Je comprends que la liaison covalente est un état d'équilibre entre les forces attractives et répulsives, mais laquelle des forces fondamentales amène réellement les atomes à s'attirer les uns les autres?

Le rôle de Pauli Exclusion dans la liaison

C'est un malheureux accident de l'histoire que, parce que la chimie a un ensemble d'approximations très pratique et prédictif pour comprendre la liaison, certains des détails de la raison pour laquelle ces liaisons existent peuvent devenir un peu difficile à discerner. Ce n'est pas qu'ils ne sont pas là - ils le sont le plus catégoriquement! - mais il faut souvent creuser un peu plus pour les trouver. On les retrouve en physique, en particulier dans le concept d ' exclusion de Pauli.

La chimie pour éviter les trous noirs

Prenons votre question d'attraction en premier. Qu'est-ce qui cause cela? Eh bien, dans un sens, cette question est facile: c'est l'attraction électrostatique, l'interaction des tirages entre les noyaux chargés positivement et les électrons chargés négativement.

Mais même en disant cela, quelque chose ne va pas. Voici la question qui le souligne: si rien d'autre n'était impliqué sauf l'attraction électrostatique, quelle serait la configuration la plus stable de deux atomes ou plus avec un mélange de charges positives et négatives?

La réponse à cela est un peu surprenant. Si les charges sont équilibrées, la seule réponse stable et non décroissante pour les particules conventionnelles (classiques) est toujours la même: «un très, très petit trou noir». Bien sûr, vous pouvez modifier un peu cela en supposant que la force forte est pour une raison quelconque stable, auquel cas la réponse devient "un noyau atomique plus grand", un avec non électrons autour.

Ou peut-être des atomes comme Get Fuzzy?

À ce stade, certains d'entre vous qui liront ceci devraient penser à voix haute: "Maintenant, attendez une minute! Les électrons ne se comportent pas comme des particules ponctuelles dans les atomes, car l'incertitude quantique les rend approchez-vous du noyau. " Et c'est tout à fait correct - j'aime bien citer ce point moi-même dans d'autres contextes!

Cependant, le problème ici est un peu différent, car même les électrons "flous" fournissent une mauvaise barrière pour la conservation les autres électrons sont éloignés par la seule répulsion électrostatique, précisément parce que leur charge est si diffuse. Le cas des électrons dépourvus d’exclusion de Pauli est bien présenté par Richard Feynman dans ses Conférences de physique, dans le volume III, chapitre 4, page 4-13, figure 4-11. en haut de la page. Le résultat décrit par Feynman est assez ennuyeux, car les atomes resteraient simples, légèrement sphériques et à peu près de la même taille que de plus en plus de protons et d'électrons sont ajoutés.

Bien que Feynman n'entre pas dans les atomes, comment de tels atomes interagirait, il y a un problème là aussi. Parce que les charges électroniques seraient si diffuses par rapport aux noyaux, les atomes ne poseraient aucune barrière réelle les uns aux autres jusqu'à ce que les noyaux eux-mêmes commencent à se repousser. Le résultat serait un matériau très dense qui aurait plus en commun avec le [neutronium [( http://en.wikipedia.org/wiki/Neutronium) qu'avec la matière conventionnelle.

Pour l'instant, je vais juste aller de l'avant avec une description plus classique et capturer l'idée du nuage d'électrons simplement en affirmant que chaque électron est égoïste et aime capturer autant "d'espace d'adressage" (voir ci-dessous) que possible.

La facturation seule est ennuyeuse!

Ainsi, même si vous pouvez vous familiariser avec des configurations amusantes de charges qui pourraient empêcher l'inévitable pendant un certain temps en opposant des noyaux positifs contre positifs et négatifs contre négatifs, des noyaux chargés positivement et des électrons chargés négativement avec rien d'autre en jeu se retrouveront toujours dans le même mauvais point: soit en tant que trous noirs très chétifs, soit en tant que minuscules atomes ennuyeux qui manquent de quoi que ce soit qui ressemble à de la chimie.

Un univers rempli de rien mais de différentes tailles de trous noirs ou de simple neutronium homogène n'est pas très intéressant!

