¿Por qué los átomos comparten dos electrones entre sí?

Gracias por el A2A Josh Sinanan. Aquí hay un intento de enumerar algunos de los principios en el trabajo.

El intercambio de electrones (enlaces covalentes) no puede explicarse por la física clásica: es un fenómeno de QM de mecánica cuántica.
Al hacer una pregunta de por qué , está solicitando invocar el principio de causalidad en QM. Dos eventos A y B pueden estar causalmente relacionados si el evento A ocurre antes del evento B y su separación en el espacio-tiempo es tal que la luz tiene suficiente tiempo para viajar de A a B (o más precisamente, información , ya que la información está limitada a la velocidad de la luz; a menos que algunas de las partículas en el evento A y el evento B estén enredados cuánticamente).

Hay un punto en el que es más fácil responder a la pregunta de cómo, en lugar de por qué, especialmente conmigo, ya que no entiendo completamente el vínculo; Así que frecuentemente usaré esta licencia poética 😉

Un sistema intentará llegar al menor estado de energía, o estado fundamental, uno que sea más estable y con la menor energía potencial, liberando energía en el proceso.

Entonces, ¿qué tiene un enlace covalente entre dos átomos que lo convierte en un estado de energía más bajo que dos átomos independientes?

Hay dos neucleos cargados positivamente y electrones cargados negativamente involucrados en la formación del enlace. Hay atracción electrostática y repulsión entre estas partículas cargadas. La energía potencial total del complejo de la molécula es menor después de la formación del enlace. Esa energía sería impartida a los electrones como energía cinética. Los electrones se asentarían en el orbital más bajo y expulsarían la energía cinética hacia los fotones. Para que se forme un enlace, puede haber también barrera de energía para superar inicialmente. El equilibrio entre la energía de barrera y la energía expulsada determinará si la reacción es espontánea, forzada, endotérmica o exotérmica.

En los elementos del bloque S y del bloque P en la tabla periódica, los electrones de valencia [1] [2] [3] son los que están más alejados y que tienen la energía más alta (en comparación con los otros electrones en ese átomo). .) Entre estos, los enlaces covalentes generalmente se forman entre el hidrógeno (del grupo 1) y los grupos 14-17 (carbono-flúor). Estos elementos tienen electrones de valencia en sus subcapas S & P.

Diagrama de Lewis aumentado para H, C y O:

Diagrama orbital para flúor:

Diagrama del átomo de flúor que representa los electrones de valencia, y una de las dos configuraciones de gases nobles (He y Ne) a las que podría intentar acceder.

Existen limitaciones en el espacio-tiempo que desalientan a dos partículas de ocupar el mismo lugar al mismo tiempo. Esencialmente, hay campos cuánticos (aproximadamente uno para cada partícula en el Modelo Estándar) que impregnan el espacio-tiempo. Dentro del campo cuántico de electrones, dos electrones pueden ocupar el mismo espacio (misma capa, subcapa y orbital con un átomo o molécula) solo si tienen un espín diferente, como lo dicta el principio de exclusión de Pauli . Esto es cierto para otros fermiones como los protones y los neutrones, que son partículas compuestas con un giro de medio entero, pero eso está más allá del alcance de este artículo.
Para que se produzca el enlace, los dos electrones están en un orbital compartido y, por lo tanto, deben tener espines opuestos. Estos dos electrones comenzaron en sus átomos individuales con espines que no tenían relación entre sí, específicamente cuando se trataba de sus espines. Durante la formación del enlace covalente, los electrones se enredan cuánticamente. Este evento en realidad causa que la información (sobre el espín) se localizara originalmente en cada uno de los electrones individuales, ahora se difunde entre los dos electrones. La entropía de la información ahora ha aumentado. Y el par de electrones ahora está enredado por la eternidad. Este sí mismo es un estado termodinámicamente más estable.
La energía liberada generalmente está en el rango subóptico: las microondas.
El par de electrones dentro de (cada) enlace covalente está en un nuevo orbital; esta es una nube de electrones superpuesta (entre el orbital de los dos orbitales de electrones alrededor de los átomos originales no unidos). La forma de un orbital es la ubicación probabilística de los electrones de distribución en 3-d de una función de onda que representa la excitación en el campo QM de electrones (que se comporta como una onda estacionaria).

Notas al pie

[1] Electrón de valencia

[2] Contando electrones de valencia para elementos del grupo principal

[3] Cómo encontrar electrones de valencia

ÁtomosElectronesFísica

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La respuesta de Raj Vardhan Singh es muy buena con buenas referencias, pero sería una excepción que entender que tales procesos son estrictamente de naturaleza mecánica cuántica. Se observa que él (principalmente) volvió a la física basada en partículas electrostáticas en su descripción adicional. En los procesos de partículas electrostáticas, es más una fuerza de carga que une las cargas, y también se producen algunas interferencias internas de carga de repelencia. La física basada en partículas también explica por qué 2 partículas de electrones elementales no pueden ocupar el mismo espacio 3D al mismo tiempo. Por lo tanto, los electrones (carga negativa) no orbitan tanto en una nube vibratoria alrededor del núcleo (cargas positivas netas). Los electrones externos están retenidos por una unión de fuerza de carga más débil debido a su distancia a los quarks con carga positiva y, como tal, pueden compartirse entre otros núcleos de átomos en una molécula.

John Walker

Mi respuesta será un poco diferente de las demás, y para simplificar, voy a considerar dos átomos de hidrógeno. El argumento es similar para átomos más grandes, pero se vuelve un poco más complicado a medida que aumenta el número cuántico n, en parte porque el éter tiene más electrones presentes.

Comenzamos con la premisa de que hay dualidad de partículas de onda, y que el movimiento final está determinado por los requisitos para cumplir con una onda, o una función de onda para aquellos a quienes no les gustan las ondas. El punto es que, sea lo que sea, es una solución a la ecuación de Schrödinger y se comporta como una onda. (Resulta que apoyo el concepto de que hay una onda, lo que hace que lo siguiente sea más fácil, pero lo que sigue sigue siendo válido siempre que la función tenga las características de una onda).

Considere la onda 1s. Si ve la solución, puede notar que no hay nodos en ella, y la onda cae suavemente a cero en el infinito, lo que puede considerar como el único nodo. Piensa en las olas y pregúntate cuántos nodos hay en un período. La respuesta es dos, un nodo para comenzar o finalizar el período y el otro para separar la cresta del canal. La representación habitual del orbital 1 muestra una cresta o una depresión, pero no ambas. En consecuencia, el período real es de dos ciclos, y dado que el movimiento en un campo central tiene dos grados de libertad, hay un cuanto de acción para cada grado de libertad. Esto también proviene de la mecánica clásica cuantizada, ver Schiller Phys. Rev. 125, 1100, (1962) para una explicación más significativa. La razón por la cual el par de electrones es ahora obvio: siempre que haya una diferencia de fase de π, la onda puede producir una cresta y una depresión en un ciclo, una versión sin principio de giro del Principio de Exclusión. (La razón por la que los giros son opuestos es exactamente la misma: las interacciones magnéticas requieren una función de onda propia, y tiene que haber una diferencia de fase de π).

Advertencia: a los que creen en el formalismo vectorial del estado y, en particular, a los que creen en el gato Schrödinger no les gustará porque he factorizado el estado. Si acepta eso, puede obtener la longitud de enlace y la energía de enlace del hidrógeno simplemente mediante la aritmética mental, o en el peor de los casos, con un lápiz y papel. Detalles de eso en mi libro electrónico, “Guidance Waves”. Sin embargo, la respuesta a su pregunta es que los electrones pueden emparejarse porque eso permite una onda con una cresta y una depresión en un “ciclo”.

Josh Sinanan

El principio de exclusión de Pauli establece que no hay dos fermiones que puedan ocupar exactamente el mismo estado de energía. Este principio conduce a la estabilidad de los átomos y a la materia como un todo, y nunca se viola.

Los electrones tienen 1/2 vuelta entera, y son, por lo tanto, fermiones. Un orbital molecular es un solo estado de energía, por lo que solo 2 electrones pueden ocuparlo, pero deben tener un espín opuesto. Esto significa que están efectivamente en diferentes estados. Un tercer electrón no puede entrar en este estado porque está efectivamente lleno.

Este mismo principio actúa de la misma manera para los orbitales atómicos.

John Walker

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