ВАЛЕНТНЫХ СВЯЗЕЙ МЕТОД

(метод валентных схем), метод приближенного решения электронного ур-ния Шрёдингера для многоэлектронных молекулярных систем. Основан на представлениях о двухцентровых хим. связях между атомами в молекуле, образуемых двумя электронами. Эти представления являются обобщением на многоатомные молекулы приближения Гайтлера - Лондона, позволившего впервые с помощью квантовомех. методов объяснить хим. связь в молекуле Н 2 .

Осн. физ. идея В. с. м. состоит в том, что волновая ф-ция молекулы выражается через волновые ф-ции составляющих ее атомов. Образование хим. связи рассматривается как результат спаривания спинов своб. электронов атомов. Тем самым В. с. м. дает обоснование одному из осн. положений теории валентности: нейтрального атома равна числу своб. электронов в его валентной оболочке. Каждому валентному штриху, соединяющему атомы А и В в структурной ф-ле молекулы, отвечает двухэлектронная ф-ция валентной связи Х АВ (1,2), к-рая представляется в виде произведения двух волновых ф-ций: пространственной Ф(1,2), симметричной относительно перестановки координат электронов, и спиновой (1,2), антисимметричной относительно такой перестановки и описывающей систему двух электронов с противоположными спинами; цифры 1 и 2 в этих обозначениях указывают пространств. координаты или спиновые переменные первого и второго электронов либо те и другие одновременно. Следовательно,

Для простейшей молекулы Н 2 ф-цию Ф(1,2) строят из 1s-орбиталей атомов Н, обозначаемых для разных ядер как и , а ф-цию (1,2) - из одноэлектронных спиновых ф-ций и (спин-функций), описывающих состояния электронов с противоположно направленными спинами:

Энергия молекулы , рассчитанная с такой двухэлектронной волновой ф-циеи Х(1,2), равна:

где Е H -энергия атома Н, -интеграл перекрывания орбиталей (dV- элемент объема в пространстве координат одного электрона), I и К-т. наз. кулоновский и обменный интегралы соответственно. Кулоновский интеграл учитывает вклад в энергию связи, обусловленный электростатич. взаимод. неискаженных электронных облаков атомов между собой и с ядром соседнего атома, обменный - вклад, обусловленный деформацией электронного облака при образовании связи и перемещением его в пространство между ядрами (> 90% энергии связи); см. также Молекулярные интегралы.

Для более сложных молекул многоэлектронную волновую ф-цию представляют в виде антисимметризированного в соответствии с принципом Паули произведения всех двухэлектронных ф-ций типа Х АВ (1,2) и ф-ций, описывающих состояние электронов внутр. оболочек, неподеленных электронных пар и неспаренных электронов, не занятых в двухцентровых связях. Отвечающее этой ф-ции распределение "валентных" штрихов, соединяющих атомы в молекуле, наз. валентной схемой. Такой подход наз. приближением идеального спаривания или приближением локализованных электронных пар. Электроны соотносят отдельным атомам и в соответствии с осн. идеей приближения Гайтлера - Лондона их состояния описывают атомными орбиталями. Согласно вариационному принципу (см. Вариационный метод), приближенную волновую ф-цию выбирают так, чтобы она давала миним. электронную энергию системы или, соответственно, наиб. значение энергии связи. Это условие, вообще говоря, достигается при наиб. перекрывании орбиталей, принадлежащих одной связи. Тем самым В. с. м. дает обоснование критерия макс. перекрывания орбиталей в теории направленных валентностей. Лучшему перекрыванию орбиталей, отвечающих данной валентной связи, способствует гибридизация атомных орбиталей, т. е. участие в связи не "чистых" s-, p-или d-орбиталей, а их линейных комбинаций, локализованных вдоль направлений хим. связей, образуемых данным атомом.

Внутриатомные вклады в энергию молекулы, аналогичные Е Н, обычно превышают энергию своб. атомов на величину, называемую энергией промотирования. Такое превышение обусловлено электронной перестройкой атома при переходе его в валентное состояние, т. е. в состояние, требуемое для образования хим. связей, а именно: переходом электронов на энергетически менее выгодные атомные орбитали (напр., с 2s на 2р) при распаривании электронов, переходом от наиб. выгодных орбиталей в своб. атоме к менее выгодным гибридным орбиталям. Образование хим. связи объясняется тем, что выигрыш в энергии связи компенсирует затраты энергии на промотирование атомов.

Дальнейшее уточнение описания молекулярных систем в рамках В. с. м. связано с использованием линейных комбинаций волновых ф-ций неск. валентных схем. Такой подход обычно и наз. методом валентных схем. Коэффициенты в линейной комбинации ф-ций, отвечающих в приближении идеального спаривания разл. валентным схемам, возможным для данной молекулы, определяют вариационным методом. К валентным схемам относятся все схемы ковалентных (т. наз. кекулевских) структур с максимально возможным числом валентных связей между соседними атомами, т. наз. дьюаровских структур с "длинными" связями, в к-рых формально спарены электроны, принадлежащие несоседним атомам, а также структур ионного типа, в к-рых формально перенесен от одного атома к другому. На этом основании В. с. м. нередко рассматривают как мат. обоснование теории резонанса. Один из простых способов построения всех валентных схем дается правилами Румера: каждой однократно занятой орбитали ставят в соответствие точку на нек-рой окружности, каждому спариванию электронов - стрелку, соединяющую две такие точки. Полученную диаграмму наз. диаграммой Румера. При построении полной волновой ф-ции молекулы учитывают все диаграммы Румера с непересекающимися стрелками. Диаграммы Румера дают удобный графич. метод вычисления матричных элементов гамильтониана на ф-циях валентных схем через кулоновские, обменные и др. интегралы. В полуэмпирич. вариантах В. с. м. кулоновские и обменные интегралы рассматривают как параметры, определяемые из спектроскопич. и термохим. данных, в неэмпирич. вариантах все точно рассчитывают (см. Полуэмпирические методы, Неэмпирические методы).

Последоват. увеличение числа базисных атомных орбиталей и включение в расчет все большего числа валентных схем и электронных конфигураций позволяют получать практически точное неэмпирич. решение ур-ния Шрёдингера.

Достоинства В. с. м.- наглядность качеств. описания молекул с локализованными связями, непосредств. аналогия между валентными схемами и структурными ф-лами, возможность объяснения многих эмпирич. аддитивных закономерностей в химии. Однако этому методу часто предпочитают более простые по своей структуре молекулярных орбиталей методы.

Лит.: Пикок Т., .Электронные свойства ароматических и гетероциклических молекул, пер. с англ., М., 1969; Мак-Вини Р., Сатклиф Б., Квантовая механика молекул, пер. с англ., М., 1971 А. А. Багатурьянц.

Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

В основе метода валентных связей (ВС) лежат сле­ду­ю­щие по­ло­жения:

Электронное строение химических соединений рас­смат­ри­ва­ет­ся как совокупность отдельных двухцент­ро­вых двух­элек­т­рон­ных химических связей, лока­ли­зо­ванных между со­­сед­ни­ми ато­­мами;

Каждая индивидуальная химическая связь между двумя соседними атомами образуется в результате обобществления электронной па­ры с противополож­но направленными спинами. Такая общая элек­т­ронная пара может обра­зо­вы­ваться как в результате взаимо­дейс­т­вия двух атомов, каждый из которых ха­рак­теризуется наличием не­спаренного элек­т­рона на перекрывающихся ва­лент­ных орби­та­лях, (обменный ме­ха­­низм), так и за счет пары электронов од­но­го атома – донора - и сво­бодной орбитали другого атома – акцептора (до­нор­но-акцеп­тор­ный механизм);

В зависимости от симметрии распределения электронной плот­нос­ти общей электронной пары по отношению к линии химической свя­зи между взаи­мо­дейст­вующими атомами различают s , p и d связи. Поскольку между двумя ато­мами возможно образование не более од­ной s, двух p и од­ной d связи, то хи­мические связи могут быть: одно- (s), двух- (s+p), трех- (s+2p) и четы­рех­кратными (s+2p+d);

Так как энергия (Е) индивидуальной двухцентровой двухэлект­рон­ной хими­чес­­­кой свя­зи тем больше, чем больше перекрывание меж­ду атом­ны­ми ор­би­талями взаимодействующих атомов, то связь об­ра­зуется в направлении мак­си­мального перекрывания и характери­зу­ется направленностью в прост­ран­ст­ве. В связи с разли­чи­ем в эф­фек­тивности перекрывания атомных ор­би­­та­лей: Е(s) > E(p) > E(d);

Количественная мера способности атома химического элемента к обра­зо­ва­нию химических связей – валентность - оп­ре­деляется чис­лом двухэлект­рон­ных двухцентровых химических свя­зей, об­ра­зу­емых атомом химического эле­мента со своими партнерами в хи­ми­ческом соединении. Учитывая об­мен­ный и донорно-акцептор­ный механизмы образования химических связей, валентность ато­ма в химическом соединении приравнивается числу его ис­пользо­ван­ных в связывании ва­лентных орби­та­лей независимо от их за­се­лен­ности элек­т­ронами. Максимально возможная валентность ато­ма хими­чес­ко­го элемента не может превышать число его ва­лен­т­ных орбиталей, что опре­де­ляет насыщаемость ковалентных хи­ми­чес­ких связей.

Пример 1. Описать электронное строение и обосновать немо­но­тон­ный ха­рак­тер измене­ния энергии связи (кДж/моль) в молекулах галогенов: F 2 (159) < Cl 2 (243) > Br 2 (199) > I 2 (151) > At 2 (117).

Решение. Взаимодействие двух атомов F 2s 2 2p 5 , каждый из ко­то­рых ха­рак­те­ризуется на­личием одного неспаренного электрона на валентных 2р орби­та­­лях, определяет образование по обменному ме­ха­низму одинарной хими­чес­кой связи s типа в молекуле F 2:

Для атомов Cl, Br, I и At валентными орбиталями являются не толь­ко ns 2 np 5 , но и свободные nd орбитали. Это определяет наличие в мо­ле­ку­лах этих гало­ге­нов, наряду с химической связью s типа на ос­но­ве обменного механизма, до­пол­нительной связи p типа по донорно-ак­цеп­торному механизму за счет непо­де­ленной электронной пары од­но­го атома и свободной 3d орбитали другого:

Наличие дополнительного p связывания определяет закономерное уве­­личение крат­ности[†] и энергии связи при переходе от молекулы F 2 к Cl 2 . Дальнейшее уменьшение энергии связи в ряду Cl 2 ®Br 2 ®I 2 ®At 2 свя­зано с уменьшением эффективности перекрывания валент­ных ор­би­талей взаимодействующих ато­мов галогенов в результате увели­че­ния размера валентных орбиталей.

Пример 2. Описать электронное строение и определить валентность фосфора в его соединениях со фтором: PF 3 , PF 5 и - . Какие из приведенных соеди­не­ний может образовывать азот?

Решение. Основное состояние P 3s 2 3p 3 3d 0 характеризуется нали­чи­ем элект­рон­ной пары, трех неспаренных электронов и пяти свобод­ных валентных орби­та­лей. Взаимодействие трех атомов фтора, каж­дый из которых имеет один не­с­па­ренный электрон F 2s 2 2p 5 , с тремя не­спаренными электронами атома фосфора в основном состоянии оп­ре­деляет образование по обмен­но­му механизму трех s связей в сое­ди­нении PF 3:

В возбужденном состоянии атом фосфора Р* 3s 1 3p 3 3d 1 характери­зу­ется на­ли­чием пяти неспаренных электронов на валентных орбита­лях и, как следствие этого, может участвовать в образовании пяти s связей по обменному меха­низ­му при взаимодействии с пятью ато­ма­ми фтора в соединении PF 5:

Следует отметить, что относительно небольшой энергетический зазор между ва­лентными 3s, 3p и 3d орбиталями приводит к небольшим энер­гетическим за­тратам на возбуждение атома, которые с избытком окупаются при образовании дополнительных химических связей.

Образование иона - происходит в результате донорно-акцеп­тор­ного вза­и­модействия иона F - 2s 2 2p 6 , предоставляющего электрон­ную пару, и PF 5 , харак­те­ризующегося наличием свободной d орбита­ли у атома фосфора:

В соответствии с числом двухэлектронных химических связей, об­ра­зуемых атомом фосфора с партнерами, валентность фосфора в сое­ди­не­ниях PF 3 , PF 5 и - соответственно составляет 3, 5 и 6.

В отличие от атома фосфора, валентные возможности эле­мен­та вто­рого пе­ри­ода азота N 2s 2 2p 3 ограничены возможностью обра­зо­ва­ния не более четырех хи­мических связей с участием четырех валент­ных орбиталей – трех по об­мен­но­му ме­ха­низ­му за счет трех неспа­рен­ных электронов на 2р валентных орби­та­лях и одной по донорно-акцепторному механизму за счет электронной пары на 2s орбиталях. Это определяет существование для азота только соединения NF 3 .

При взаимодействии атомов разных химических элементов обоб­щен­ная электронная пара смещена к более электроотрицательному ато­му, что приводит к появ­ле­нию на атомах равных по величине (q) избыточного отрицательно­го и по­ложительного заряда. Количест­вен­ной характеристикой поляр­нос­ти такой хи­ми­ческой связи является ве­­личина дипольного момен­та (m) – произведения абсолютного зна­че­ния избыточного заряда q на расстояние l между центрами положи­тель­ного и отрицательного за­рядов в диполе (длину диполя): m = q×l[‡][КБ1] .

Пример 3. Определить эффективные заряды на атомах фтора и во­до­рода в мо­лекуле HF, если величина дипольного момента и длины связи H-F сос­тав­ля­ют 1.91 D и 92 пм.

Решение. Эффективный заряд атомов водорода и фтора, обра­зую­щих кова­лент­ную полярную связь, можно рассчитать как долю от за­ря­да электрона, поль­зуясь соотношением:

q = m эксп /m ион,

где q – величина эффективного заряда атомов Н и F; m ион – значение диполь­но­го момента молекулы, рассчитанное при допущении, что HF состоит из ионов H + и F - с зарядами равными заряду электрона e = 1.602×10 -19 Кл; m эксп – экспери­мен­таль­ное значение дипольного мо­мен­та молеку­лы HF.

q = e×l/m эксп = (1.91×3.34×10 -30)/ 1.602×10 -19 ×9.2×10 -11 = 0.43.

Таким образом, эффективные заряды в молекуле: H +0.43 F -0.43 , что ука­зы­вает на ионно-ковалентный характер химической связи – 43% ион­нос­ти и 57% кова­лент­ности.

Поскольку дипольный мо­мент химической связи является вели­чи­ной век­тор­ной, направлен­ной от положительного к отрицательному концу диполя, то ди­поль­­ный мо­мент химического соединения опре­де­ляется век­торной сум­мой ди­поль­ных моментов отдельных хими­чес­ких свя­зей и зависит не только поляр­нос­ти каждой связи, но и от пространст­вен­ного распо­ло­жения связей в сое­ди­не­нии. Так, несмотря на полярность индивидуальных связей А d + -В d - , при сим­­мет­ричном геометрическом строении молекул AB n:

векторная сумма дипольных моментов связей равна 0, что приводит к непо­ляр­ности соединений.

На величину дипольного момента и полярность многоатом­ных мо­ле­­кул ока­зы­вает влияние также наличие неподеленных электронных пар в электронной структуре молекулы.

Пример 4. Обосновать различие в дипольных моментах и поляр­нос­ти изо­струк­тур­ных тригонально-пирамидальных молекул: NH 3 (1.5 D) и NF 3 (0.2 D).

Решение. В молекулах NH 3 и NF 3 атом азота участвует в образо­ва­нии трех s свя­зей с партнерами и характеризуются наличием неподе­ленной пары элект­ро­нов. С учетом различия в электротрицательности атомов азота по сравнению с водородом c(N) > c(H) и фтором c(N) < c(F), дипольные моменты связей N-H на­правлены в сторону азота, а дипольные моменты связей N-F – в сторону фтора:

Поскольку направление векторной суммы дипольных моментов свя­зей N-H для NH 3 совпадает с направлением неподеленной элект­рон­­ной пары, локали­зо­ван­ной на ато­ме азота, то происходит усиле­ние ди­польного момента и поляр­нос­­ти аммиака. В молекуле же NF 3 на­п­рав­ление век­торной суммы ди­поль­ных моментов связей N-F пря­мо про­ти­во­по­лож­но направлению электронной пары, что и опреде­ля­ет умень­шение дипольного момента и полярности NF 3 .

Для обоснования энергетической эквивалентности и симмет­рич­ной прост­ран­ственной ориентации двухцентровых двухэлектрон­ных химических связей, об­разуемых в результате перекрывания раз­ных (s, p, d) валентных орбиталей центрального атома с орбиталями лиган­дов, используется концепция гибри­ди­за­ции валентных атомных ор­би­­талей , основанной на следующих положениях:

В образовании химических связей s типа центрального атома с ли­ган­дами мо­гут принимать участие не исходные атомные орбитали (s, p, d), раз­ли­ча­ю­щи­еся по энергии и форме, а эквивалентные гиб­рид­ные орбитали, форма ко­то­рых обеспечивает наиболее эффек­тив­ное перекрывание с орбиталями ли­ган­дов;

Поскольку на гибридизацию атомных орбиталей центрального ато­ма необ­хо­ди­мы затраты энергии, которые компенсируются за счет образования более прочных химических связей, то эффективность гибридизации уменьшается с ростом энергетического зазора между исходными атомными орбиталями и увеличения их размера. В ре­зультате этого, как по периоду (увеличение энер­гетического зазора между ns, np и nd валент­ны­ми орбиталями), так и по группе (уве­ли­чение размера валентных орбиталей) эффективность гибриди­за­ции орбиталей атомов химических элементов уменьшается;

Число гибридных орбиталей определяется числом исходных атом­ных орби­та­лей, участвовавших в гибридизации: s + p = 2sp, s + 2p = 3sp 2 , s + 3p = 4sp 3 , s + 2p + d = 4sp 2 d, s + 3p + d = 5sp 3 d, s + 3p + 2d = 6sp 3 d 2 ;

Для соединений непереходных элементов тип гибридизации атом­ных орби­та­лей центрального атома, простран­ст­вен­ное располо­же­ние гибридных ор­би­талей и, следо­ва­тель­но, стереохимическое стро­е­ние соединений в основ­ном опре­де­­ля­ет­ся минимальной энер­ги­ей отталкивания электронных пар, обес­­­­пе­чи­вающих образование s связей центрального атома с ли­ган­дами, а также непо­де­лен­ных валентных пар центрального атома (модель локали­зо­ван­ных элект­ронных пар). Поскольку электронная пара хими­чес­кой s связи за­ни­мает меньший объем, чем неподеленная электрон­ная пара (n), то от­тал­ки­вание между электронными парами увели­чи­вается в ряду: s-s < s-n < n-n.

Пример 5. Описать электронное строение, определить геометри­чес­­кую фор­му и кратность связи в следующих соединениях: а) H 2 O, б) CO 2 , в) SO 2 , г) NO 3 - ; д) BrF 4 - , е) PCl 5 , ж) SF 6 .

Решение. С учетом концепции гибридизации при анализе элек­т­рон­ного стро­ения, геометрической формы и кратности связи в со­е­динениях не­пе­ре­ход­­­ных элементов рекомендуется придержи­вать­ся такой последова­тель­нос­ти:

1. Написать электронные формулы центрального атома и лиган­дов в основ­ном состоянии и на основании электронного строения ли­гандов опреде­лить число s и p связей в соеди­не­нии:

а) H 2 O - O 2s 2 2p 4 , 2H 1s 1 с 2 неспа­рен­ными электронами обра­зу­ют 2s свя­зи с атомом О по обмен­но­му механизму;

б) СО 2 - С 2s 2 2p 2 , 2О 2s 2 2p 4 с 4 неспарен­ными электрона­ми об­ра­зу­ют 2s и 2p связи с атомом С по обменному ме­ханиз­му;

в) SО 2 - S 3s 2 3p 4 3d 0 , 2О 2s 2 2p 4 с 4 неспарен­ны­ми элект­ро­на­ми об­разуют 2s и 2p свя­зи с атомом S по об­мен­ному ме­ха­низ­му;

г) NO 3 - - N 2s 2 2p 3 , 2О 2s 2 2p 4 и О - 2s 2 2p 5 характери­зу­ются 5 не­спа­ренными электронами и, следовательно, должны образовы­вать 5 двухэлектронных свя­зей с центральным атомом азо­та. Од­на­ко, как и для атомов других хи­ми­ческих элементов 2 пе­ри­ода мак­си­мальное число двухэлектронных свя­зей (макси­мальная ва­лент­ность) для азота не может превышать 4. Это оп­­ре­деляет не­об­­ходимость уменьшения числа неспаренных элект­ро­нов на ли­ган­дах в результате перераспределения числа элект­ронов меж­ду лиган­да­ми и атомом азота: NO 3 - - N + 2s 2 2p 2 , О 2s 2 2p 4 и 2О - 2s 2 2p 5 – такая сис­те­ма характеризуется 4 неспаренными электронами на лигандах, которые мо­гут участ­во­вать в образовании 3s и 1p свя­зи с катионом N + по обмен­но­му ме­ханиз­му;

д) BrF 4 - - Br 4s 2 4p 5 4d 0 , 3F 2s 2 2p 5 с 3 неспаренными элек­т­ро­нами и F - 2s 2 2p 6 образуют 4s связи с атомом Br: 3 по об­мен­ному и 1 по донорно-акцеп­тор­но­му механизму;

е) PCl 5 - P 3s 2 3p 3 3d 0 , 5Cl 3s 2 3p 5 c 5 неспаренными элек­т­ро­нами об­разуют 5s связей с атомом Р по обменному меха­низ­му;

ж) SF 6 – S 3s 2 3p 4 3d 0 , 6F 2s 2 5p 5 c 6 неспаренными элек­т­ро­на­ми об­разуют 6s связей с атомом S по обменному меха­низ­му.

2. Для образования требуемого числа s и p свя­­зей по обменному механизму при необходимости перевести центральный атом в воз­­бужденное сос­то­я­ние и уравнять число неспаренных элект­ро­нов центрального атома и ли­ган­дов:

а) H 2 O - центральный атом О 2s 2 2p 4 и лиганды 2Н 1s 1 содержат одина­ко­вое число неспаренных электронов;

б) СО 2 – 4 неспаренных электрона лигандов 2О 2s 2 2p 4 опреде­ля­ют необ­хо­димость возбуждения атома углерода С* 2s 1 2p 3 ;

в) SО 2 - 4 неспаренных электрона лигандов 2О 2s 2 2p 4 опреде­ля­ют необхо­ди­мость возбуждения атома серы S* 3s 2 3p 3 3d 1 ;

г) NO 3 - - 4 неспаренных электрона лигандов О 2s 2 2p 4 и 2О - 2s 2 2p 5 опреде­ля­ют необходимость возбуждения катиона N +* 2s 1 2p 3 ;

д) BrF 4 - - 3 неспаренных электрона лигандов 3F 2s 2 2p 5 опреде­ля­ют необ­хо­димость возбуждения атома Br * 4s 2 4p 4 4d 1 ;

е) PCl 5 – 5 неспаренных электрона лигандов 5Cl 3s 2 3p 5 опреде­ля­ют необ­хо­димость возбуждения атома P * 3s 1 3p 3 3d 1 ;

ж) SF 6 – 6 неспаренных электрона лигандов 6F 2s 2 2p 5 опреде­ля­ют необ­хо­ди­мость возбуждения атома S * 3s 1 3p 3 3d 2 .