Empêcher l'effondrement

Donc, pour bien comprendre l'attraction électrostatique atomique, vous devez commencer par le problème inverse: le monde empêche ces choses de s'effondrer à zéro - c'est-à-dire d'où vient la répulsion ?

Et c'est votre question suivante:

Aussi, ai-je raison de penser que "la répulsion se produit lorsque les atomes sont trop proches les uns des autres" vient de l'électrostatique interaction?

Non; c'est tout simplement faux. En l'absence de «quelque chose d'autre», les charges se tortilleront et irradieront jusqu'à ce qu'une barrière temporaire posée par des charges identiques devienne tout simplement inutile ... ce qui signifie qu'une fois de plus vous vous retrouverez avec ces petits trous noirs.

Ce qui maintient les atomes, les liaisons et les molécules stables est toujours tout autre chose, une «force» qui n'est pas traditionnellement considérée comme une force du tout, même si elle est incroyablement puissante et peut empêcher même deux charges électriques opposées proches de fusionner . La force électrostatique est extrêmement puissante aux petites distances de séparation dans les atomes, donc tout ce qui peut empêcher les particules chargées de fusionner est impressionnant!

La "force répulsive qui n'est pas une force" est l ' exclusion de Pauli que j'ai mentionnée plus tôt. Une façon simple de penser à l'exclusion de Pauli est que des particules de matériau identiques (électrons, protons et neutrons en particulier) insistent toutes pour avoir des «adresses» complètement uniques pour les distinguer des autres particules du même type. Pour un électron, cette adresse comprend: où se trouve l'électron dans l'espace, à quelle vitesse et dans quelle direction il se déplace (élan), et un dernier élément appelé spin, qui ne peut avoir que deux valeurs généralement appelées "up" ou "vers le bas".

Vous pouvez forcer de telles particules matérielles (appelées fermions) dans des adresses proches, mais à l'exception de cette partie de rotation haut-bas de l'adresse, ce faisant augmente toujours l'énergie d'au moins un des électrons. Cette augmentation d'énergie nécessaire est un résumé de la raison pour laquelle les objets matériels repoussent lorsque vous essayez de les presser. Les presser nécessite de réduire minutieusement l'espace disponible de nombreux électrons dans l'objet, et ces électrons réagissent en capturant l'énergie de la pression et en l'utilisant pour vous repousser.

Maintenant, prenez cette pensée et ramenez-le à la question de savoir d'où vient la répulsion quand les atomes se lient à une certaine distance, mais pas plus près . Ils sont le même mécanisme!

Autrement dit, deux atomes peuvent "se toucher" (se déplacer si près, mais pas plus près) uniquement parce qu'ils ont tous les deux beaucoup d'électrons qui nécessitent des adresses d'espace, de vitesse et de spin séparées . Poussez-les ensemble et ils commencent à siffler comme des chats de deux ménages qui ont soudainement été forcés de partager la même maison. (Si vous possédez plusieurs chats, vous saurez exactement ce que je veux dire par là.)

Donc, ce qui se passe, c'est que l'ensemble global des forces plus et moins des deux atomes s'efforce vraiment d'écraser toutes les charges en un seul très petit trou noir - pas dans un état stable! Ce ne sont que les sifflements et crachats d'électrons surpeuplés et très malheureux qui empêchent cet événement de se produire.

Les orbitales comme actes de jonglerie

Mais comment ça marche?

C'est une sorte de jonglerie, franchement. Les électrons sont autorisés à "en quelque sorte" occuper de nombreux endroits, vitesses et spins différents (mnémotechnique $ s ^ 3 $, et non , ce n'est pas standard, je l'utilise juste pour plus de commodité. réponse uniquement) en même temps, en raison de l ' incertitude quantique. Cependant, il n'est pas nécessaire d'entrer dans cela ici au-delà de reconnaître que chaque électron essaie d'occuper autant que possible son espace d'adresses $ s ^ 3 $ local.

Jongler entre les spots et les vitesses nécessite de l'énergie. Donc, comme il n'y a qu'une quantité d'énergie disponible, c'est la partie de l'acte de jonglerie qui donne la taille et la forme des atomes. Lorsque tous les jockey se terminent, les situations d'énergie la plus basse maintiennent les électrons stationnés de différentes manières autour du noyau, sans se toucher tout à fait. Nous appelons ces solutions spéciales au problème d'encombrement orbitales , et elles sont très pratiques pour comprendre et estimer comment les atomes et les molécules vont se combiner.

Les orbitales en tant que solutions spécialisées fort>

Cependant, c'est toujours une bonne idée de garder à l'esprit que les orbitales ne sont pas exactement des concepts fondamentaux, mais plutôt le résultat de l'interaction beaucoup plus profonde de l'exclusion de Pauli avec les masses, charges et configurations uniques des noyaux et des électrons. Donc, si vous lancez une particule étrange semblable à un électron, comme un muon ou un positron, les modèles orbitaux standard doivent être modifiés de manière significative et appliqués uniquement avec beaucoup de soin. Les orbitales standard peuvent également devenir assez étranges simplement parce qu'elles ont des géométries inhabituelles de noyaux atomiques entièrement conventionnels, la double liaison hydrogène inhabituelle trouvée dans les hydrures de bore tels que le diborane étant probablement le meilleur exemple. Une telle liaison est étrange si on la considère en termes de liaisons hydrogène conventionnelles, mais moins si elle est simplement considérée comme le meilleur "jonglage électronique" possible pour ces boîtiers compacts.

"Jake! Le lien!"

Passons maintenant à la partie que je trouve délicieuse, quelque chose qui sous-tend tout le concept de liaison chimique.

Rappelez-vous qu'il faut de l'énergie pour serrer les électrons ensemble en termes de les deux principales parties de leurs «adresses», les spots (emplacements) et les vitesses (momenta)? J'ai également mentionné que le spin est différent de cette manière: le seul coût énergétique pour ajouter deux électrons avec des adresses de spin différentes est celui de la répulsion électrostatique conventionnelle. Autrement dit, il n'y a pas de coût d'exclusion de Pauli "les forçant à se rapprocher" comme vous le faites pour les emplacements et les vitesses.

Maintenant, vous pourriez penser "mais la répulsion électrostatique est énorme!", Et vous auriez raison. Cependant, comparé au coût de «force sans force» de l'exclusion de Pauli, le coût énergétique de cette répulsion électrostatique est en fait assez faible - si petit qu'il peut généralement être ignoré pour les petits atomes. Donc, quand je dis que l'exclusion de Pauli est puissante, je veux dire cela, car elle rend même l'énorme répulsion de deux électrons coincés à l'intérieur du même petit secteur d'un seul atome si insignifiant que vous pouvez généralement l'ignorer impact!

Mais c'est secondaire, car le vrai point est le suivant: lorsque deux atomes s'approchent de près, les électrons commencent à mener de féroces batailles d'escalade d'énergie qui empêchent les deux atomes de s'effondrer complètement dans un trou noir. Mais il y a une exception à ces luttes intestines énergiques: le spin! Pour le spin et le spin seuls, il devient possible de se rapprocher significativement de cet effondrement final en forme de point que toutes les charges veulent faire.

Le spin devient ainsi un "trou" majeur - le seul trou aussi important - dans l'armure féroce de répulsion produite par l'exclusion de Pauli. Si vous interprétez la répulsion atomique due à l'exclusion de Pauli comme la norme, alors l'appariement de spin de deux électrons devient un autre exemple de «force qui n'est pas une force», ou une pseudo-force. Dans ce cas, cependant, le résultat est une attraction nette. Autrement dit, l'appariement de spin permet à deux atomes (ou un atome et un électron) de se rapprocher plus étroitement que l'exclusion de Pauli le permettrait autrement. Le résultat est une libération importante d'énergie d'attraction électrostatique. Cette libération d'énergie crée à son tour un lien stable, car il ne peut être rompu que si cette même énergie est renvoyée.

Partager (et voler) coûte moins cher

Donc, si deux atomes (par exemple deux atomes d'hydrogène) ont chacun une orbitale externe qui ne contient qu'un seul électron, ces deux électrons peuvent en quelque sorte se regarder et dire: "vous savez, si vous tournez vers le bas et je tourne vers le haut, nous pourraient tous les deux partager cet espace pour pratiquement aucun coût énergétique! " Et c'est ce qu'ils font, avec une libération nette d'énergie, produisant une liaison covalente si la paire de spin résultante annule également les charges nucléaires positives sur les deux atomes.

Cependant, dans certains cas, la "force d'attraction" de l'appariement de spin est tellement plus grande pour l'un des deux atomes qu'il peut à peu près complètement surmonter (!) la puissante attraction électrostatique de l'autre atome pour son propre électron. Lorsque cela se produit, l'électron est simplement arraché de l'autre atome. Nous appelons cela un lien ionique, et nous agissons comme si ce n'est pas grave. Mais c'est vraiment une chose incroyable, une chose qui n'est possible que grâce à la pseudo-force du spin-pairing.

Conclusion: les pseudo forces sont importantes!

Je m'excuse d'avoir donné une réponse aussi longue, mais il vous est arrivé de poser une question à laquelle il est impossible de répondre correctement sans ajouter une version de Pauli "répulsion" et "attraction" par paire de spin. D'ailleurs, la taille d'un atome, la forme de ses orbitales et sa capacité à former des liaisons de la même manière dépendent toutes de pseudo forces.

En y réfléchissant comme un physicien, il y a quatre forces fondamentales: la force nucléaire forte, la force nucléaire faible, la force électromagnétique et la gravité. La forte force nucléaire maintient ensemble les protons et les neutrons dans le noyau. La faible force nucléaire provoque la désintégration bêta. Ces deux pourraient être considérés comme de la chimie. Non, mais certaines personnes le font. La gravité est beaucoup trop faible pour avoir un effet sur la chimie. Cela laisse donc à la force électromagnétique le contrôle de presque toute la chimie.

Sur un plan conceptuel simple, c'est tout ce qu'il y a. Les noyaux sont tous deux chargés positivement, ils se repoussent donc. Les électrons sont chargés négativement, ils sont donc attirés par leurs noyaux respectifs. Lorsque les nuages ​​d'électrons se rapprochent suffisamment pour interagir avec les deux noyaux, ils commencent à rassembler les noyaux.

L'explication plus approfondie nécessite la mécanique quantique. Lorsque les atomes sont séparés, vous pouvez utiliser l'équation de Schrödinger avec le potentiel électrique du noyau. Cela vous donne les orbitales d'électrons pour un atome à lui tout seul. Lorsque les deux atomes se rapprochent, vous utilisez le potentiel électrique des deux noyaux dans l'équation de Schrödinger. La solution est alors l'orbitale moléculaire plutôt que les orbitales atomiques. Comme l'équation de Schrödinger est impossible à résoudre exactement pour une molécule, les chimistes ont besoin d'une approximation. L'approximation habituelle consiste à construire l'orbitale moléculaire à partir des orbitales atomiques en ajoutant et en soustrayant les orbitales atomiques. C'est de là que viennent les idées de $ sp $ -, $ sp ^ 2 $ -, et $ sp ^ 3 $ -hybridizaton, et $ \ pi $ - et $ \ sigma $ -bonding.

Pour plus d'informations, la plupart des textes d'introduction à la chimie générale au niveau collégial devraient en discuter. À titre d'exemple, j'ai tiré la plupart des explications ci-dessus de la Chimie de Zumdahl. Dans la 5e édition, c'est dans les chapitres 8 et 9 (l'édition actuelle semble être la 7e). C'est une idée beaucoup plus importante en chimie organique, de sorte que ces manuels l'examinent généralement dans les un ou deux premiers chapitres. Le livre de chimie organique que j'ai sous les yeux en ce moment est la Chimie organique de McMurray. Ceci est discuté dans le chapitre 1 de la 3e édition de ce livre (l'édition actuelle est la 8e).

Je comprends que la liaison covalente est un état d'équilibre entre les forces attractives et répulsives, mais laquelle des forces fondamentales provoque réellement l'attrait des atomes?

En y réfléchissant comme un physicien, il y a quatre forces fondamentales: la force nucléaire forte, la force nucléaire faible, la force électromagnétique et la gravité. La forte force nucléaire maintient ensemble les protons et les neutrons dans le noyau. La faible force nucléaire provoque la désintégration bêta. ... La gravité est beaucoup trop faible pour avoir un effet sur la chimie. Cela laisse donc à la force électromagnétique le contrôle de presque toute la chimie. [ D'après la réponse de Colin où il a cloué cette partie de la réponse. ]

Note complémentaire - Il y a un domaine qui se chevauchent de la physique et de la chimie appelé Chimie nucléaire qui consiste à travailler avec des radio-isotopes qui nécessitent une manipulation spéciale pour éviter la contamination radioactive. Pour la plupart, l'effet des différentes masses isotopiques d'un élément sur la chimie de l'élément peut être ignoré. Les propriétés nucléaires, telles que la radioactivité et la transmutation nucléaire, relèvent en réalité davantage de la physique que de la chimie.

Aussi, ai-je raison de penser que "la répulsion se produit lorsque les atomes sont trop proches les uns des autres" provient d'une interaction électrostatique?

Pas vraiment. Il y a là une torsion significative. La loi de Coulomb prédit une force d'attraction entre des corps de charge opposée (quels que soient les corps ...), mais n'offre aucune explication quant à la raison pour laquelle les deux corps ne se combinent pas. Pour expliquer pourquoi un anion $ \ ce {Na +} $ cation et un anion $ \ ce {Cl ^ -} $ ne s'effondrent pas, il faut d'abord comprendre pourquoi un proton et un électron ne se combinent pas pour former un neutron. Cette explication nécessite des électrons pour former des orbitales autour du noyau d'un atome. La première explication des orbitales était le modèle de Bohr qui présente un certain nombre de défauts et qui a maintenant été remplacé par la mécanique quantique.

Bien que la mécanique quantique offre une bien meilleure analyse du comportement d'un atome d'hydrogène via l ' équation de Schrödinger, il existe une limitation sérieuse. L'équation de Schrödinger ne peut être résolue exactement que pour un système électronique. (Cela ressemble beaucoup au problème des trois corps avec la gravité.) Ainsi, les atomes multiélectroniques sont construits en utilisant des combinaisons d'orbitales à un électron.

Maintenant que nous avons un atome, nous pouvons considérer $ \ ce {Na +} $ cation comme une sphère dure avec la configuration électronique d'un atome de néon qui a un sous-shell fermé et un $ \ ce {Cl ^ -} $ anion pour être une sphère dure avec la configuration électronique d'un atome d'argon qui a également une sous-couche fermée. Les deux ions forment alors une liaison ionique. La liaison ionique entre les deux ions peut être tracée dans un solide en utilisant la constante de Madelung. Cependant, une liaison ionique n'explique pas le comportement de molécules organiques comme le méthane, ou même un anion permanganate.

Ainsi, en étendant le concept de combinaison d'orbitales à un électron pour former des atomes à plusieurs électrons, nous pouvons combiner plusieurs orbitales atomiques d'atomes différents pour former des orbitales moléculaires. La notion de base est que lorsque les orbitales atomiques de deux atomes différents se combinent, une orbitale de liaison moléculaire avec une énergie plus faible se forme ainsi qu'une orbitale antibactérienne moléculaire d'énergie supérieure. Si chaque atome ne contribue qu'à un électron, le résultat net est que la formation de liaison libère de l'énergie sous forme de chaleur. Si les deux atomes apportent deux électrons, alors les orbitales de liaison et d'anti-liaison sont occupées et il n'y a pas de force de liaison nette et aucune chaleur n'est produite. (Combiner plusieurs orbitales atomiques sur un atome est d'où viennent les idées de $ sp $ -, $ sp ^ 2 $ - et $ sp ^ 3 $ -hybridizaton.)

Maintenant, il semble que nous ' re atteint un point où il faut interrompre l'exploration du problème. L'essentiel est qu'en utilisant une combinaison linéaire d'orbitales atomiques (LCAO) pour former une orbitale moléculaire, le chevauchement dépend de la distance entre les atomes. Il y a une distance pour laquelle les orbitales ont un chevauchement maximal, et donc la force de liaison la plus forte.

Je pense que cette question est généralement mal répondue dans les manuels - Il semble que dans la plupart des livres de premier cycle en chimie, cela soit "passé sous silence". L'expliquer en termes de théorie MO est en quelque sorte génial - les orbitales se chevauchent, l'électron éprouve les deux potentiels, et donc la liaison orbitale est plus faible en énergie, etc. Mais cela ignore une partie de la subtilité de la liaison covalente qui est présente. La liaison covalente est également clairement un phénomène quantique - la décrire en termes d'interactions coulombiques, de manière purement classique, ne peut conduire à aucun résultat significatif.

Si la liaison covalente est un principe général, alors il est clair que les principes impliqués devraient être exemplifié par l'espèce liée la plus simple - $ \ ce {H2 +} $ Considéré d'un point de vue classique purement, l'électron n'est pas stable dans l'espace inter-atomique (milieu des atomes). Il est trivial de montrer que l'énergie potentielle est inférieure à l'un des noyaux, et donc toute matière devrait simplement se condenser - l'électron perd toute énergie cinétique en rayonnant, et ainsi l'orbite s'effondre - c'est précisément ce qui a poussé les fondateurs de la mécanique quantique - le simple stabilité de la matière.

Examinons $ \ ce {H2 +} $. À une séparation infinie, l'électron est dans l'un des puits potentiels, mais en raison de la séparation infinie, il ne peut pas passer d'un puits potentiel à l'autre puits potentiel fourni par les noyaux $ \ ce {H +} $. Lorsque la distance est réduite à une distance finie, mais toujours très longue, l'électron est capable de tunnel d'un puits de potentiel à l'autre. Cela signifie que le volume d'espace occupé par l'électron est plus grand - la fonction d'onde de l'électron est plus étendue. Cela correspond à une courbure plus petite, et donc à un laplacien plus petit, conduisant à un terme d'énergie cinétique attendu inférieur $ <T> $. Mais qu'arrive-t-il à l'énergie potentielle? Si l'électron n'est plus dans un puits potentiel, mais tunnels vers l'autre puits potentiel, est-ce que le terme d'énergie potentielle attendu, $ <V> $ augmente ou diminue? Il monte - la distance attendue de l'électron par rapport au noyau augmente, à mesure que la fonction d'onde se développe dans la distance internucléaire, facilitant le tunnel de l'électron d'un puits à l'autre. Vous pouvez aussi le voir comme:

1) Si une fonction d'onde est très concentrée, elle est très courbe -> Grande valeur du Laplacien, et donc haute énergie cinétique. En étant concentré autour du noyau, il a également une grande valeur d'attente de $ <1 / r> $ et par conséquent un grand terme $ <V> $.

2) Si la fonction d'onde est diffuse et étalée, elle a une petite courbure, un petit laplacien, et donc un petit $ <T> $ term, mais la valeur d'attente $ <1 / r> $ est petite, et donc $ <V> $ est petit.

Notez que ce processus de délocalisation des électrons entraîne une certaine délocalisation de la densité électronique dans la région internucléaire - c'est-à-dire que la délocalisation de charge (conduisant à une diminution de KE) finance la redistribution de la densité électronique loin du noyau dans l'espace internucléaire (entraînant une augmentation de l'énergie potentielle)

À mesure que la distance internucléaire devient plus petite, cette tendance se poursuit - la distance plus petite facilite le tunnelage amélioré de l'électron d'un puits potentiel à l'autre, et donc une diminution de l'énergie cinétique, mais une augmentation de l'énergie potentielle. Dans l'ensemble cependant, l'énergie totale est négative, avec un gradient positif, la valeur IE de $ (dE / dR) $ est positive, de sorte que lorsque R diminue, E diminue également. Cependant, cette tendance ralentit - à mesure que la distance internucléaire devient plus petite, la création de tunnels facilitée n'est plus beaucoup, et donc le terme d'énergie cinétique diminue plus lentement. Dans le cas de $ \ ce {H2 +} $ le minimum de terme d'énergie cinétique se situe aux alentours de $ 2r_0 $. À cette distance, nous pouvons supposer que les puits de potentiel sont si proches qu'aucune augmentation de l'effet tunnel ne peut se produire, et au lieu de cela, en réduisant la longueur de la liaison, le volume sur lequel l'électron peut «errer» est réduit, et ainsi l'énergie cinétique recommence à augmenter. / p>

