Si bien googlear la respuesta a esto proporciona el argumento orbital de enlace de valencia presentado didácticamente para las diferencias entre el hielo seco y el cuarzo, estoy en total desacuerdo con esta respuesta. Los “pares de electrones” cuidadosamente dibujados parecen tan fáciles y reales que uno olvida que son una ficción. Recurre a una generalización muy incauta de la hibridación orbital en la teoría del enlace de valencia. La teoría del enlace de valencia, propuesta por primera vez por Gilbert N. Lewis, visualizaba los pares de electrones como compartidos, “localizados”, por / entre los dos átomos adyacentes. Sus muchas iteraciones se basan en el hecho de que los orbitales (gráficos de probabilidad de dónde está el electrón “) del hidrógeno pueden calcularse, y simplemente supone que todos los demás átomos tienen orbitales similares al hidrógeno, y que esos orbitales se” hibridan “para crear el tipos de enlaces: sp para lineal, sp3 para tetraédrico. Esta teoría es muy exitosa al explicar la geometría de los elementos más ligeros, y es menos exitosa cuanto más se mueve hacia abajo en el gráfico periódico. De hecho, hay una regla, la regla de doble enlace, que asegura que no se hable de dobles enlaces en los que los modelos de enlace iónico probablemente tengan más éxito. Estos son “modelos” en el sentido de que son errores que pasan por alto las matemáticas difíciles. para hacer que el tema sea un poco más fácil y más accesible, útil, para no especialistas.
La teoría del enlace de valencia es una teoría que descansa sobre una teoría (a saber, la de la mecánica cuántica), por lo que sufre de niveles crecientes de supuestos. La visualización más realista de dónde “está” un electrón no se parece en nada al modelo de Bohr planetario, ni a un par de electrones “colocados” entre dos átomos: un electrón está aproximadamente en todas partes a la vez, con una disminución aproximadamente (pero no una disminución uniforme) ) probabilidad a lo largo de la distancia radial desde el núcleo. Más allá de eso, nadie sabe la respuesta porque no puede calcularse analíticamente a partir de las ecuaciones de la mecánica cuántica.
Una teoría competitiva es la teoría de los orbitales moleculares, que intenta mostrar cada orbital no tan aislado del átomo, sino que tiene orbitales compartidos o combinados que se extienden por toda la molécula. Si bien esta teoría se considera más completa y mejor para el estudio de estructuras deslocalizadas, también está sujeta a un conjunto similar de suposiciones, incluido el uso de orbitales similares al hidrógeno en los orbitales moleculares combinados.
Las formas de los primeros cinco orbitales atómicos: 1s, 2s, 2px, 2py y 2pz. Los colores muestran la fase de la función de onda. Estos son gráficos de funciones ψ (x, y, z) que dependen de las coordenadas de un electrón. (del orbital atómico )
Cuando observamos los orbitales de hidrógeno, si dibujamos un caparazón que contiene una probabilidad del 95% de la ubicación del electrón, vemos que los orbitales de tipo s tienen una estructura esférica, y los orbitales p son algo que se parece un poco a un reloj de arena. A medida que avanzas a través de estados cada vez más altos, desde el orbital 1s ocupado de hidrógeno y helio, hasta los orbitales 2s, 2p, 3s y 3p, la “capa” de electrones parece crecer y adquirir algunas características extrañas. Más abajo, esto se ve realmente extraño:
Los cinco orbitales d en forma de ψ (x, y, z) 2, con un diagrama de combinación que muestra cómo se unen para llenar el espacio alrededor de un núcleo atómico. (del orbital atómico )
Necesita la teoría de la órbita molecular para explicar, por ejemplo, por qué el benceno no tiene 3x enlaces simples y 3x enlaces dobles como el dibujo de Kekule, sino 6x “1 1/2 – enlaces”. el enlace de valencia, incluso agregando kludges como lo hizo Kekule, no hace un buen trabajo al explicar lo que está sucediendo, pero “medio enlace” es difícil de enseñar, y es aún más difícil para las personas que crecieron con la explicación de Kekule como “La fría y dura verdad, respondió de una vez por todas”. La verdad es que el anillo probablemente no esté formado por dobles enlaces “alternos” que se mueven de un lado a otro, no se puede “congelar” el benceno a uno u otro. Pero, si tiene cuidado, puede hacer algunas de las estructuras a continuación …
de benceno Solo los dos últimos a la derecha se usan hoy, pero ha habido muchas explicaciones alternativas de por qué el benceno es, bueno, benceno.
de benceno
En el dióxido de carbono, hay muy pocos electrones que “protegen” estos orbitales externos, por lo que uno puede pensar que el dióxido de carbono tiene una fuerte repulsión electrostática que conduce a un deseo de estar más separados. Esto podría explicar por qué es un gas.
Debido a que el silicio ha llenado los orbitales 1s, 2s y 2p, estos electrones forman una capa interna, una especie de escudo, que está más cerca del núcleo que los orbitales 3s y 3p. Al observar el dióxido de carbono, los orbitales participantes no se extienden tanto, pero con el silicio, comienzan a solaparse no solo con el oxígeno adyacente sino también con los átomos de silicio más allá. El dióxido de silicio es un sólido de red porque se puede pensar que los electrones se comparten entre todos los átomos en el cristal, creando un gran orbital molecular distribuido, de la misma manera que el benceno o el buckminsterfullereno comparte sus electrones entre los orbitales p en un extendido ” red aromática “unida a pi”.
No estoy a favor de la explicación basada en el enlace de valencia para la diferencia, pero ¿cuáles son algunos experimentos que uno podría realizar y que podrían brindar evidencia de esta explicación alternativa sobre una VB?
Principalmente, esto implicaría el estudio de átomos de silicio y moléculas de dióxido de silicio de forma aislada. Por ejemplo, si caliento sílice hasta que forme un gas, uno podría esperar separar las moléculas individuales curvadas de forma tetraédrica y poder ver el ángulo O-Si-O moverse de 109.5 a 180. También podría observar grupos aislados de un puñado de moléculas de sílice o diferencias en la superficie del cuarzo.
Cuando se agrega un solo átomo de oxígeno al SiO de forma aislada en una matriz de argón, la molécula de SiO2 que se forma tiene un ángulo de enlace lineal de 180 grados. Esta es una buena evidencia para sugerir que es el efecto de largo alcance de la influencia de múltiples átomos de silicio entre sí lo que hace que esté empaquetado tetraédricamente como un sólido.
Del mismo modo, podríamos observar dióxido de carbono bajo presión extrema, y ver si esto hace que el dióxido de carbono se desvíe de la lineal. De hecho, el CO2 supercrítico comienza a adquirir una naturaleza ligeramente polar bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, alterando sus propiedades químicas como solvente.
Por lo tanto, propondría que no es la hibridación de un solo átomo de la teoría del enlace de valencia lo que explica las diferencias en la estructura de estas dos moléculas, sino más bien los efectos no locales entre los átomos centrales de carbono o silicio que crean la diferencia.
La friabilidad y el polvo del hielo seco y la sílice me hacen creer que la estructura de estado sólido y las características de unión quizás no sean tan diferentes después de todo. Puede haber un estado de CO2 sobreenfriado que adopte una nueva forma cristalina, que normalmente no hemos podido observar.
Tl: dr: ¿son realmente tan diferentes después de todo? El problema es tratar de encontrar condiciones experimentales donde lo similar se compara con lo similar. ¿Por qué todos los gases se concentran en el lado superior y el gas noble de la tabla periódica? ¿Por qué los gases H2, F2 y Cl2 mientras I2, Na y K son sólidos? Hay algo único en la capacidad de los metales y el yodo para formar redes, enlaces, mucho más allá de un par de átomos, y en mi opinión, la teoría del enlace de valencia no hace un buen trabajo al explicar esto, a pesar de su facilidad y popularidad entre la química de primer año. libros de texto Es una mentira que hace que la química sea más fácil de enseñar, pero que se propaga con fuertes consecuencias negativas a través de los corazones y las manos de cualquiera que intente acercarse a la verdad. Al igual que comienzas con la mecánica newtoniana en física a pesar de que hay una teoría “mejor” (relatividad), los químicos comienzan con las estructuras de Lewis, en lugar de la mecánica cuántica. Son ayudas didácticas, no verdades.
Actualizado: para obtener una perspectiva sobre la evolución de los métodos post VB, post MO, consulte este excelente artículo sobre técnicas que investigan la molécula C2: C2, ¿doble o cuádruplemente unido? – Mapeo de la ignorancia. Nuestros niveles actuales de comprensión de las técnicas de mecánica cuántica cambiarán con el tiempo y, a medida que obtengamos nuevos conocimientos, necesitaremos nuevas formas de visualizar las soluciones de una manera que nos permita generalizar y teorizar de manera predictiva.
