Теория метода валентных связей

Метод разработан В. Гейтлером и Дж. Лондоном. Большой вклад в его развитие внесли также Дж. Слейтер и Л. Полинг.

Основные положения метода валентных связей:

1. Химическая связь образуется двумя валентными электронами различных атомов с антипараллельными спинами. При этом происходит перекрывание электронных облаков и между атомами возникает зона с повышенной электронной плотностью. Это приводит к уменьшению потенциальной энергии системы.

Основатели метода валентных связей Гейтлер и Лондон (1927г.) рассчитали потенциальную энергию системы, состоящей из двух атомов водорода (два протона и два электрона). Для расчета энергетического состояния электронов в молекуле водорода было использовано уравнение Шредингера для двух вариантов: а) спины электронов сближающихся атомов антипараллельны, ↑ ↓; б) спины электронов сближающихся атомов параллельны, ↑ ↑ (рис. 3.1).

Проведенный расчет показал, что:

а) при сближении двух атомов водорода с антипараллельными спинами (кривая 1) на расстояние d₀ система имеет минимальную энергию; cледовательно, в этом случае образуется устойчивая химическая связь с энергией Е_св. и длиной связи ℓ: ℓ = 0, 074 нм < 2а₀ = 0, 106 нм (а₀ – радиус атома водорода);

б) если спины электронов паралельны (↑ ↑ ), энергия системы при любом расстоянии между сближающимися атомами больше, чем сумма энергий двух отдельных атомов (кривая 2) и образование химической связи невозможно.

2. В пространстве связь располагается по направлению, в котором возможность перекрывания электронных облаков наибольшая. Из нескольких связей, образуемых данным атомом, наиболее прочной будет та связь, у которой перекрывание атомных орбиталей наибольшее.

3. Количество электронов, отдаваемых атомом на образование связи, определяет его валентность.

Ковалентная связь

Химическая связь между атомами, осуществляемая обобществленными электронами, называется ковалентной. Ковалентная связь (означает – «совместно действующая») возникает за счет образования общих электронных пар между атомами в молекуле.

Идея об образовании химической связи с помощью пары электронов, принадлежащих обоим соединяющимся атомам, была высказана в 1916г американским физико – химиком Дж. Льюисом.

Ковалентная связь существует между атомами как в молекулах, так и в кристаллах. Она возникает как между одинаковыми атомами (например, в молекулах Н₂, Cl₂, О₂, в кристалле алмаза), так и между разными атомами (например, в молекулах Н₂О и NН₃, в кристаллах SiC). Почти все связи в молекулах органических соединений являются ковалентными (С-С, С-Н, С-N, и др.).

Различают два механизма образования ковалентной связи:

1) обменный;

2) донорно-акцепторный.

Обменный механизм образования ковалентной связи заключается в том, что каждый из соединяющихся атомов предоставляет на образование общей электронной пары (связи) по одному неспаренному электрону. Электроны взаимодействующих атомов должны при этом иметь противоположные спины (↓ ↑ ).

Рассмотрим для примера образование ковалентной связи в молекуле водорода. При сближении атомов водорода происходит проникновение их электронных облаков друг в друга, которое называется перекрыванием электронных облаков (рис. 3.2), электронная плотность между ядрами возрастает. Ядра притягиваются друг к другу. Вследствие этого снижается энергия системы. При очень сильном сближении атомов возрастает отталкивание ядер. Поэтому имеется оптимальное расстояние между ядрами (длина связи ℓ ), при котором система имеет минимальную энергию. При таком состоянии выделяется энергия, называемая энергией связи Е_св.

Н Н Н₂

 

Рис. 3.2. Схема перекрывания электронных облаков при образовании молекулы водорода

Схематично образование молекулы водорода из атомов можно представить следующим образом (точка означает электрон, черта – пару электронов):

Н ∙ + ∙ Н→ Н: Н или Н ∙ + ∙ Н→ Н – Н.

В общем виде для молекул АВ других веществ:

А ∙ + ∙ В = А: В.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи заключается в том, что одна частица – донор – представляет на образование связи электронную пару, а вторая – акцептор – свободную орбиталь:

А: +  В = А: В.

донор акцептор

Рассмотрим механизмы образования химических связей в молекуле аммиака NH₃ и ионе аммония NH₄⁺.

1. Образование NH₃.

Атом азота имеет на внешнем энергетическом уровне два спаренных и три неспаренных электрона:

 

Атом водорода на s – подуровне имеет один неспаренный электрон.

 

 

В молекуле аммиака неспаренные 2р – электроны атома азота образуют три электронные пары с электронами 3-х атомов водорода:

.

В молекуле NH₃ образованы 3 ковалентных связи по обменному механизму.

2. Образование комплексного иона – иона аммония.

NH₃ + HCl = NH₄Cl или NH₃ + H⁺ = NH₄⁺

У атома азота остается неподелённая пара электронов , т. е. два электрона с антипараллельными спинами на одной атомной орбитали. Атомная орбиталь иона водорода не содержит электронов (вакантная орбиталь). При сближении молекулы аммиака и иона водорода происходит взаимодействие неподеленной пары электронов атома азота и вакантной орбитали иона водорода. Неподеленная пара электронов становится общей для атомов азота и водорода, возникает химическая связь по донорно – акцепторному механизму. Атом азота молекулы аммиака является донором, а ион водорода – акцептором:

.

Следует отметить, что в ионе NH₄⁺ все четыре связи равноценны и неразличимы, следовательно, в ионе заряд делокализован (рассредоточен) по всему комплексу.

Рассмотренные примеры показывают, что способность атома образовывать ковалентные связи обусловливается не только одноэлектронными, но и 2-электронными облаками или наличием свободных орбиталей.

По донорно-акцепторному механизму образуются связи в комплексных соединениях: [BF₄]^-; [Cu(NH₃)₄]²⁺; [Zn(OH)₄]^2- и т. д.

Ковалентная связь обладает следующими свойствами:

- насыщаемость;

- направленность;

- полярность и поляризуемость.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: