hidrógeno . La energía de interacción entre átomos de hidrógeno está dada por :

cov007 ( 1.1 )

donde μ son momentos magnéticos electrónicos por participante consolidado de los diferentes átomos ;
            B1 representan la intensidad del campo magnético creado por m1 a nivel de la órbita átomo secundario ( R2 ) y B2 representan la intensidad del campo magnético creado por m2 a nivel de la primera órbita átomo ( r1 ) .
            cos q1 y q2 cos representan el ángulo entre M1 y B2 , respectivamente m2 y B1 y debido a la simetría de la molécula de hidrógeno q1 = q2 .
            Así, en una primera aproximación , un electrón se mueve en el campo magnético creado por el otro electrón desde el otro átomo de y recíprocamente .
            La orientación de B1 y B2 es antiparalela con la orientación de m1 , m2 respectiva . Esto es debido a la orientación de B tangente a la línea de campo magnético creado por m1 , m2 respectiva . En la figura 3.2 se presenta , como ejemplo , el momento magnético producido por electrón que se mueve en el plano xy con núcleo en el origen del sistema . El momento magnético es a lo largo del eje z , la línea de campo magnético va desde el Polo Norte y entrar en el Polo Sur. El vector B es tangente a la línea de campo magnético , y en el plano de la órbita de electrones y en la otra dirección a continuación, polos N y S , B es antiparalela con m .
Debido a la orientación de las órbitas de electrones , en caso de enlazado covalente , la misma orientación antiparalela es válido también para la m1 y B2 , respectivamente B1 y m2 .
            La energía de interacción magnética entre dos electrones se convirtió en :

   cov010 ( 1.2 )

q1 = q2 = 0 que significa cos q1 = q2 = 1 cos

            El valor de B creado por un momento magnético a la distancia r se da , de acuerdo con la electrodinámica , por:

cov011 ( 1.3 )

donde: B es la intensidad del campo ;
            r es la distancia desde el centro
            λ es la latitud magnética ( 90 ° - θ ) , donde θ = colatitudes magnéticos , medido en radianes o grados desde el eje del dipolo ( colatitudes magnético es 0 lo largo del eje del dipolo y 90 ° en el plano perpendicular a su eje . ) ;
            M es el momento dipolar , medido en amperios - metros cuadrados , lo que equivale a julios por tesla ;
            μ0 es la permeabilidad del espacio libre , medido en henrios por metro .
            Para nuestro caso , l = 0 , M = m , por lo que el campo creado por primera electrones en el segundo nivel de electrones es

cov012 ( 1.4 )

cov013

Figura 3.2 orientaciones antiparalelas de B y M en el mismo momento magnético en el plano xy de la órbita del electrón

Y por segundo electrón en primera órbita del electrón se tiene:

cov014 ( 1.5 )

            La interacción magnética se convirtió en : cov015 ( 1.6 )

y donde y μ0 es la permeabilidad del espacio libre , medido en henrios por metro .

            Para los electrones de hidrógeno debido a la simetría de la disposición átomo tenemos una igualdad de los momentos magnéticos de electrones como el valor , por lo que podemos escribir :

cov018 ( 3.7 )

            La diferencia importante y fundamental entre la teoría cuántica y la teoría de la propuesta es que después de la formación de moléculas de hidrógeno , cada átomo de hidrógeno tiene sólo un electrón alrededor del núcleo . El átomo de hidrógeno no tiene una estructura de doblete de acuerdo a la nueva teoría . No hay diferencia en la estructura atómica entre el átomo de átomo de hidrógeno solo átomo de hidrógeno y en molécula. La única diferencia es el acoplamiento de momento magnético de hidrógeno con otro momento magnético y este acoplamiento asegurar una energía más baja en el caso de la molécula .
            Como comparación, la mecánica cuántica es incapaz de explicar por qué dos spin opuesto están reduciendo la energía del sistema. Al mismo tiempo, existe una contradicción en la teoría cuántica real cuando los electrones se llenan en subniveles en la estructura atómica y cuando una covalente unido se forma . Más precisamente , los electrones llenan primero una subcapa con un electrón en cada orbital con espines paralelos y después de que los electrones existentes completan la ocupación orbital con espín del electrón opuesto. Así que si el estado de espín acoplado es más estable , en la ocupación de subcapa deben ser ocupado completar un sombrero orbital y después de otro orbital .
            Para otros elementos , cuando tenemos un solo electrón en la última cáscara de la situación es simple porque para las capas internas , momentos magnéticos sufren una compensación interna . ¿Qué pasó cuando tenemos más electrones en la última capa ?
          Normalmente los electrones en estado fundamental formar pares con spin opuesto con el fin de mantener un bajo nivel de energía . Pero en la interacción con otros reactivos se pasó a un proceso de disociación de pares de electrones. Dependiendo de la condición de reacción , en la estructura de elemento , en la estabilidad de compuesto formado es posible tener una disociación parcial o un desacoplamiento total de electrones de la última cáscara . Como ejemplo : cloruro de tener 7 electrones en la última capa , puede participar :