3. На основании суммы числа s связей центрального атома с ли­ган­­да­ми и чис­ла неподеленных электронных пар на валентных ор­­биталях цент­раль­ного атома определить число гибридных ор­биталей, а на основании при­ро­ды орбиталей центрального ато­ма, участвующих в образовании s свя­зей и содержащих неподе­лен­ные пары - тип гибридизации:

а) H 2 O – О образует 2s связи с ато­ма­ми Н и со­держит 2 неподе­лен­ные пары – всего 4 гибрид­ные орбитали, об­разующиеся из s и трех p орби­та­лей, sp 3 гиб­ридизация;

б) СО 2 – С* в возбужденном состоянии об­разует 2s связи с ато­ма­­ми О и не содержит неподе­лен­ных пар – все­го 2 гибридные, об­­разующиеся из s и одной p орби­та­лей, sp гибридизация;

в) SО 2 – S* в возбужденном состоянии об­ра­зует 2s связи с ато­ма­ми O и со­держит одну неподе­лен­­ную элект­рон­ную пару – все­го 3 гибридных ор­би­тали, обра­зу­ющиеся из s и двух p орбита­лей, sp 2 гиб­ридизация;

г) NO 3 - - катион N + в возбужденном состоянии об­ра­зует 3s связи с одним ато­мом и двумя ионами кислорода, не­по­деленных элек­т­ронных пар нет – все­го 3 гибридные орбитали, обра­зу­ющиеся из s и двух p орбиталей, sp 2 гиб­ри­дизация;

д) BrF 4 - - Br* в возбужденном состоянии об­ра­зует 3s свя­­зи с ато­­­ма­ми F по обменному механизму и 1s свя­зь с ио­ном F - по до­нор­но-акцепторному механизму, содержит 2 не­по­деленные элек­т­рон­ные пары – всего 6 гиб­рид­ных орбиталей, образую­щих­ся из s, трех p и двух d орбиталей, sp 3 d 2 гиб­­ри­дизация;

е) PCl 5 – Р* в возбужденном состоянии об­ра­зует 5s свя­­зей с ато­ма­ми Cl и не содержит неподеленных электрон­ных пар – все­го 5 гибридных орби­та­лей, образующихся из s, трех p и одной d ор­би­талей, sp 3 d гиб­ри­диза­ция;

ж) SF 6 – S* в возбужденном состоянии об­ра­зует 6s свя­­зей с ато­ма­ми F и не содержит неподеленных электрон­ных пар - всего 6 гибридных орби­та­лей, образующихся из s, трех p и двух d орби­та­лей, sp 3 d 2 гиб­ри­диза­ция;

4. С учетом энергетической эквивалентности и пространственной ориен­та­ции гибридных орбита­лей привести электронно-графи­чес­кие и структур­но-графические формулы соединений; с уче­том числа s и p связей цент­раль­ного атома с ли­ган­дами и дело­ка­лизации p связей, определить крат­ность связей (К):

К = 2 К = 1 1 / 3

Пример 6. Почему в ряду водородных соединений р-элементов VI группы H 2 Э валентные углы ÐНЭН уменьшаются: H 2 O (104.5 0) > H 2 S (92.2 0) > H 2 Se (91.0 0) > H 2 Te (90 0)?

Решение. Электронное строение молекул H 2 Э характеризуется на­ли­чием двух s связей Э-Н и двух неподеленных электронных пар, ло­ка­­лизованных на ато­мах р-элементов VI группы. Величина валент­но­го угла ÐНЭН определяется с од­ной стороны природой и пространст­вен­ной ори­ен­­тацией орбита­лей цент­раль­ного атома, принимающих учас­тие в о­б­ра­зо­вании s связей Э-Н, а с другой – эф­фек­том межэлек­т­ронного от­тал­кивания между неподеленными и s связыва­ю­щи­ми элек­т­ронными парами.

Наличие 2 s связей и 2 неподеленных электронных пар определяет возмож­ность участия в образовании s связей либо sp 3 гибридизован­ных валентных ор­би­талей центрального атома, характе­ри­зующихся тет­раэдрической пространст­вен­ной ориентацией с углом ÐНЭН = 109 0 , либо исходных атомных р орби­та­лей, расположенных под углом 90 0 . Поскольку с увеличением главного кван­то­во­го числа валентных орбиталей центрального атома размер орбиталей уве­ли­чи­вается, то эф­фективность их гибридизации уменьшается, что и приводит к умень­шение валентного угла ÐНЭН от близкого к тетраэдрическому 104.5 0 для H 2 O до 90 0 для H 2 Te. Несколько меньшее значение ва­лент­ного угла ÐНОН = 104.5 0 по сравнению с тетраэдрическим 109 0 обус­ловлено эффектом межэлект­рон­ного отталкивания двух неподе­лен­ных электронных пар на s связывающие элек­т­ронные пары.

Описание электронного строения комплексных соединений пере­ход­ных ме­тал­лов методом ВС характеризуется следующими особен­нос­тями:

Образование химических связей между центральным ионом ме­тал­ла комп­лек­сообразователем и лигандами происходит в результате до­нор­но-акцеп­тор­ного взаимодействия свободных гибридных ор­би­­талей иона металла (ак­цеп­тора) и заполненных парой элект­ро­нов орбиталей ли­гандов (доноров);

Тип гибридизации валентных орбиталей центрального иона метал­ла опреде­ля­ется числом s связей иона металла с лигандами (коор­ди­национным чис­лом) без уче­та неподеленных электронных пар на валентных орбиталях ме­тал­­ла;

В зависимости от характера валентных орбиталей иона металла, участ­вую­щих в гибридизации и образовании s связей с ли­гандами возможно образо­ва­ние двух типов комплексов – внеш­не­орбиталь­ных (высокоспиновых), ха­рак­теризующихся неизменным по срав­не­нию со свободным ионом металла рас­пределением электронов по d-орбиталям, и внутриорбитальных (низко­спи­новых) с изме­нен­ным распределением электронов по d-орбиталям в ре­зуль­тате участия части d-орбиталей в образовании донорно-акцепторной свя­­зи с лигандами.

Пример 7. Описать электронное строение, определить геометри­чес­кую форму и магнитные свойства следующих комплексных соедине­ний переходных ме­тал­лов: а) 2- и 2- , б) 3+ и 3+ .

Решение. При анализе элек­т­рон­ного строения, геометрической фор­мы и маг­нит­ных свойств комплексных соединений переходных ме­тал­лов придержи­вать­ся такой последова­тель­ности:

1. Определить заряд центрального иона металла и записать его элект­рон­но-гра­фи­ческую формулу:

2. Определить число s связей иона металла с лигандами и возможные типы гибридизации валентных орбиталей иона металла:

а) 2- и 2- - 4s связи, sp 3 и dsp 2 гибридиза­ция;

б) 3+ и 3+ - 6s связей, sp 3 d 2 и d 2 sp 2 гибридиза­ция.

3. На основании анализа природы иона металла и лигандов опреде­лить харак­тер комплекса – внешнеорбитальный (высокоспиновый) или внутриор­би­таль­ный (низкоспиновый) и реализуемый тип гиб­ри­дизации орбиталей иона металла:

А) 2- - Cl - является лигандом слабого поля и с 3d ионом Ni 2+ образует вы­сокоспиновый – внешне­ор­би­тальный комплекс с не­из­мен­ным по срав­не­нию со свободным ио­ном распре­де­лением элект­ро­нов по 3d орбиталям, что со­ответствует sp 3 гибри­ди­за­ции ор­би­та­лей Ni 2+ :

2- - CN - является лигандом сильного поля и с 3d ионом Ni 2+ образует низкоспиновый – внутри­ор­би­тальный комплекс, ха­рак­теризующийся в ре­зультате спаривания электронов на 3d орби­та­лях, наличием одной свободной 3d орбитали, что определяет dsp 2 тип гибридизации орбиталей Ni 2+ :

Б) 3+ - H 2 O является лигандом слабого поля и с 3d ионом Co 3+ об­ра­зу­ет высокоспиновый – внешнеорбитальный комплекс с не­изменным по срав­нению со свободным ио­ном распре­де­лением элект­ро­нов по 3d орби­та­лям, что соответствует sp 3 d 2 гибри­ди­за­ции ор­би­та­лей Co 3+ :

3+ - 5d ион Ir 3+ , независимо от силы поля лигандов, обра­зует низ­ко­спи­новые – внутриорбитальные комплексы, характери­зу­ю­­щиеся, в резуль­та­те спаривания электронов на 5d орби­та­лях, на­ли­чием двух свободных 5d ор­би­талей, что определяет d 2 sp 3 гибри­дизацию орбиталей Ir 3+ :

4. Показать образование донорно-акцепторных связей лигандов с ги­б­ри­дизо­ван­ными орбиталями иона металла, геометрическую фор­му комплекса и ука­зать его магнитные свойства:

парамагнитный,

диамагнитный;

парамагнитный;

Основные положения метода валентных связей

Лекция № 4. Основы теории химической связи. Метод валентных связей

Химическая связь - это взаимодействие ядер и электронов, приводящее к образованию устойчивой совокупности атомов - молекулярных частиц или атомных агрегатов . Движущей силой образования химической связи является стремление системы к минимуму энергии при достижении атомами завершенной электронной оболочки инœертного газа (s 2 или s 2 p 6). Учитывая зависимость отспособа приближения системы атомных частиц к устойчивому состоянию различают три типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. В теории химической связи обычно рассматривают также силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), являющиеся по своей сути физическим взаимодействием, и водородную связь, лежащую на границе физических и химических явлений.

С развитием квантово-механических представлений в теории химической связи сложились два метода описания ковалентной связи: метод валентных связей (метод ВС) и метод молекулярных орбиталей (метод МО).

