Ich verstehe, dass kovalente Bindung ein Gleichgewichtszustand zwischen anziehenden und abstoßenden Kräften ist, aber welche der fundamentalen Kräfte bewirkt tatsächlich, dass sich Atome gegenseitig anziehen?

The Rolle des Pauli-Ausschlusses bei der Bindung

Es ist ein unglücklicher Zufall in der Geschichte, dass einige der Details, warum diese Bindungen existieren, möglich sind, da die Chemie einen sehr bequemen und vorhersagbaren Satz von Näherungswerten für das Verständnis der Bindung aufweist ein bisschen schwer zu erkennen. Es ist nicht so, dass sie nicht da sind - sie sind es mit Nachdruck! - aber man muss oft etwas tiefer graben, um sie zu finden. Sie finden sich in der Physik, insbesondere im Konzept des Pauli-Ausschlusses.

Chemie als Vermeidung von Schwarzen Löchern

Nehmen wir Ihre Attraktionsfrage zuerst. Was verursacht das? In gewisser Hinsicht ist diese Frage einfach: Es ist die elektrostatische Anziehung, das Zusammenspiel von Zügen zwischen positiv geladenen Kernen und negativ geladenen Elektronen.

Aber selbst wenn man das sagt, stimmt etwas nicht. Hier ist die Frage, die darauf hinweist: Wenn nichts anderes als elektrostatische Anziehung beteiligt wäre, was wäre die stabilste Konfiguration von zwei oder mehr Atomen mit einer Mischung aus positiven und negativen Ladungen?

Die Antwort darauf lautet ein bisschen überraschend. Wenn die Ladungen ausgeglichen sind, ist die einzige stabile, nicht zerfallende Antwort für konventionelle (klassische) Teilchen immer dieselbe: "ein sehr, sehr kleines Schwarzes Loch". Natürlich können Sie dies ein wenig ändern, indem Sie annehmen, dass die starke Kraft aus irgendeinem Grund stabil ist. In diesem Fall wird die Antwort "ein größerer Atomkern", einer mit nein Elektronen um ihn herum.

Oder vielleicht Atome wie Get Fuzzy?

An diesem Punkt sollten einige von Ihnen, die dies lesen, laut denken: "Jetzt warten Sie eine Minute! Elektronen verhalten sich nicht wie Punktteilchen in Atomen, weil die Quantenunsicherheit sie beim" Fuzz out "macht nähere dich dem Kern. " Und das ist genau richtig - ich zitiere diesen Punkt gerne selbst in anderen Kontexten!

Das Problem hier ist jedoch etwas anders, da selbst "ausgeblendete" Elektronen eine schlechte Barriere für die Aufbewahrung darstellen andere Elektronen allein durch elektrostatische Abstoßung entfernt, gerade weil ihre Ladung so diffus ist. Der Fall von Elektronen ohne Pauli-Ausschluss wird von Richard Feynman in seinen Lectures on Physics in Band III, Kapitel 4, Seite 4-13, Abbildung 4-11, gut erfasst oben auf der Seite. Das Ergebnis, das Feynman beschreibt, ist ziemlich langweilig, da Atome einfach, glatt kugelförmig und ungefähr so ​​groß bleiben würden, wie immer mehr Protonen und Elektronen hinzugefügt werden.

Während Feynman nicht in Atome gelangt, wie solche Atome würde interagieren, gibt es dort auch ein Problem. Da die Elektronenladungen im Vergleich zu den Kernen so diffus wären, würden die Atome keine wirkliche Barriere gegeneinander darstellen, bis die Kerne selbst beginnen, sich gegenseitig abzustoßen. Das Ergebnis wäre ein sehr dichtes Material, das mehr mit [Neutronium [( http://en.wikipedia.org/wiki/Neutronium) gemeinsam hätte als mit konventioneller Materie.

Im Moment werde ich nur eine klassischere Beschreibung vorantreiben und die Idee der Elektronenwolke erfassen, indem ich einfach behaupte, dass jedes Elektron egoistisch ist und so viel "Adressraum" (siehe unten) wie möglich erfassen möchte.

Nur aufladen ist langweilig!

Während Sie sich also mit lustigen Ladungskonfigurationen herumschlagen können, die das Unvermeidliche für eine Weile verhindern könnten, indem Sie Positive gegen Positive und Negative gegen Negative austauschen, werden immer positiv geladene Kerne und negativ geladene Elektronen mit nicht viel anderem im Spiel auftauchen der gleiche schlechte Punkt: entweder als sehr mickrige Schwarze Löcher oder als winzige langweilige Atome, denen etwas fehlt, das der Chemie ähnelt.

Ein Universum, das nur aus verschiedenen Größen von Schwarzen Löchern oder einfachem homogenem Neutronium besteht, ist nicht sehr interessant!

Verhindern des Zusammenbruchs

Um die atomare elektrostatische Anziehung richtig zu verstehen, müssen Sie mit dem umgekehrten Problem beginnen: Was in Die Welt hält diese Dinge davon ab, einfach auf die Größe Null zu fallen - das heißt, woher kommt die Abstoßung ?

Und das ist Ihre nächste Frage:

Bin ich auch zu Recht der Meinung, dass "Abstoßung auftritt, wenn Atome zu nahe beieinander liegen", elektrostatisch ist Interaktion?

Nein; das ist einfach falsch. In Abwesenheit von "etwas anderem" wackeln die Ladungen und strahlen aus, bis eine vorübergehende Barriere, die durch identische Ladungen entsteht, einfach irrelevant wird ... was bedeutet, dass Sie wieder mit diesen mickrigen Schwarzen Löchern enden werden.

Was Atome, Bindungen und Moleküle stabil hält, ist immer etwas ganz anderes, eine "Kraft", die traditionell überhaupt nicht als Kraft angesehen wird, obwohl sie unglaublich mächtig ist und sogar die Verschmelzung von zwei nahegelegenen entgegengesetzten elektrischen Ladungen verhindern kann . Die elektrostatische Kraft ist bei den winzigen Abständen innerhalb der Atome enorm stark, sodass alles, was die Verschmelzung geladener Teilchen verhindern kann, beeindruckend ist!

Die "abstoßende Kraft, die keine Kraft ist" ist der Pauli-Ausschluss, den ich zuvor erwähnt habe. Eine einfache Möglichkeit, sich den Pauli-Ausschluss vorzustellen, besteht darin, dass identische Materialteilchen (insbesondere Elektronen, Protonen und Neutronen) darauf bestehen, völlig eindeutige "Adressen" zu haben, um sie von anderen Teilchen des gleichen Typs zu unterscheiden. Für ein Elektron beinhaltet diese Adresse: wo sich das Elektron im Raum befindet, wie schnell und in welche Richtung es sich bewegt (Impuls) und einen letzten Punkt namens Spin, der nur einen von zwei Werten haben kann, die normalerweise als "up" bezeichnet werden. oder "down".

Sie können solche Materialpartikel ( Fermionen genannt) in nahegelegene Adressen zwingen, mit Ausnahme des Up-Down-Spin-Teils der Adresse erhöht immer die Energie von mindestens einem der Elektronen. Die erforderliche Erhöhung der Energie ist eine Nussschale, weshalb materielle Objekte zurückschieben, wenn Sie versuchen, sie zusammenzudrücken. Um sie zu drücken, muss der verfügbare Platz vieler Elektronen im Objekt geringfügig reduziert werden. Diese Elektronen erfassen die Energie des Drucks und drücken sie direkt auf Sie zurück.

Nehmen Sie nun diesen Gedanken und bringen Sie es zurück zu der Frage, woher die Abstoßung kommt, wenn sich Atome in einer bestimmten Entfernung verbinden, aber nicht näher . Sie sind der gleiche Mechanismus!

Das heißt, zwei Atome können sich "berühren" (so nah, aber nicht näher), nur weil beide viele Elektronen haben, die getrennte Raum-, Geschwindigkeits- und Spinadressen benötigen . Schieben Sie sie zusammen und sie fangen an zu zischen wie Katzen aus zwei Haushalten, die plötzlich gezwungen sind, dasselbe Haus zu teilen. (Wenn Sie mehrere Katzen besitzen, wissen Sie genau, was ich damit meine.)