· Con un electrón en combinación química como en el estado fundamental ,
· Con 3 electrones , que significa que un desacoplamiento de un par de electrones más el electrón desacoplado inicial ;
· Con 5 electrones , que significa un desacoplamiento de dos pares de electrones más el de electrones desacoplado inicial ;
· Con 7 electrones , que significa un desacoplamiento de tres pares de electrones más el electrón desacoplado inicial .
            Cuando se presenta un solo electrón en la última capa y tenemos un solo elemento vinculado , la orientación del momento magnético de electrones no es tan importante . Por supuesto, la molécula que se forma es lineal . Cuando el número de momentos magnéticos de electrones es mayor , la situación es un poco complicado, pero solucionable y fácil de entender . Los momentos magnéticos de los electrones se tratan clásica este medio , la energía es mínimo cuando la propagación de momento magnético es máximo . Como consecuencia, los momentos magnéticos , y por supuesto de los límites formados , tendrán dicha orientación con el fin de asegurar una interacción mínima.
            En caso de dos electrones en la última capa , esto significa dos momentos magnéticos y, por consiguiente dos agigantados covalentes , la molécula es lineal , el ángulo entre límites es de 180 º en caso de dos simples enlazado .
           En el caso de los tres momentos magnéticos ( tres saltos simples covalentes ) se prefiere una disposición plana trigonal o una estructura piramidal trigonal en caso de átomo central con un par de electrones solitario.
            En el caso de cuatro momentos magnéticos ( cuatro límites covalentes simples ) la molécula tendrá una disposición tetraédrica .
            Por cinco y seis momento magnético ( cinco o seis límites covalentes simples) , se prefieren una bipirámide trigonal y una estructura octaédrica .
           En caso de siete momentos magnéticos , debido a la interacción estérica , es imperativo que un mínimo de un covalente obligado a ser doble debido a la geometría de las moléculas .
        Chloride con su estructura electrónica puede formar hasta siete límites covalentes . No te asustes con el conteo de número de electrones alrededor del núcleo de cloruro. Incluso tenemos siete covalente unido tendremos sólo siete electrones en la última capa . Sin embargo , a veces las formas estructura necesita la necesidad de un límite octavo , y en este caso cloruro de capturas de otro electrón , y formarán ocho límites covalentes . Vamos a ver esta situación , por ejemplo, en el anión estructura perchlorat .
         Esta es la situación en la que sólo se forman límites simples entre los átomos . Pero lo que es posible predecir con nuestro modelo , cuando se forma un enlace doble o triple? leer en el libro .....

 

3.1 COVALENT BOND

The topic is improved in the Chemistry book, so look for the updated material. We present here the material as was printed in the Atomic book. 

3.1.1. Background and actual explanation

            Covalent bonds are formed as a result of the sharing of one or more electrons. In classical covalent bond, each atom donates half of the electrons to be shared. According to actual theories, this sharing of electrons is as a result of the electronegativity (electron attracting ability) of the bonded atoms. As long as the electronegativity difference is no greater than 1.7 the atoms can only share the bonding electrons.
            Being in impossibility to explain coordinative complex and also the structure of a lot of common compounds, new theories about covalent bound are proposed. In the Valence Bond (VB) theory – one of must representative in quantum mechanic - an atom rearranges its atomic orbital prior to the bond formation. Instead of using the atomic orbital directly, mixtures of them (hybrids) are formed. This mixing process is termed hybridization and as result are obtained spatially-directed hybrid orbital.
            We will describe a simple hybridization for s and p orbital. In this case we can have three basic types of hybridization: sp³, sp² and sp. These terms specifically refer to the hybridization of the atom and indicate the number of p orbital used to form hybrids.
            In sp³ hybridization all three p orbital are mixed with the s orbital to generate four new hybrids (all will form σ type bonds or hold lone electron pairs).
            If two p orbital are utilized in making hybrids with the s orbital, we get three new hybrid orbital that will form σ type bonds (or hold lone electron pairs), and the "unused" p may participate in π type bonding. We call such arrangement sp² hybridization.
            If only one p orbital is mixed with the s orbital, in sp hybridization, we produce two hybrids that will participate in σ type bonding (or hold a lone electron pair). In this case, the remaining two p orbital may be a part of two perpendicular π systems.
            An atom will adjust its hybridization in such a way as to form the strongest possible bonds and keep all its bonding and lone-pair electrons in as low-energy hybrids as possible, and as far from each other as possible (to minimize electron-electron repulsions).
            In the simplest example hydrogen molecule formation: Hydrogen atoms need two electrons in their outer level to reach the noble gas structure of helium. The covalent bond, formed by sharing one electron from every hydrogen atom, holds the two atoms together because the pair of electrons is attracted to both nuclei.

