Czy w niektórych przypadkach atomy mogą delokalizować się w wielu strukturach o jednakowym prawdopodobieństwie wiązania?

Jeśli w ogóle się to zdarza, jest to niezwykle rzadkie. Podczas mojej 10-letniej pracy w chemii ani razu nie znalazłem przypadku, w którym mogłoby to mieć znaczenie. Jednak to, co wpływa i faktycznie wpływa na chemię, to odwracalne przegrupowania.

Najprostszym przypadkiem jest obrót cząsteczek wokół pojedynczych wiązań. Kolejnym jest inwersja azotu. Istnieją również bardziej złożone przypadki. Takie rzeczy czasami utrudniają interpretację NMR. NMR daje pik dla każdego nierównego jądra w cząsteczce. Kiedy zachodzi wewnętrzne przegrupowanie, czasami powoduje, że dwa atomy są `` równe '', tj. Zamienia miejsca zbyt szybko, aby NMR wychwyciło różnicę i zamiast tego wytworzył pojedynczy pik. Jest to jednak „quasi-delokalizacja”, ponieważ nie ma potrzeby uciekania się do delokalizacji w celu wyjaśnienia wspomnianych zjawisk.

Kolejnym często obserwowanym zjawiskiem kwantowym jest tunelowanie. Wpływa na nieznacznie efektywne szybkości reakcji / bariery i widma wibracyjne.

W każdym razie, długość fali de Brogliego dla protonu jest tysiąc razy mniejsza niż dla elektronów, więc efekty kwantowe w ruchu jądra są zwykle przyćmione efektami kwantowymi w ruchu elektronów.

Delokalizacja jest właściwością fali. Im mniej masy mają obiekty, tym bardziej zachowują się jak fale, a mniej jak cząsteczki. Elektrony są masowo 1837 razy lżejsze od protonów, więc charakter falowy jądra atomowego jest znacznie mniej wyraźny i zwykle nie ma znaczenia.

Przyjrzyj się trójśrodkowym wiązaniom dwuelektronowym (na przykład w diboranie) i trójśrodkowym wiązaniom czteroelektronowym (na przykład , w anionie biflorku $ [FHF] ^ - $): Wydaje się, że odnosi się to do tego, o czym mówisz w odniesieniu do grup OH.

Udowodniono jednak falowy charakter jąder, a nawet większych obiektów: patrz, na przykład, eksperymenty Arndta i in. z $ C_ {60} $: http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/nature/journal/v401/n6754/full/401680a0_fs.html&content_filetype=PDF

Gdyby to, co sugerujesz, było powszechne, trudno byłoby zdecydować, czym jest cząsteczka, ponieważ jej struktura może składać się z niezliczonych form. Tak więc krystalografia rentgenowska nie wytworzyłaby struktury, a widma NMR byłyby najprawdopodobniej niemożliwe do interpretacji. Ponieważ na ogół tak nie jest, nie może być wielu (prawdopodobnie żadnych?) Przykładów takich, które nie zawierają atomów H (lub D).

Zwykle rozważa się inwersję amoniaku jako tunelowanie atomów H, ale co z szybką inwersją (10 $ ^ {8} $ s $ ^ {- 1} $), na przykład korrannulenu w kształcie misy ( C $ _ {20} $ H $ _ {10} $ patrz niżej i strona Molecule-viewer.com, gdzie można znaleźć obracany obraz struktury 3D). Przypuszczalnie korrannulen nie przechodzi tunelem z jednej formy w kształcie misy do drugiej, ponieważ jej masa jest tak duża, ale przekracza górną część bariery inwersyjnej z powodu wzbudzenia energii cieplnej. Podobnie rotacja grup alkilowych w ich potencjale rotacyjnym jest aktywowana termicznie.

Ważne jest to, że zawsze istnieje konkurencja między tunelowaniem a przejazdem przez barierę. Wszystkie atomy mogą tunelować, lekkie łatwiej niż ciężkie, ale zwykle tunelowanie ciężkich atomów nie może konkurować z przekraczaniem barier termicznych i nie jest obserwowane.

Inne przykłady tunelowania to tautomery pokazane na stronie Wikipedii i dotyczą wodoru. Jeśli tautomeria występuje w fazie gazowej, to prawdopodobnie powinniśmy założyć, że jest to spowodowane tunelowaniem atomu H, ale w roztworze może to być inny atom H, który opuszcza i powraca. Innym przykładem jest wiązanie H, takie jak w strukturze DNA, gdzie atom H może przemieszczać się między dwoma innymi atomami (O..H..N i N..H..N) lub sugerowane przez @Zubo.