Was also passiert, ist, dass die Gesamtheit der Plus- und Minuskräfte der beiden Atome wirklich versucht, alle Ladungen in ein einziges sehr kleines Schwarzes Loch zu zerquetschen - nicht in einen stabilen Zustand! Es ist nur das Zischen und Spucken der überfüllten und sehr unglücklichen Elektronen, die dieses Ereignis verhindern.

Orbitale als Jonglierhandlungen

Aber wie funktioniert das? diese Arbeit?

Ehrlich gesagt ist es eine Art Jonglage. Elektronen dürfen sozusagen viele verschiedene Stellen, Geschwindigkeiten und Drehungen einnehmen (Mnemonik $ s ^ 3 $ und no , das ist kein Standard, ich benutze es nur aus Bequemlichkeitsgründen nur antworten) zur gleichen Zeit aufgrund von Quantenunsicherheit. Es ist jedoch nicht notwendig, hier darauf einzugehen, außer zu erkennen, dass jedes Elektron versucht, so viel von seinem lokalen Adressraum $ s ^ 3 $ wie möglich zu belegen.

Das Jonglieren zwischen Punkten und Geschwindigkeiten erfordert Energie. Da also nur so viel Energie verfügbar ist, ist dies der Teil des Jongliervorgangs, der Atomen Größe und Form verleiht. Wenn all das Herumwirbeln vorbei ist, halten die Situationen mit der niedrigsten Energie die Elektronen auf verschiedene Weise um den Kern herum stationiert und berühren sich nicht ganz. Wir nennen diese speziellen Lösungen für das Überfüllungsproblem Orbitale und sie sind sehr praktisch, um zu verstehen und abzuschätzen, wie sich Atome und Moleküle verbinden.

Orbitale als spezialisierte Lösungen stark>

Es ist jedoch immer noch eine gute Idee zu bedenken, dass Orbitale keine genau grundlegenden Konzepte sind, sondern Ergebnisse des viel tieferen Zusammenspiels des Pauli-Ausschlusses mit den einzigartigen Massen, Ladungen und Konfigurationen von Kernen und Elektronen. Wenn Sie also ein seltsames elektronenähnliches Teilchen wie ein Myon oder Positron hineinwerfen, müssen Standard-Orbitalmodelle erheblich modifiziert und nur mit großer Sorgfalt angewendet werden. Standardorbitale können auch ziemlich seltsam werden, wenn sie ungewöhnliche Geometrien vollständig konventioneller Atomkerne aufweisen, wobei die ungewöhnliche doppelte Wasserstoffbindung in Borhydriden wie Diboran wahrscheinlich das beste Beispiel ist. Eine solche Bindung ist seltsam, wenn man sie in Bezug auf herkömmliche Wasserstoffbrücken betrachtet, aber weniger, wenn sie einfach als das bestmögliche "Elektronen-Jonglieren" für diese kompakten Fälle angesehen wird.

"Jake! Die Bindung!"

Nun zu dem Teil, den ich entzückend finde, etwas, das dem gesamten Konzept der chemischen Bindung zugrunde liegt.

Erinnern Sie sich daran, dass es Energie braucht, um Elektronen in Bezug auf die zusammenzudrücken Haupt zwei Teile ihrer "Adressen", die Spots (Orte) und Geschwindigkeiten (Impulse)? Ich erwähnte auch, dass Spin auf diese Weise unterschiedlich ist: Die einzigen Energiekosten für die Addition von zwei Elektronen mit unterschiedlichen Spin -Adressen sind die der herkömmlichen elektrostatischen Abstoßung. Das heißt, es gibt keine Ausschlusskosten für Pauli, wie Sie sie für Standorte und Geschwindigkeiten erhalten.

Jetzt könnten Sie denken, "aber die elektrostatische Abstoßung ist enorm!", Und Sie wären genau richtig. Verglichen mit den Pauli-Ausschlusskosten für "Nicht-Kraft" sind die Energiekosten dieser elektrostatischen Abstoßung jedoch recht gering - so gering, dass sie für kleine Atome normalerweise ignoriert werden können. Wenn ich also sage, dass der Pauli-Ausschluss mächtig ist, meine ich es , , da dadurch sogar die enorme Abstoßung von zwei Elektronen, die im selben winzigen Sektor eines einzelnen Atoms stecken, so unbedeutend erscheint, dass man sie normalerweise ignorieren kann Auswirkungen!

Aber das ist zweitrangig, denn der eigentliche Punkt ist folgender: Wenn sich zwei Atome eng nähern, beginnen die Elektronen heftige Energieeskalationskämpfe zu führen, die verhindern, dass beide Atome bis in ein Schwarzes Loch zusammenbrechen. Aber es gibt eine Ausnahme von diesem energetischen Kampf: Spin! Nur für Spin und Spin wird es möglich, dem endgültigen punktförmigen Zusammenbruch, den alle Ladungen wollen , deutlich näher zu kommen.

Spin wird somit zu einem großen "Loch". - das einzige derart große Loch - in der wilden Rüstung der Abstoßung, die durch den Ausschluss von Pauli hervorgerufen wurde. Wenn Sie die atomare Abstoßung aufgrund des Pauli-Ausschlusses als Norm interpretieren, wird die Spinpaarung zweier Elektronen zu einem weiteren Beispiel für eine "Kraft, die keine Kraft ist" oder eine Pseudokraft. In diesem Fall ist das Ergebnis jedoch eine Netto-Attraktion. Das heißt, die Spinpaarung ermöglicht es zwei Atomen (oder einem Atom und einem Elektron), sich näher zu nähern, als dies der Pauli-Ausschluss sonst erlauben würde. Das Ergebnis ist eine signifikante Freisetzung elektrostatischer Anziehungsenergie. Diese Freisetzung von Energie schafft wiederum eine stabile Bindung, da sie nur dann gebrochen werden kann, wenn dieselbe Energie zurückgegeben wird.

Teilen (und Stehlen) ist billiger

Wenn also zwei Atome (z. B. zwei Wasserstoffatome) jeweils ein äußeres Orbital haben, das nur ein Elektron enthält, können sich diese beiden Elektronen gegenseitig betrachten und sagen: "Weißt du, wenn du dich nach unten drehst und ich mich nach oben drehe, wir könnten beide diesen Raum für fast keine Energiekosten teilen! " Und so erzeugen sie mit einer Nettofreisetzung von Energie eine kovalente Bindung, wenn das resultierende Spinpaar positive Kernladungen an beiden Atomen gleichermaßen aufhebt.

In einigen Fällen ist die "Anziehungskraft" der Spinpaarung für eines der beiden Atome jedoch so überwältigend größer, dass sie die starke elektrostatische Anziehung des anderen Atoms für sein eigenes Elektron so gut wie vollständig überwinden kann (!). In diesem Fall wird das Elektron einfach vom anderen Atom weggerissen . Wir nennen das eine Ionenbindung, und wir handeln so, wenn es keine große Sache ist. Aber es ist wirklich eine erstaunliche Sache, die nur aufgrund der Pseudokraft der Spinpaarung möglich ist.

Fazit: Pseudokräfte sind wichtig!

Ich entschuldige mich dafür, dass Sie eine so lange Antwort gegeben haben, aber Sie haben zufällig eine Frage gestellt, die nicht richtig beantwortet werden kann, ohne eine Version von Pauli "Abstoßung" und Spin-Paar "Anziehung" hinzuzufügen. Im Übrigen hängen die Größe eines Atoms, die Form seiner Orbitale und seine Fähigkeit, Bindungen zu bilden, in ähnlicher Weise von Pseudokräften ab

Wenn man wie ein Physiker darüber nachdenkt, gibt es vier grundlegende Kräfte: die starke Kernkraft, die schwache Kernkraft, die elektromagnetische Kraft und die Schwerkraft. Die starke Kernkraft hält die Protonen und Neutronen im Kern zusammen. Die schwache Atomkraft verursacht den Beta-Zerfall. Diese beiden könnten als Chemie angesehen werden. Ich nicht, aber einige Leute tun es. Die Schwerkraft ist viel zu schwach, um einen Einfluss auf die Chemie zu haben. Damit bleibt die elektromagnetische Kraft, um fast die gesamte Chemie zu steuern.

Auf einer einfachen konzeptionellen Ebene ist das alles, was es gibt. Die Kerne sind beide positiv geladen, so dass sie sich gegenseitig abstoßen. Die Elektronen sind negativ geladen, so dass sie von ihren jeweiligen Kernen angezogen werden. Wenn die Elektronenwolken nahe genug kommen, um mit beiden Kernen zu interagieren, beginnen sie, die Kerne zusammen zu ziehen.

Die tiefere Erklärung erfordert Quantenmechanik. Wenn die Atome getrennt sind, können Sie die Schrödinger-Gleichung mit dem elektrischen Potential vom Kern verwenden. Das gibt Ihnen die Elektronenorbitale für ein Atom für sich. Wenn die beiden Atome nahe beieinander liegen, verwenden Sie das elektrische Potential für beide Kerne in der Schrödinger-Gleichung. Die Lösung ist dann eher das Molekülorbital als die Atomorbitale. Da sich die Schrödinger-Gleichung nicht genau für ein Molekül lösen lässt, benötigen Chemiker eine Näherung. Die übliche Näherung besteht darin, das Molekülorbital aus den Atomorbitalen durch Addition und Subtraktion der Atomorbitale aufzubauen. Hierher kommen die Ideen von $ sp $ -, $ sp ^ 2 $ - und $ sp ^ 3 $ -Hybridisierung und $ \ pi $ - und $ \ sigma $ -Bindung.

Für weitere Informationen sollten die meisten einführenden allgemeinen Chemietexte auf College-Ebene dies diskutieren. Als Beispiel habe ich den größten Teil der obigen Erklärung aus Zumdahls Chemie gezogen. In der 5. Ausgabe ist dies in den Kapiteln 8 und 9 (die aktuelle Ausgabe scheint die 7. zu sein). Dies ist eine viel wichtigere Idee in der organischen Chemie, daher werden diese Lehrbücher normalerweise in den ersten ein oder zwei Kapiteln besprochen. Das Buch über organische Chemie, das ich momentan vor mir habe, ist McMurrays Organische Chemie. Dies wird in Kapitel 1 der 3. Ausgabe dieses Buches besprochen (aktuelle Ausgabe ist die 8.).

Ich verstehe, dass kovalente Bindung ein Gleichgewichtszustand zwischen anziehenden und abstoßenden Kräften ist, aber welche der fundamentalen Kräfte bewirkt tatsächlich, dass sich Atome gegenseitig anziehen?

Wenn man wie ein Physiker darüber nachdenkt, gibt es vier fundamentale Kräfte: die starke Kernkraft, die schwache Kernkraft, die elektromagnetische Kraft und die Schwerkraft. Die starke Kernkraft hält die Protonen und Neutronen im Kern zusammen. Die schwache Atomkraft verursacht den Beta-Zerfall. ... Die Schwerkraft ist viel zu schwach, um einen Einfluss auf die Chemie zu haben. Damit bleibt die elektromagnetische Kraft, um fast die gesamte Chemie zu steuern. [ Aus Colins Antwort, in der er diesen Teil der Antwort festgenagelt hat. ]

Randnotiz - Es gibt ein überlappendes Gebiet der Physik und Chemie namens Kernchemie , bei der mit Radioisotopen gearbeitet wird, die eine besondere Behandlung erfordern, um eine radioaktive Kontamination zu vermeiden. Die Auswirkung unterschiedlicher Isotopenmassen eines Elements auf die Chemie des Elements kann größtenteils ignoriert werden. Nukleare Eigenschaften wie Radioaktivität und Kerntransmutation sind wirklich mehr Physik als Chemie.

Habe ich auch Recht zu glauben, dass "Abstoßung auftritt, wenn Atome zu nahe beieinander liegen" durch elektrostatische Wechselwirkung verursacht wird?

Nicht wirklich. Hier gibt es eine bedeutende Wendung. Coulombs Gesetz sagt eine Anziehungskraft zwischen entgegengesetzt geladenen Körpern voraus (was auch immer die Körper sein mögen ...), bietet jedoch keine Erklärung dafür, warum sich die beiden Körper nicht verbinden. Die Erklärung, warum ein $ \ ce {Na +} $ -Kation und ein $ \ ce {Cl ^ -} $ -Anion nicht zuerst kollabieren, erfordert ein Verständnis dafür, warum sich ein Proton und ein Elektron nicht zu einem Neutron verbinden. Diese Erklärung erfordert, dass Elektronen Orbitale um den Kern eines Atoms bilden. Die erste Erklärung für Orbitale war das Bohr-Modell, das eine Reihe von Mängeln aufweist und nun durch Quantenmechanik ersetzt wurde.

Obwohl die Quantenmechanik eine weitaus bessere Analyse des Verhaltens eines Wasserstoffatoms über die Schrödinger-Gleichung bietet, gibt es eine ernsthafte Einschränkung. Die Schrödinger-Gleichung kann nur für ein Elektronensystem exakt gelöst werden. (Dies ähnelt dem Drei-Körper-Problem mit der Schwerkraft.) Multielektronenatome werden also durch die Verwendung von Kombinationen aus einem Elektronenorbital aufgebaut.

Jetzt, da wir ein Atom haben, können wir $ \ ce {Na +} $ als eine harte Kugel mit der elektronischen Konfiguration eines Neonatoms betrachten, das eine geschlossene Unterschale und ein $ \ ce {Cl ^ hat -} $ Anion soll eine harte Kugel mit der elektronischen Konfiguration eines Argonatoms sein, das auch eine geschlossene Unterschale hat. Die beiden Ionen bilden dann eine Ionenbindung. Die Ionenbindung zwischen den beiden Ionen kann unter Verwendung der Madelung-Konstante in einem Feststoff sortiert werden. Eine Ionenbindung erklärt jedoch nicht das Verhalten organischer Moleküle wie Methan oder sogar eines Permanganat -Anions.

Wenn wir also das Konzept der Kombination einzelner Elektronenorbitale zur Bildung von Multielektronenatomen erweitern, können wir mehrere Atomorbitale verschiedener Atome zu Molekülorbitalen kombinieren. Der Grundgedanke ist, dass, wenn sich die Atomorbitale von zwei verschiedenen Atomen verbinden, ein molekulares Bindungsorbital mit niedrigerer Energie sowie ein molekulares antibindendes Orbital mit höherer Energie gebildet wird. Wenn jedes Atom nur ein Elektron beiträgt, ist das Nettoergebnis, dass die Bindungsbildung Energie als Wärme freisetzt. Wenn beide Atome zwei Elektronen beitragen, sind sowohl das Bindungs- als auch das Antibindungsorbital besetzt und es gibt keine Nettobindungsstärke und es wird keine Wärme erzeugt. (Durch das Kämmen mehrerer Atomorbitale auf einem Atom kommen die Ideen von $ sp $ -, $ sp ^ 2 $ - und $ sp ^ 3 $ -Hybridisierung.)

Nun scheinen wir ' Es wurde ein Punkt erreicht, an dem das Bohren in das Problem unterbrochen wurde. Das Wesentliche ist, dass bei Verwendung einer linearen Kombination von Atomorbitalen (LCAO) zur Bildung eines Molekülorbitals die Überlappung vom Abstand zwischen den Atomen abhängt. Es gibt einen Abstand, für den die Orbitale eine maximale Überlappung und damit die stärkste Bindungsstärke aufweisen.

Ich denke, diese Frage wird in Lehrbüchern im Allgemeinen schlecht beantwortet. In den meisten Büchern für Chemiestudenten scheint dies "beschönigt" zu sein. Es ist großartig, es mit der MO-Theorie zu erklären - die Orbitale überlappen sich, das Elektron erfährt beide Potentiale, und so hat das Bindungsorbital eine geringere Energie usw. Dies ignoriert jedoch einen Teil der Subtilität der vorhandenen kovalenten Bindung. Kovalente Bindung ist ebenfalls eindeutig ein Quantenphänomen - eine rein klassische Beschreibung durch Coulomb-Wechselwirkungen kann zu keinem aussagekräftigen Ergebnis führen.

Wenn kovalente Bindung ein allgemeines Prinzip ist, sollten die beteiligten Prinzipien dies tun Beispiel: Die einfachste gebundene Spezies - $ \ ce {H2 +} $ Aus klassischer Sicht ist das Elektron im interatomaren Raum (Mitte der Atome) nicht stabil. Es ist trivial zu zeigen, dass die potentielle Energie an einem der Kerne niedriger ist, und daher sollte die gesamte Materie nur kondensieren - das Elektron verliert durch Strahlung die gesamte kinetische Energie und so bricht die Umlaufbahn zusammen - genau das hat die Begründer der Quantenmechanik angetrieben - das Einfache Stabilität der Materie.

Untersuchen wir $ \ ce {H2 +} $. Bei unendlicher Trennung befindet sich das Elektron in einer der Potentialtöpfe, kann jedoch aufgrund der unendlichen Trennung nicht von einer Potentialwanne zur anderen Potentialwanne tunneln, die von den $ \ ce {H +} $ -Kernen bereitgestellt wird. Wenn die Entfernung auf eine endliche Entfernung verringert wird, aber immer noch sehr lang ist, kann das Elektron von einer Potentialwanne zur anderen tunneln. Dies bedeutet, dass das Raumvolumen, das das Elektron einnimmt, größer ist - die Wellenfunktion des Elektrons ist stärker verteilt. Dies entspricht einer kleineren Krümmung und damit einem kleineren Laplace-Wert, was zu einem niedrigeren erwarteten kinetischen Energieterm $ <T> $ führt. Was passiert jedoch mit der potentiellen Energie? Befindet sich das Elektron nicht mehr in einer Potentialwanne, sondern in Tunneln zur anderen Potentialwanne, nimmt der erwartete potentielle Energieterm $ <V> $ zu oder ab? Es steigt an - die erwartete Entfernung des Elektrons vom Kern nimmt zu, wenn die Wellenfunktion in der Entfernung zwischen den Kernen zunimmt, was das Tunneln des Elektrons von einer Vertiefung zur anderen erleichtert. Sie könnten es auch so sehen:

1) Wenn eine Wellenfunktion stark konzentriert ist, ist sie stark gekrümmt -> Großer Wert des Laplace und damit hohe kinetische Energie. Durch die Konzentration um den Kern hat es auch einen großen Erwartungswert von $ <1 / r> $ und folglich einen großen Term $ <V> $.

2) Wenn die Wellenfunktion diffus und ausgebreitet ist, hat sie eine kleine Krümmung, einen kleinen Laplace-Wert und damit einen kleinen $ <T> $ -Term, aber der Erwartungswert $ <1 / r> $ ist klein und so $ <V> $ ist klein.

Beachten Sie, dass dieser Prozess der Elektronendelokalisierung einen gewissen Grad an Delokalisierung der Elektronendichte in den internuklearen Bereich bewirkt - dh die Ladungsdelokalisierung (die zu einer Abnahme von KE führt) finanziert die Umverteilung der Elektronendichte vom Kern weg in den Kernraum (was zu einer Erhöhung der potentiellen Energie führt)

Wenn der Abstand zwischen den Kernen kleiner wird, setzt sich dieser Trend fort - der kleinere Abstand erleichtert das verstärkte Tunneln des Elektrons von einem Potentialtopf zum anderen und damit eine Abnahme der kinetischen Energie, aber einen Anstieg der potentiellen Energie. Insgesamt ist die Gesamtenergie jedoch negativ, mit einem positiven Gradienten ist der IE-Wert von $ (dE / dR) $ positiv, so dass mit abnehmendem R auch E abnimmt. Dieser Trend verlangsamt sich jedoch - wenn der Abstand zwischen den Kernen kleiner wird, ist das Tunneln, das dies erleichtert, nicht mehr viel, und daher nimmt der kinetische Energieterm langsamer ab. Im Fall von $ \ ce {H2 +} $ liegt das Minimum des kinetischen Energieterms bei etwa $ 2r_0 $. In dieser Entfernung können wir davon ausgehen, dass die Potentialtöpfe so nahe beieinander liegen, dass keine Zunahme des Tunnelns auftreten kann. Stattdessen wird durch Verringern der Bindungslänge das Volumen, über das das Elektron "wandern" kann, verringert, und die kinetische Energie beginnt wieder zuzunehmen / p>

In dieser Phase der Bindung kehrt das klassische Bild wieder zurück - der potenzielle Energieterm, der bisher positiv war und daher die Bindung beeinträchtigt, wird jetzt negativ. In der vorherigen "Stufe" bis zum Minimum des KE-Terms bewegt sich die Elektronendichte vom Kern weg in den internuklearen Bereich. Dies ermöglicht nun eine Kontraktion der Umlaufbahn - die Wellenfunktion des Elektrons schrumpft jetzt und konzentriert sich stärker um die Kerne. Dies führt zu einer Abnahme der potentiellen Energie, einer ziemlich starken Abnahme, wobei der Term $ <V> $ von positiv auf ziemlich negativ übergeht. Gleichzeitig wird das Volumen, über das das Elektron wandert, verringert, und so nimmt der kinetische Energieterm $ <T> $ zu und wird positiv - der IE-Delokalisierungsgrad wird verringert. Der potenzielle Energiebegriff gewinnt jedoch. Dies ist aus den virialen Gleichungen ersichtlich:

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

Dies gilt bei Gleichgewichtsbindungslänge. Dies kann neu angeordnet werden, um Folgendes zu ergeben:

$ <T> / -<V> = 1/2 $

Bei einem Gleichgewichtsbindungsabstand beträgt der kinetische Energieterm also 1/2 Größe des potenziellen Energieterms, was zu einer Bindungsenergie führt: $ E = <T> + <V> = -<T> = 1/2 <V> $

sich irren. Beachten Sie auch, dass der potenzielle Energieterm ein Minimum in einem viel kürzeren R-Abstand als $ r_0 $ aufweist und beim Gleichgewichtsbindungsabstand immer noch stark abnimmt. Dies zeigt, dass der verbreitete Irrtum, dass ein Gleichgewichtsbindungsabstand aufgrund eines Gleichgewichts zwischen Kern-Kern-Abstoßung und Kernelektronenanziehung erreicht wird, falsch ist.

Ebenfalls als falsch gezeigt wird die klassische Ansicht der kovalenten Bindung - kovalente Bindung ist ein reines Quantenphänomen - es kann nicht durch klassische Elektrostatik + Mechanik erklärt werden. Dies lässt sich einfach aus der Betrachtung des Potentials erkennen, das durch 2 $ \ ce {H +} $ -Kerne erzeugt wird - die Maxima eines solchen Systems befinden sich am halben Bindungspunkt, und so zerfällt ein klassisches Elektron einfach seine Umlaufbahn, bis es oben ist einer der Kerne. Es wird daher festgestellt, dass die einzige stabile klassische Anordnung von Ladungen eine Singularität ist. Betrachten Sie zum Beispiel ein Gitter aus positiven und negativen Ladungen. Bei einer einzelnen Störung durch die perfekte Gittergeometrie würde der gesamte Gitterkollaps auftreten - beispielsweise könnte das System nur metastabil sein. Die Stabilität der Materie verdankt sich also der Quantenphysik.

Während dieses Bild zweifellos das einfachste System ist, sollte und hat es auch die Eigenschaften der kovalenten Bindung in allen Systemen veranschaulicht. Interessanterweise bricht dies für einige Systeme - insbesondere $ \ ce {F2} $ - aufgrund des Vorhandenseins kompakter Einzelpaare zusammen. Dies ist das Phänomen der Ladungsverschiebungsbindung, und es gibt einige hervorragende Antworten unter: Was ist Ladungsverschiebungsbindung?

Manchmal stoßen Sie auch auf die Idee der kovalenten Bindung als Dies ist die Resonanzenergie zweier verschiedener Spinzustände: $ \ ce {A \ uparrow B \ downarrow <->A \ downarrow B \ uparrow} $

Dies ist genau das Bild, das wir haben - der Elektronentunnel von einem Potenzial gut für den anderen, und wir verwenden einfach ihren Spin als "Markierungen", so dass wir sagen können, dass dieses Elektron zu diesen Kernen getunnelt ist, und der andere ging in die andere Richtung. Somit haben beide das "Volumen" ihrer Wellenfunktionen usw. wie oben erweitert.

Sowohl die Anziehung als auch die Abstoßung sind das Ergebnis der elektromagnetischen Wechselwirkung. In großen Entfernungen ziehen sich zwei Atome aufgrund induzierter Dipol-induzierter Dipol-Wechselwirkungen an. Wenn sie nahe genug beieinander liegen, wirkt die Austauschwechselwirkung auf die Nichtvalenzelektronen der Atome und zwingt sie in Zustände höherer Energie. Dadurch stoßen sich die Atome in kurzen Abständen gegenseitig ab.