          In order to explain the form of a molecules quantum mechanic propose a new theory called ,,electron pair repulsion theory”. According to this, the shape of a molecule or ion is governed by the arrangement of the electron pairs on the last shell around the central atom; this arrangement is made in such manner to produce the minimum amount of repulsion between them.
             In case of two pairs of electrons (like BeCl₂) around central atom the molecule is linear because an angle of 180º insure a minimum interaction between electrons pairs.

            In case of three electron pairs around the central atom (BF₃ or BCl₃) the molecules adopt a trigonal planar shape with a bond angle of  120º:

           In case of four electron pairs around the central atom (CH₄) we have a tetrahedral arrangement. A tetrahedron is a regular triangularly-based pyramid. The carbon atom would be at the centre and hydrogen at the four corners. All the bond angles are 109.5°.

            For five pairs around central atom (PF₅), the shape is a trigonal bipyramid. Three of the fluorine are in a plane at 120° to each other; the other two are at right angles to this plane. The trigonal bipyramid therefore has two different bond angles - 120° and 90°.

            In case of six electron pairs around the central atom (SF6)  the structure is an octahedral.

3.1.2 Proposed model of covalent bound

            In proposed theory a covalent bound implies only a coupling of magnetic moments of individual atoms in order to obtain a greater stability. The electrons remain and orbit around proper nucleus, and consequently there is no sharing of electrons between atoms. When a covalent bound is broken the coupling between these magnetic moments is lost and of course every atom remains with his electrons. The situation is quite different in quantum theories, because when a covalent bond is broken the electrons are probabilistically distributed back to atoms so an electron from one atom can be passed to the other atom participating at bound. In proposed theory the electrostatic interaction between atoms participating at covalent bound formation is less important.
            According to new interpretation, every atom of hydrogen possesses an electron magnetic moment due to the electron movement. The magnetic moment of nucleus is lower so it is not important in this case. The electron magnetic moment is formed by combination of orbital and spin magnetic moment using known rules of vectors. The covalent bond means that both atoms attract reciprocally due to the magnetic interaction between their magnetic moments. The simplest interaction between two magnetic moments of different electron from different atoms is showed below. The magnetic moments are pointed parallel but with opposite directions.
  Every atom has own electron and the electron orbit only around his nucleus and the orbits of electrons are situated in parallel planes (fig. 3.1). There is a dynamical equilibrium regarding a minimum distance between atoms, when the electrostatic repulsion force became stronger and a maximum distance between atoms when the coupling between magnetic moments force the atoms to move one to another. There is also an electrostatic push due to the electron reciprocal interaction and a nuclear push due to the nucleus reciprocal interaction. These interactions are smaller than magnetic interaction so the molecule is stable in normal condition.

Figure 3.1 Hydrogen covalent bond formations

            The hydrogen molecules formed due to the opposite orientation of electrons magnetic moments has a lower energy comparative with the state of single atoms of hydrogen. The energy interaction between hydrogen atoms is given by:

  (1.1)

where  μ are electronic magnetic moments due to the different atom’s bound participant;
            B₁ represent the intensity of magnetic field created by m₁ at level of secondary atom orbit (r₂) and B₂ represent the intensity of magnetic field created by m₂ at level of first atom orbit (r₁).
            cos q₁ and cos q₂ represent the angle between m₁ and B₂, respectively m₂ and B₁ and due to the symmetry of hydrogen molecule  q₁=q₂.
            So in a first approximation, one electron is moving in the magnetic field created by the other electron from the other atom and reciprocally.
            The orientation of B₁ and B₂ is antiparallel with orientation of m₁, respective m₂. This is due to the orientation of B tangent to the line of magnetic field created by m₁, respective m₂. In fig 3.2 is presented, as example, the magnetic moment produced by electron moving in the x-y plane with nucleus in the origin of system. The magnetic moment is along the z axis, the line of magnetic field go from North Pole and enter into the South Pole. The vector B is tangent to the magnetic line field, and at orbit electron plane and in other direction then N and S poles, B is antiparallel with m.
Due to the orientation of electrons orbits, in case of covalent bound, the same antiparallel orientation is valid also for the m₁ and B₂, respectively B₁ and m₂.
            The energy of magnetic interaction between two electrons became:

   (1.2)

q₁ = q₂ = 0 that means cos q₁ = cos q₂ =1

            The value of B created by a magnetic moment at distance r is given, according to electrodynamics, by:

 (1.3)

where: B is the strength of the field;
            r is the distance from the center
            λ is the magnetic latitude (90°-θ) where θ = magnetic colatitudes, measured in radians or degrees from the dipole axis (Magnetic colatitudes is 0 along the dipole's axis and 90° in the plane perpendicular to its axis.);
            M is the dipole moment, measured in ampere square-meters, which equals joules per tesla;
            μ₀ is the permeability of free space, measured in henrys per meter.
            For our case, l= 0, M = m, so the field created by first electron at second electron level is

(1.4)

Figure 3.2 Antiparallel orientations of B and m for the same magnetic moment at xy plane of electron orbit

And for second electron at first electron orbit we have:

  (1.5)

            The magnetic interaction became:   (1.6)

where  and and μ₀ is the permeability of free space, measured in henrys per meter.

            For hydrogen electrons due to the symmetry of atom arrangement we have a equality of electron magnetic moments  as value, so we can write:

  (3.7)

            The major and fundamental difference between quantum theory and proposed theory is that after forming of hydrogen molecules, every atom of hydrogen has only one electron around nucleus. The hydrogen atom doesn’t have a doublet structure according to new theory. There is no difference in atomic structure between atom of alone hydrogen atom and hydrogen atom in molecule. The only difference is the coupling of magnetic moment of hydrogen with another magnetic moment and this coupling insure a lower energy in case of molecule. 
            As comparison, quantum mechanic is incapable to explain why two opposite spin are lowering the energy of system. In the same time there is a contradiction in actual quantum theory when the electrons are filled on subshells in atomic structure and when a covalent bound is formed. More precisely, the electrons fill a subshell first with one electron in every orbital with parallel spins and after that the existing electrons complete the orbital occupation with opposite electron spin. So if the coupled spin state is more stable, at occupation of subshell should be occupied complete an orbital and after hat another orbital.
            For other elements, when we have a single electron in the last shell the situation is simple because for the inner shells, magnetic moments suffer an internal compensation. What’s happened when we have more electrons on the last shell?
          Normally in the ground state electrons form pairs with opposite spin in order to maintain a low level of energy. But at interaction with other reactants a process of decoupling of pairs of electrons can happened. Depending on the condition of reaction, on the structure of element, on the stability of formed compound it is possible to have a partial decoupling or a total decoupling of electrons from last shell. As example: chloride having 7 electrons on the last shell, can participate:

·         with one electron in chemical combination like in ground state,

·         with 3 electrons, that means a decoupling of one pair of electrons plus the initial decoupled electron;

·         with 5 electrons, that means a decoupling of two pairs of electrons plus the initial decoupled electron;

·         with 7 electrons, that means a decoupling of three pairs of electrons plus the initial decoupled electron.

            When a single electron on the last shell is presented and we have a single element bound, the orientation of electron magnetic moment is not so important. Of course the molecule formed is linear. When the number of electron magnetic moments is greater, the situation it is a little bit complicated but solvable and easy to understand. The magnetic moments of electrons are treated classical this means, the energy is minimum when the spread of magnetic moment is maximum. As consequence the magnetic moments, and of course the formed bounds, will have such orientation in order to insure a minimum interaction.
            In case of two electrons on the last shell, this means two magnetic moments, and consequently two covalent bounds, the molecule is linear, the angle between bounds is 180º in case of two simple bound.
           In case of three magnetic moments (three covalent simple bounds) a trigonal planar arrangement is preferred or a pyramidal trigonal structure in case of central atom with one lonely electron pair.
            In case of four magnetic moments (four covalent simple bounds) the molecule will have a tetrahedral arrangement.
            For five and six magnetic moment (five or six simple covalent bounds), a trigonal bipyramid and an octahedral structure are preferred.
           In case of seven magnetic moments, due to the sterical interaction, it is imperative that minimum one covalent bound to be double due to the geometry of molecules.
        Chloride with his electron structure can form up to seven covalent bounds. Don’t be scared with counting of number of electrons around chloride nucleus. Even we have seven covalent bound we will have only seven electrons on the last shell. But, sometimes the structure forms needs the necessity of an eighth bound, and in this case chloride catches another electron, and will form eight covalent bounds. We will see this situation for example at anion perchlorat structure.
         This is the situation when only simple bounds are formed between atoms. But what is possible to predict using our model when a double or triple bond is formed?      read in the book …..