À ce stade de la liaison, l'image classique recommence à revenir - le terme d'énergie potentielle, jusqu'à présent, était positif, et donc défavorable à la liaison, devient maintenant négatif. Dans le "stade" précédent jusqu'au minimum du terme KE, la densité électronique s'éloigne du noyau vers la région internucléaire. Cela permet maintenant la contraction orbitale - la fonction d'onde de l'électron se rétrécit maintenant et devient plus concentrée autour des noyaux. Cela conduit à une diminution de l'énergie potentielle, une diminution plutôt forte, faisant passer $ <V> $ term de positif à plutôt négatif. En même temps, le volume sur lequel l'électron erre est réduit, et donc le terme d'énergie cinétique $ <T> $ augmente et devient positif - le niveau de délocalisation IE est réduit. Cependant, le terme énergie potentielle l'emporte. Cela peut être vu dans les équations viriales:

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

Qui s'applique à la longueur de liaison d'équilibre. Cela peut être réorganisé pour donner:

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

Ainsi à la distance de liaison d'équilibre, le terme d'énergie cinétique est 1/2 magnitude du terme d'énergie potentielle, conduisant à une énergie de liaison: $ E = <T> + <V> = -<T> = 1/2 <V> $

pour intérêt le montant de la densité électronique donné à l'espace internucléaire est de 16%, et donc la vue typique que l'interaction de liaison est due à cela est montré avoir tort. Notez également que le terme d'énergie potentielle a des minima à une distance R beaucoup plus courte que $ r_0 $ et qu'il diminue encore fortement à la distance de liaison d'équilibre. Cela montre que l'erreur commune selon laquelle une distance de liaison d'équilibre est atteinte en raison d'un équilibre entre la répulsion nucléaire-nucléaire et l'attraction des électrons nucléaires est erronée.

La vision classique de la liaison covalente se révèle également erronée - la liaison covalente est purement un phénomène quantique - elle ne peut être expliquée par l'électrostatique classique + mécanique. Cela peut être vu simplement en considérant le potentiel bien créé par 2 $ \ ce {H +} $ noyaux - les maxima d'un tel système se trouvent à mi-chemin de la liaison, et donc un électron classique décomposera simplement son orbite jusqu'en haut de l'un des noyaux. On constate donc que la seule disposition classique stable des charges est une singularité. Considérons par exemple un réseau de charges positives et négatives. Une seule perturbation de la géométrie parfaite du réseau verrait l'effondrement du réseau entier - tel que le système ne pourrait être métastable. Ainsi, la stabilité de la matière doit elle-même à la physique quantique.

Bien que cette image soit sans aucun doute le système le plus simple, elle devrait également, et a, illustré les caractéristiques de la liaison covalente dans tous les systèmes. Fait intéressant pour certains systèmes - notamment $ \ ce {F2} $ - cela tombe en panne, en raison de la présence de paires isolées compactes. C'est le phénomène de la liaison par décalage de charge, et il y a d'excellentes réponses à l'adresse: Qu'est-ce que la liaison par décalage de charge?

Parfois, vous pouvez également rencontrer l'idée de liaison covalente comme étant l'énergie de résonance de deux états de spin différents: $ \ ce {A \ uparrow B \ downarrow <->A \ downarrow B \ uparrow} $

C'est précisément l'image que nous avons - le tunnel d'électrons à partir d'un potentiel bien à l'autre, et nous utilisons simplement leur spin comme "étiquettes" afin que nous puissions dire que cet électron a tunnelisé vers ces noyaux, et l'autre est allé dans l'autre sens. Ainsi, les deux ont augmenté le "volume" de leurs fonctions d'onde, etc. comme ci-dessus.

L'attraction et la répulsion sont le résultat de l'interaction électromagnétique. Sur de longues distances, deux atomes s'attirent en raison des interactions dipolaires induites par les dipôles. Lorsqu'ils se rapprochent suffisamment, l'interaction d'échange agit sur les électrons de non valence des atomes et les force à passer à des états d'énergie plus élevés. Cela oblige les atomes à se repousser sur de courtes distances.