3.1 legătură covalentă
Subiectul este îmbunătățit în carte de chimie , asa ca uite pentru materialul actualizat . Va prezentam aici,material ca a fost tipărită în cartea Atomice .
3.1.1 . Context și explicație reală
Legături covalente sunt formate ca urmare a schimbului de unul sau mai mulți electroni . În legătură clasic covalente , fiecare atom donează jumătate din electroni să fie împărtășită . Conform teoriilor actuale , această împărțire de electroni este , ca urmare aelectronegativitate ( electroni atragerea capacitatea ) a atomilor lipite . Atâta timp câtdiferența electronegativitate nu este mai mare decât 1,7 atomii pot partaja numai electronii unire .
Fiind în imposibilitatea de a explica complex de coordonare și , de asemenea, structura de o multime de compusi comune , noi teorii despre legat covalent sunt propuse . În Bond ( VB ) teoria Valence - unul dintre trebuie să reprezentant în mecanic cuantic - un atom rearanjează orbital sale atomice, înainte de formarea de obligațiuni . În loc de a folosiorbital atomic direct , amestecuri ale acestora ( hibrizi ) sunt formate . Acest proces de amestecare este numit hibridizare și ca urmare se obțin spațial - direcționată hibrid orbitală .
Vom descrie o hibridizare simplu pentru e și p orbitale . În acest caz , putem avea trei tipuri de bază de hibridizare : SP3 , SP2 și SP . Acești termeni în mod specific se referă lahibridizare a atomului și indicănumărul de p orbitale utilizate pentru a forma hibrizi .
În SP3 hibridizare toate cele trei p orbitale sunt amestecate cu s orbitale pentru a genera patru hibrizi noi ( toți vor forma σ obligațiuni de tip sau țineți perechi de electroni singuri ) .
În cazul în care doi p orbitale sunt utilizate în a face hibrizi cu s orbitale , vom obține trei noi orbitale hibrid , care va forma σ obligațiuni de tip ( sau să dețină singure perechi de electroni ) , și" nefolosit " pag. pot participa în tip π lipire . Noi numim astfel de aranjament SP2 hibridizare .
În cazul în care doar un singur p orbitală este amestecat cu s orbitale , în SP hibridizare , pe care le producem doi hibrizi , care vor participa la σ tip de unire ( sau dețin o pereche electron singuratic ) . În acest caz ,celelalte două p orbital poate fi o parte din două sisteme π perpendiculare .
Un atom va ajusta hibridizarea sa în așa fel încât să formeze cele mai puternice legaturi posibile și să păstreze toate lipirea sa și electroni izolat - pereche în drept hibrizi consum energetic scăzut posibil , și în calitate de departe una de cealaltă în care este posibil ( pentru a minimiza electron - electron repulsiile ).
În cel mai simplu exemplu formarea moleculei de hidrogen : atomi de hidrogen au nevoie de doi electroni în nivelul lor de exterior pentru a ajunge la structura de gaz nobil de heliu . Legătură covalentă , formată prin schimbul de un electron de la fiecare atom de hidrogen , cei doi atomi deține împreună, deoareceperechea de electroni este atras de ambele nuclee .
cov001
În scopul de a explica forma unei molecule mecanic cuantic propune o nouă teorie numită , , Teoria electronului repulsie pereche " . Potrivit cu aceasta,forma unei molecule sau ioni este reglementată dedispunere a perechilor de electroni peultimul coajă în jurulatomului central; acest aranjament se face în așa fel pentru a producecantitatea minimă de respingere între ele .
În cazul a două perechi de electroni ( cum ar fi BeCl2 ) în jurul atomului central demolecula este liniară deoarece un unghi de 180 ° asigura o interacțiune minimă între perechi de electroni .
cov002
În cazul a trei perechi de electroni în jurulatomului central ( BF3 sau BCl3 ) moleculele adopta o formă plană trigonală cu un unghi de legătură de 120 ° :
cov003
În cazul a patru perechi de electroni în jurul atomului central ( CH4 ), avem un aranjament tetraedric . Un tetraedru este o piramidă triunghiulară pe bază regulată . Atomul de carbon ar fi lacentru și hidrogen, la cele patru colțuri . Toate unghiurile de obligațiuni sunt 109.5 ° .
cov004
Pentru cinci perechi în jurul Central atom ( PF5 ) , forma este un bipyramid trigonal . Trei dintrefluor sunt într-un plan , la 120 ° unul de altul ;celelalte două sunt la unghiuri drepte cu acest plan . Prin urmare, bipyramid trigonal are două unghiuri diferite de obligațiuni - 120 ° și 90 ° .
cov005
În cazul a șase perechi de electroni în jurulatomului centrală ( SF6 )structura este un octaedru .
3.1.2 Modelul propus de legat covalente
In teorie propusă o covalentă legat implică numai un cuplaj de momentele magnetice ale atomilor individuali în scopul de a obține o mai mare stabilitate . Electronii raman și orbita în jurul nucleului corespunzătoare , și , prin urmare, nu există nici schimbul de electroni între atomi . Când un covalente legat este rupt cuplajul dintre aceste momente magnetice este pierdut și , desigur, fiecare atom rămâne cu electroni sale . Situația este destul de diferită în teoriile cuantice , pentru că atunci când o legătură covalentă este rupt electronii sunt probabilistic distribuite înapoi la atomi astfel un electron de la un atom poate fi trecut la alt atom participante la legat . În teorie propusă interacțiunea electrostatică dintre atomii care participă la formarea legaturilor covalente este mai puțin importantă .
Conform nouă interpretare , fiecare atom de hidrogen posedă un moment magnetic electron datoritămișcării electronilor . Momentul magnetic al nucleului este mai mica, asa ca nu este important în acest caz . Momentul magnetic electron este format prin combinarea orbitale și de spin momentul magnetic folosind regulile cunoscute ale vectorilor . Legătură covalentă înseamnă că ambii atomi atrag reciproc datorită interacțiunii magnetice dintre momentele lor magnetice . Cea mai simplă interacțiunea dintre două momente magnetice ale diferit de electroni de la diferite atomi este arătat mai jos . Momentele magnetice sunt subliniat în paralel , dar cu direcții opuse .
Fiecare atom are electron propriu și orbita electronilor doar în jurul nucleului său și orbitele electronilor sunt situate în planuri paralele ( Fig. 3.1 ) . Există un echilibru dinamic cu privire la o distanță minimă între atomi , atunci cândforța de respingere electrostatică a devenit mai puternică și o distanță maximă între atomii cândcuplajul dintre momentele magnetice forțează atomii să se deplaseze unul la altul . Există, de asemenea, un impuls electrostatic datorită interacțiunii reciproce electron și un impuls nuclear datorită interacțiunii reciproce nucleu . Aceste interacțiuni sunt mai mici decât interacțiunea magnetică astfelmolecula este stabil în condiții normale .
cov006
Figura 3.1 formațiuni de obligațiuni covalente hidrogen
Moleculele de hidrogen formează datorităorientare opusă a electronilor momentelor magnetice are o energie mai mică comparativ custarea de atomi de hidrogen . Interacțiunea energie dintre atomii de hidrogen este dată de :
cov007 ( 1.1 )
unde μ sunt momentele magnetice electronice datorită participant legatdiferit atomului ;
B1 reprezintăintensitatea câmpului magnetic creat de m1 la nivel de orbită atom secundar ( r2 ) și B2 reprezintăintensitatea câmpului magnetic creat de m2 la nivelul orbită primul atom ( r1 ) .
cos q1 și q2 cos reprezintăunghiul dintre M1 și B2 , respectiv m2 și B1 și datorităsimetriei moleculei de hidrogen q1 = q2 .
Deci, într- o primă aproximare , un electron se deplasează încâmpul magnetic creat decealaltă electroni de lacelălalt atom și reciproc .
Orientarea B1 și B2 este antiparalel cu orientarea m1 , respectiv m2 . Acest lucru se datoreazăorientarea B tangent lalinia de câmp magnetic creat de m1 , respectiv m2 . În fig 3.2 este prezentat , ca exemplu ,momentul magnetic produs de electroni se deplasează înplanul xy cu nucleu în originea sistemului . În momentul magnetic este de-a lungul axei Z , linia de câmp magnetic merge de la Polul Nord și intră în Polul Sud . Vectorul B este tangent la câmpul magnetic linie , și la planul de electroni orbită și în altă direcție atunci N și S poli , B este antiparalel cu m. .
Datorităorientării de electroni orbite , în cazul legat covalent ,aceeași orientare antiparalel este valabil , de asemenea, pentruB1 și B2 M1 , respectiv și m2 .
Energia de interacțiune magnetică dintre doi electroni se complica :
cov010 ( 1.2 )
Q1 = q2 = 0 , care înseamnă cos Q1 = cos q2 = 1
Valoarea B creat de un moment magnetic la distanța r este dată , în funcție de electrodinamica , prin :
cov011 ( 1.3 )
în cazul în care : B esteintensitatea câmpului ;
r estedistanța de lacentrul
λ estelatitudine magnetic ( 90 ° - θ ) unde θ = colatitudes magnetice , măsurate în radiani sau grade de laaxa de dipol ( colatitudes magnetice este 0 lungul axeidipol și 90 ° înplan perpendicular pe axa sa . ) ;
M este momentul dipol , măsurată în amperi metri patrati , ceea ce echivalează cu jouli pe Tesla ;
μ0 este permeabilitatea de spațiu liber , măsurată în Henry pe metru .
Pentru cazul nostru , l = 0 , M = m , astfel încâtcâmpul creat de primul electron la nivel de electroni al doilea este
cov012 ( 1.4 )
cov013
Figura 3.2 orientări antiparalel de B si m pentru același moment magnetic în planul XY a orbitei electronului
Și pentru al doilea electron de la prima orbita de electroni avem :
cov014 ( 1.5 )
Interacțiunea magnetică a devenit : cov015 ( 1.6 )
unde și și μ0 este permeabilitatea de spațiu liber , măsurată în Henry pe metru .
Pentru electronii de hidrogen ca urmare a simetriei aranjament atom , avem o egalitate de momente magnetice de electroni ca valoare , astfel încât să putem scrie :
cov018 ( 3.7 )
Diferența majoră și fundamentală între teoria cuantică și teoria propusă este că , după formarea de molecule de hidrogen , fiecare atom de hidrogen are doar un singur electron în jurul nucleului . Atom de hidrogen nu are o structură dublet în conformitate cu noua teorie . Nu există nici o diferență în structură atomică între atom de atom de hidrogen și singur atom de hidrogen din moleculă . Singura diferență constă în cuplarea a momentului magnetic de hidrogen, cu un alt moment magnetic și acest cuplaj asigura o energie mai mic în cazul moleculei .
Ca comparație , mecanic cuantic este incapabil de a explica de ce doi de spin opus sunt scăderea energiei de sistem . În același timp, există o contradicție în teorie cuantică efectivă atunci când electronii sunt completate pe subshell-urile din structura atomică și atunci când un covalente legat se formează . Mai precis , electronii umple un substrat primul cu un electron în fiecare orbital cu rotiri paralele și după ce electronii existente finaliza ocupație orbitală cu spinul electronului opus . Deci, dacă starea de spin cuplat este mult mai stabil , la ocupația de substrat ar trebui să fie ocupat completeze o pălărie orbital și după altul orbitale .
Pentru alte elemente , atunci când avem un singur electron în ultimul coajă situația este simplă , deoarece pentru scoici interioare , momentele magnetice suferi o compensație intern . Ce sa întâmplat atunci când avem mai mulți electroni pe ultimul coajă ?
În mod normal, în starea electronilor sedimentului forma perechi cu rotire opusă, pentru a menține un nivel scăzut de energie . Dar, la interacțiunea cu ceilalți reactanți un proces de decuplare de perechi de electroni pot întâmplat . În funcție de starea de reacție , pestructura elementului , asupra stabilității compus format , este posibil să aibă o decuplare parțială sau o decuplare totală de electroni de la ultima coajă . Ca de exemplu : clorură cu 7 electroni pe ultimul coajă , pot participa :
· Cu un electron în combinație chimice cum ar fi în stare sol ,
· Cu 3 electroni , ceea ce înseamnă o decuplare de o pereche de electroni , pluselectroni inițial decuplat ;
· Cu 5 electroni , ceea ce înseamnă o decuplare a două perechi de electroni , pluselectroni inițial decuplat ;
· Cu 7 electroni , ceea ce înseamnă o decuplare de trei perechi de electroni , pluselectroni inițial decuplat .
Când un singur electron pe ultimul shell este prezentată și avem un singur element legat , orientarea momentului magnetic electron nu este atât de important . Desigurmolecula formată este liniară . În cazul în care numărul de momentelor magnetice de electroni este mai mare , situația este un pic complicat, dar rezolvabilă și ușor de înțeles . Momentele magnetice ale electronilor sunt tratate clasic , aceasta înseamnă ,energia este minimă cândrăspândirea moment magnetic este maxim . Ca urmare momentele magnetice , și, desigur, limitele formate , va avea o astfel de orientare , în scopul de a asigura o interactiune minima .
In caz de doi electroni peultimul coajă , aceasta înseamnă două momente magnetice și, în consecință două limite covalente ,molecula este liniară ,unghiul dintre limitele este de 180 ° , în cazul a două legat simplu .
În cazul a trei momente magnetice ( trei limite simplu covalente ) un aranjament planar trigonal este de preferat sau o structură trigonal piramidală în caz de atom central cu o pereche electron singuratic .
În cazul a patru momentelor magnetice ( patru limite simpli covalente )molecula va avea un aranjament tetraedrice .
Pentru cinci și șase momentul magnetic ( cinci sau șase limite simplu covalente ) , un bipyramid trigonala și o structură octaedrică sunt de preferat .
In caz de șapte momentelor magnetice , datorităinteracțiunii sterical , este imperios necesar ca cel puțin unul covalentă obligat să fie dublu datorităgeometriei moleculelor .
Clorură cu structura sa de electroni pot forma până la șapte limite covalente . Nu fi speriat de numărare a numărului de electroni în jurul nucleului clorură . Chiar avem șapte covalente legat vom avea doar șapte electroni de pe ultimul coajă . Dar , uneori, formele de structură are nevoienecesitatea unui al optulea legat , și în acest caz clorură prinde un alt electron , și vor forma opt limite covalente . Vom vedea această situație , de exemplu, la structura perchlorat anioni .
Aceasta este situația atunci când doar limitele simple sunt formate între atomi . Dar ceea ce este posibil să se prevadă cu modelul nostru atunci când se formează o legătură dublă sau triplă ? citit în cartea .....
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 …..