กฎ 18 อิเล็กตรอน

กฎ 18 อิเล็กตรอนทำนายว่าสารประกอบเชิงซ้อนออร์กาโนเมทัลลิกของโลหะทรานซิชันที่เสถียรมีแนวโน้มที่จะเติมเต็มเวเลนซ์เชลล์ด้วยอิเล็กตรอนสิบแปดตัว ซึ่งเป็นแนวทางอย่างรวดเร็วสำหรับสัดส่วนสารสัมพันธ์และปฏิกิริยาเคมี

Definition

กฎ 18 อิเล็กตรอนคือการสรุปเชิงประจักษ์ที่ว่าสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชันที่เสถียรทางเทอร์โมไดนามิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสารประกอบออร์กาโนเมทัลลิกที่มีวาเลนซ์ต่ำ มีแนวโน้มที่จะมีอิเล็กตรอนเวเลนซ์สิบแปดตัว ซึ่งสอดคล้องกับการเติมเต็มออร์บิทัลเวเลนซ์ s, p และ d

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการนับอิเล็กตรอนในสารประกอบเชิงซ้อนออร์กาโนเมทัลลิกและกฎ 18 อิเล็กตรอน: การนับอิเล็กตรอนสองแบบที่ใช้กันทั่วไป (แบบไอออนิกและแบบเป็นกลาง/โคเวเลนต์), จำนวนอิเล็กตรอนที่ลิแกนด์ทั่วไปให้, เหตุผลสำหรับอิเล็กตรอนสิบแปดตัวในแง่ของการเติมเต็มออร์บิทัลเวเลนซ์ทั้งเก้า, และข้อยกเว้นที่เป็นระบบ รวมถึงสารประกอบเชิงซ้อน d8 แบบสี่เหลี่ยมระนาบที่มี 16 อิเล็กตรอน และชนิดของโลหะทรานซิชันตอนต้น หัวข้อนี้ไม่ครอบคลุมการให้เหตุผลเชิงโมเลกุลออร์บิทัลโดยละเอียด ซึ่งจะกล่าวถึงภายใต้หัวข้อสมมาตรและพันธะเคมี

Core questions

• เหตุใดการเติมเต็มเวเลนซ์เชลล์ของโลหะด้วยอิเล็กตรอนสิบแปดตัวจึงทำให้เกิดความเสถียร?
• อิเล็กตรอนถูกนับอย่างไรภายใต้การนับแบบไอออนิกและการนับแบบเป็นกลาง?
• ลิแกนด์ทั่วไปให้อิเล็กตรอนกี่ตัว?
• กฎ 18 อิเล็กตรอนล้มเหลวเมื่อใดและเพราะเหตุใด?

Key concepts

• จำนวนอิเล็กตรอนเวเลนซ์
• การนับแบบไอออนิก
• การนับแบบเป็นกลาง (โคเวเลนต์)
• จำนวนอิเล็กตรอนที่ลิแกนด์ให้
• สารประกอบเชิงซ้อนสี่เหลี่ยมระนาบ 16 อิเล็กตรอน
• ความไม่อิ่มตัวเชิงโคออร์ดิเนชัน

Key theories

การเติมเต็มเวเลนซ์เชลล์และการนับอิเล็กตรอนสิบแปดตัว

โลหะทรานซิชันมีออร์บิทัลเวเลนซ์เก้าออร์บิทัล (หนึ่ง s, สาม p, ห้า d); การเติมเต็มทั้งหมดเก้าออร์บิทัลด้วยอิเล็กตรอนคู่จะให้สิบแปดอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นการจัดเรียงแบบเชลล์ปิดคล้ายก๊าซมีตระกูล ซึ่งมักจะสอดคล้องกับความเสถียรสูงสุดสำหรับสารประกอบเชิงซ้อนที่มีวาเลนซ์ต่ำ

หลักการนับอิเล็กตรอน

วิธีการบันทึกสองแบบที่เทียบเท่ากัน—วิธีไอออนิก ซึ่งกำหนดประจุให้กับลิแกนด์ และวิธีเป็นกลาง/โคเวเลนต์ ซึ่งนับอิเล็กตรอนของลิแกนด์ที่ให้—ให้ผลรวมเดียวกันและช่วยให้นักเคมีสามารถกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนของสารประกอบเชิงซ้อนใดๆ ได้

สารประกอบเชิงซ้อนสิบหกอิเล็กตรอนและข้อยกเว้น

สารประกอบเชิงซ้อน d8 แบบสี่เหลี่ยมระนาบ เช่น ของแพลทินัม(II) และแพลเลเดียม(II) มักจะมีสิบหกอิเล็กตรอน และสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชันตอนต้นและสารประกอบเชิงซ้อนขนาดใหญ่หลายชนิดมีอิเล็กตรอนน้อยกว่าสิบแปด ดังนั้นกฎนี้จึงเป็นแนวทางที่การละเมิดกฎนั้นให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์

Clinical relevance

การนับอิเล็กตรอนและกฎ 18 อิเล็กตรอนเป็นเครื่องมือที่ใช้ในชีวิตประจำวันสำหรับการทำนายว่าสารประกอบเชิงซ้อนออร์กาโนเมทัลลิกใดมีความเสถียรหรือว่องไวต่อปฏิกิริยา ซึ่งเป็นแนวทางในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาและการตีความสารมัธยันต์ของปฏิกิริยา

History

แนวคิดที่ว่าสารประกอบเชิงซ้อนมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากับก๊าซมีตระกูล หรือกฎเลขอะตอมยังผล (effective-atomic-number rule) ได้รับการอธิบายโดยแลงเมียร์และซิดจ์วิกในทศวรรษ 1920 เมื่อเคมีออร์กาโนเมทัลลิกพัฒนาขึ้น การนับอิเล็กตรอนนี้ได้ถูกปรับเปลี่ยนเป็นกฎ 18 อิเล็กตรอน และบทวิจารณ์ของทอลแมนในปี 1972 ได้เชื่อมโยงกฎนี้อย่างชัดเจนกับสารมัธยันต์ 16 และ 18 อิเล็กตรอนของการเร่งปฏิกิริยาแบบเอกพันธ์

Key figures

• Irving Langmuir
• Nevil Sidgwick
• Chadwick Tolman

Seminal works

• tolman1972
• crabtree2014
• weller2018

Frequently asked questions

เหตุใดจึงเป็นสิบแปดอิเล็กตรอน ไม่ใช่แปดอิเล็กตรอนเหมือนอะตอมของธาตุหมู่หลัก?

โลหะทรานซิชันมี d ออร์บิทัลห้าออร์บิทัล นอกเหนือจาก s ออร์บิทัลหนึ่งออร์บิทัลและ p ออร์บิทัลสามออร์บิทัลในเวเลนซ์เชลล์ ทำให้มีออร์บิทัลทั้งหมดเก้าออร์บิทัล การเติมเต็มทั้งเก้าออร์บิทัลด้วยอิเล็กตรอนคู่จะให้สิบแปดอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอะนาล็อกของกฎออกเต็ตของธาตุหมู่หลักสำหรับโลหะ

การละเมิดกฎ 18 อิเล็กตรอนหมายความว่าสารประกอบเชิงซ้อนไม่เสถียรหรือไม่?

ไม่จำเป็นเสมอไป สารประกอบเชิงซ้อนที่เสถียรหลายชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งชนิด d8 แบบสี่เหลี่ยมระนาบและสารประกอบของโลหะทรานซิชันตอนต้น มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าสิบแปดตัว กฎนี้ทำนายแนวโน้ม และความไม่อิ่มตัวเชิงโคออร์ดิเนชันมักจะจำเป็นสำหรับความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยา