一部の化学の教科書によると、原子の価電子の最大数は8ですが、その理由は説明されていません。
では、原子は8つ以上の価電子を持つことができますか？
これが不可能な場合、なぜ「原子は8個を超える価電子を持つことができないのですか？
回答
2017-10-27更新
[注：以前の表記-焦点を絞った答えは、変更されていませんが、この更新の下にあります。]
はい。価電子のオクテットを持つと、ほとんどの原子に対して非常に深いエネルギー最小値が作成されますが、それは最小値にすぎず、基本ではありません要件。十分に強い補償エネルギー係数がある場合、オクテットを強く好む原子でさえ、8価電子よりも多い（または少ない）安定した化合物を形成できます。
ただし、形成を可能にする同じ結合メカニズム8を超える価電子シェルの場合、そのような結合がイオン性または共有性として解釈されるかどうかに応じて、そのようなシェルの代替構造解釈も可能になります。マニッシュアースの優れた答えこの問題をより詳細に調査しますここで行うよりも。
六フッ化硫黄$ \ ce {SF6} $は、このあいまいさの良い例です。元の回答で図式的に説明したように、$ \ ce {SF6} $の中央の硫黄原子は、次のいずれかとして解釈できます。
（a）6つの価電子すべてが含まれている硫黄原子6つのフッ素原子によって完全にイオン化される、または
（b）6つの八面体に位置するフッ素原子によって作成および安定化される安定した高度に対称的な12電子価電子シェルを持つ硫黄原子。中央の硫黄原子と電子対を共有します。
これらの解釈は両方とも純粋に構造的な観点からもっともらしいですが、イオン化の解釈には深刻な問題があります。
最初の最大の問題は6つの硫黄の価電子すべてを完全にイオン化するには、非現実的なエネルギーレベルが必要になります（「原子」の方が適切な言葉かもしれません）。
2番目の問題は、$の安定性とクリーンな八面体対称性です。 \ ce {SF6} $は、硫黄原子の周りの12個の電子が安定して十分に到達したことを強く示唆しています。通常のオクテット構造とは異なる定義済みの最小エネルギー。
両方の点は、$ \ ce {SF6} $の硫黄原子価殻のより単純でエネルギー的に正確な解釈は、12個の電子を持っていることを意味します。安定した非オクテット構成。
硫黄の場合、この12電子の安定したエネルギーの最小値は、遷移要素のシェルに見られる多数の原子価関連電子とは無関係であることに注意してください。それらのより複雑な軌道にアクセスするのに十分な電子。 $ \ ce {SF6} $の12電子価電子シェルは、代わりに、他のほとんどすべての状況で価電子のオクテットを持つことを好む原子の規則の真の曲げです。
それが私の理由ですこの質問に対する全体的な答えは単に「はい」です。
質問：オクテットが特別なのはなぜですか？
安定した非オクテット価電子殻かどうかの裏返し存在するのはこれです：なぜオクテットシェルは非常に深く普遍的なエネルギー最小値を提供するので、周期表全体がオクテット価電子シェルを持つ貴ガスで終わる行（ヘリウムを除く）に構造化されますか？
In一言で言えば、その理由は、$ n = 1 $シェル（ヘリウム）の特殊なケースを超えるエネルギーレベルでは、「閉じたシェル」軌道セット$ \ {s、p_x、p_y、p_z \} $だけであるためです。角運動量が（a）すべて相互に直交し、（b）3次元空間のそのようなすべての直交可能性をカバーする軌道の組み合わせ。
これは、角運動量オプションのこのユニークな直交分割です。 $ \ {s、p_x、p_y、p_z \} $軌道オクテットを特に深くし、最高エネルギーの殻でも関連性のあるものにする3D空間。これの物理的な証拠は、希ガスの顕著な安定性に見られます。
角運動量状態の直交性が原子スケールで非常に重要である理由は、すべての電子が独自の電子を持つことを要求するパウリの排他原理です。ユニークな状態。直交する角運動量状態を持つことは、電子軌道間の強い状態分離を提供するための特にクリーンで簡単な方法を提供し、したがってパウリの排他によって課されるより大きなエネルギーペナルティを回避します。エネルギー的には実質的に魅力的ではありません。オクテットの完全に直交する$ p_x $、$ p_y $、および$ p_d $軌道と同じ球形空間を共有するように、より多くの軌道を強制するため、$ d $、$ f $、およびそれ以上の軌道はますます直交性が低くなります。したがって、パウリの排他エネルギーのペナルティが増加する可能性があります。
最後の注意
後で、古典的な衛星型の円軌道の観点から角運動量の直交性を説明するために、別の補遺を追加する場合があります。もしそうなら、$ p $軌道がなぜこんなに奇妙に異なるダンベルの形をしているのかについても少し説明します。
（ヒント：人々が2つのループを作成するのを見たことがあれば単一の縄跳びであるこのような二重ループの背後にある方程式は、$ p $軌道の背後にある方程式と予想外の類似性があります。）
元の2014年の回答（変更なし） ）
この回答は、 Manishearthの以前の回答を補足することを目的としています。それと競争する。私の目的は、原子価殻に8個の電子の通常の補数よりも多く含まれている分子に対してもオクテット則がどのように役立つかを示すことです。
これを寄付表記と呼び、高校にまでさかのぼります。私の小さな町の図書館のテキストの化学的性質のどれも、炭酸塩、塩素酸塩、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの陰イオンでこれらの酸素結合がどのように機能するかを説明するのに苦労しなかった時代。
この表記の背後にある考え方シンプルです。電子ドット表記から始めて、他の原子が各電子を「借用」しているかどうか、およびどのように「借用」しているかを示す矢印を追加します。矢印の付いたドットは、電子が主に矢印の基部にある原子に「属している」が、その原子のオクテットを完成させるために別の原子によって使用されていることを意味します。ドットのない単純な矢印は、電子がは事実上元の原子を離れています。その場合、電子は矢印にまったく付着しなくなりますが、代わりに矢印の端にある原子の原子価電子の数の増加として表示されます。
テーブルソルト（イオン）と酸素（共有）を使用した例を次に示します。
注意$ \ ce {NaCl} $のイオン結合は単に矢印として表示され、最も外側の電子を「提供」し、電子の内側のオクテットにフォールバックして、それ自体の完了の優先順位を満たしていることを示します（このような内側のオクテットは表示されません。）
共有結合は、各原子が1つの電子を結合に寄与したときに発生します。寄付表記は両方の電子を示しているため、二重に結合した酸素原子間に4つの矢印が表示されます。
ただし、単純な共有結合の場合、寄付表記は実際には必要ありません。これは、陰イオンの結合がどのように機能するかを示すことを目的としています。密接に関連する2つの例は、硫酸カルシウム（$ \ ce {CaSO4} $、石膏としてよく知られています）と亜硫酸カルシウム（$ \ ce {CaSO3} $、一般的な食品保存料）です。 ）：
これらの例では、カルシウムは主にイオン結合を介して寄付するため、その寄与は、陰イオンのコアに2つの電子を提供する一対の矢印になり、硫黄原子のオクテットを完成させます。次に、酸素原子が硫黄に結合し、実際には何の見返りもなしに、電子ペア全体を「借用」します。この借用モデル硫黄（硫酸塩と亜硫酸塩）や窒素（亜硫酸塩と亜硫酸塩）などの元素に複数の陰イオンが存在する主な要因です。中央の原子が完全なオクテットを確立するために酸素原子は必要ないため、中央のオクテットのいくつかのペアが付着していないままになる可能性があります。これにより、酸化されたアニオが少なくなります。亜硫酸塩や亜硝酸塩などのns。
最後に、よりあいまいな例は六フッ化硫黄です。
この図は、2つのオプションを示しています。 $ \ ce {SF6} $は、硫黄がすべての電子を超攻撃的なフッ素原子に放出する金属であるかのようにモデル化する必要があります（オプションa）、またはオクテット則が弱いがまだ実行可能な12電子ルール（オプションb）？このようなケースの処理方法については、今日でもいくつかの論争があります。寄付表記は、オクテットパースペクティブをこのような場合に適用する方法を示していますが、このような極端な場合に1次近似モデルに依存することは決して良い考えではありません。
2014-04-04更新
最後に、点と矢印にうんざりしていて、標準の原子価結合表記に近いものを望んでいる場合、次の2つの同等性が役立ちます。
上の直線の同等性は次のとおりです。結果として得られる線は、外観と意味が有機化学の標準的な共有結合と同じであるため、些細なことです。
2番目の u-bond 表記は新しいものです。私は1970年代に高校で欲求不満からそれを発明しました（はい、私はその年をとっています）が、当時は何もしませんでした。
u-bond表記の主な利点は、標準の原子価のみを使用しながら、非標準の結合関係のプロトタイプを作成して評価できることです。直線の共有結合と同様に、u結合を形成する線は1対の電子を表します。ただし、U結合では、ペアの両方の電子を提供するのはUの下部にある原子です。その原子は取引から何も得られないので、その結合の必要性は変更も満足もされません。この結合の完了の欠如は、u結合のその側に線の端がないことによって表されます。
Uの上部にある乞食原子は両方を使用するようになります。これは、電子の原子価結合の必要性の 2 が満たされていることを意味します。表記上、これはUの線の両端がその原子の隣にあるという事実に反映されています。
全体として、U結合の下部にある原子は「私は「それは好きではありませんが、あなたが電子対を切望しているなら、そしてあなたが非常に近くにいることを約束するなら、私はあなたに私のすでに完成した電子対からあなたをラッチさせますオクテット。」
一酸化炭素とその不可解な「なぜ炭素は突然2の原子価を持つのですか？」構造は、u-結合がそのような化合物をより伝統的な結合数の観点からどのように解釈するかをうまく示しています。
炭素の4つの結合のうち2つは酸素との標準的な共有結合によって分解され、残りの2つの炭素結合はu-の形成によって分解されることに注意してください。乞食の炭素が酸素からの電子対の1つを「共有」する結合。すでに満杯のオクテット。炭素は4つの結合を表す4つの線の端で終わり、酸素は2つの線で終わります。したがって、両方の原子の標準結合数が満たされます。
この図からのもう1つの微妙な洞察は、u結合が単一の電子対を表すため、1つのu結合と2つの従来の共有結合の組み合わせであるということです。炭素原子と酸素原子の間には合計6つの電子が含まれるため、2つの窒素原子間の6電子の三重結合と類似しているはずです。この小さな予測は正しいことがわかります。窒素と一酸化炭素分子は実際には電子配置の同族体であり、その結果の1つは、それらがほぼ同一の物理化学的特性を持っていることです。
以下にいくつかの例を示します。 u-bond表記がどのように陰イオン、貴ガス化合物、および奇妙な有機化合物を作ることができるかについては、少し不思議ではないように見えます：
コメント
- このような高い評価について批判的なコメントをしなければならないことを残念に思います答えますが、これは質問に対する答えではなく、共鳴構造の代替のグラフィカル表現についての寛容です。
- 2番目に@Eric 'のコメント。残念ながら、これは非常に投票数の多い回答であり、概念を促進するほど単純すぎます。特に更新後は、二酸化炭素の" u "表記はまったく意味がありません。これは非常に複雑な分子であり、いわゆる" u結合"は従来の結合と区別がつきません。
- @TerryBollinger 8を超える価電子を持つ原子の例は、遷移金属です。その他には、アクチニドとランタニドが含まれます。 '価電子が8個を超える原子を持つために4D宇宙は必要ありません。
- この答えが当初よりも悪化したとは、実際には信じられません。だった。 12の電子価電子の場合、その前提条件も含める必要があります。硫黄のd軌道に電子がある。これはかなりの回数反証されています。 （拡張オクテット、トリガーワードに名前を付けるための超原子価。）さらに、共鳴と同様に、そのように結合を説明する必要はありません。3c2e結合と3c4e結合の組み合わせも不要な松葉杖ですが、少なくともその'は完全に間違っているわけではありません。結合は共有結合とイオン結合の寄与を持つ可能性があります。
- 現在、すでに少なくとも3つの答えがあります。残念ながら、それらはあなたが提示するほど単純ではないため、あなたのように一見単純に書かれていません。暴かれた科学的神話を生かし続けるのは、まさにこのような答えです。それと戦う唯一の方法は、あなたに言うことです：あなたは間違っています。