Согласно методу ВС атомы, составляющие молекулу, сохраняют свою индивидуальность, а химические связи возникают в результате взаимодействия их валентных электронов и валентных орбиталей. Метод МО рассматривает молекулу как единое образование, в котором каждый электрон принадлежит молекулярной частице в целом и движется в поле всœех ее ядер и электронов. Методы ВС и МО, несмотря на существенные различия в подходах к описанию молекул, хорошо дополняют друг друга. Во многих случаях они приводят в конечном итоге к одинаковым результатам.

¨ Ковалентная связь реализуется за счет образования общей электронной пары.

¨ Общая электронная пара образуется при перекрывании электронных орбиталей взаимодействующих атомов.

Степень перекрывания и прочность связи зависит от энергетического и геометрического соответствия орбиталей. При прочих равных условиях прочность связи увеличивается с уменьшением разности энергии взаимодействующих орбиталей и увеличением плотности электронного облака:

1s - 1s > 1s - 2s > 1s - 3s 1s - 1s > 2s - 2s > 3s - 3s

Необходимым условием эффективного перекрывания орбиталей является надлежащая их ориентация в пространстве и совпадение математического знака волновой функции:

Эффективное перекрывание Нулевое перекрывание Неэффективное перекрывание

Выделяют два механизма образования общей электронной пары - обменный и донорно-акцепторный. При реализации обменного механизма каждый из взаимодействующих атомов предоставляет на образование общей электронной пары неспаренный электрон, занимающий валентную орбиталь:

При образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму один из атомов (D) выступает в качестве донора, предоставляя в общее пользование неподелœенную пару электронов, расположенную на одной из его валентных орбиталей. Второй атом - акцептор (А) - предоставляет на образование связи вакантную орбиталь, принимая на нее электронную пару партнера-донора:

По числу общих электронных пар, связывающих атомы, различают простые, двойные и тройные связи:

H 2 N: NH 2 или H 2 N-NH 2 HN:: NH или HN=NH N::: N или NºN

Известны немногочисленные примеры соединœений, содержащих четырехкратные связи металл-металл, к примеру,

По характеру перекрывания электронных орбиталей выделяют три типа ковалентной связи:

s-Связь ,при образовании которой перекрывание орбиталей происходит вдоль линии связи (линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов).

p-Связь ,при образовании которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, содержащей линию связи (боковое перекрывание).

d-Связь ,при образовании которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, перпендикулярной линии связи.

Физическими характеристиками химической связи и молекулярной частицы являются энергия связи, длина связи и валентный угол, а также полярность и поляризуемость. Энергия химической связи - это количество энергии, крайне важное для ее разрыва . Такое же количество энергии выделяется при образовании связи. Так энергия диссоциации молекулы водорода составляет 435 кДж/моль, соответственно, E H-H = 435 кДж/моль. Расстояние между ядрами химически связанных атомов принято называть длиной связи . Измеряется длина связи в нм (нанометр, 1×10 -9 м) или пм (пикометр, 1×10 -12 м). Угол между условными линиями, соединяющими ядра химически связанных атомов (линиями связи) , принято называть валентным . К примеру, молекула воды имеет угловую форму

с валентным углом НОН 104,5° и длиной связей О-Н 96 пм. Энергия, необходимая для полной диссоциации молекулы, ᴛ.ᴇ. для осуществления процесса H 2 O ® 2H + O, составляет 924 кДж/моль, средняя энергия связи О-Н равна 462 кДж/моль (924/2).

В том случае, когда ковалентная связь образуется атомами с одинаковой электроотрицательностью, общая электронная пара в равной мере принадлежит обоим партнерам. Такая связь принято называть ковалентной неполярной. В случае если же атомы, образующие связь, отличаются по электроотрицательности, общая электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью. Образующаяся связь принято называть ковалентной полярной. Вследствие несимметричного распределœения электронной плотности двухатомные молекулы с ковалентной полярной связью представляют собой диполи - электронейтральные частицы, центры тяжести положительного и отрицательного заряда в которых не совпадают . При написании формул полярность ковалентной связи передают несколькими способами:

Количественной характеристикой полярности связи является ее дипольный момент, точнее электрический момент диполя:

где q e - заряд электрона, l - длина связи.

Единицей измерения дипольного момента является Кл×м (SI) или внесистемная единица - Дебай (D = 3,34×10 -30 Кл×м). Дипольный момент молекулы определяется как векторная сумма дипольных моментов ее связей и неподелœенных электронных пар. Вследствие этого молекулярные частицы, имеющие одинаковую форму, но связи разной полярности, могут иметь различные дипольные моменты. К примеру:

m = 1,47 D m = 0,2 D

Важной характеристикой ковалентной связи, в значительной мере определяющей ее реакционную способность, является поляризуемость - способность связи изменять полярность (перераспределять электронную плотность) под действием внешнего электростатического поля, источником которого могут служить катализатор, реагент, растворитель и т.д. Наведенный диполь частицы связан с напряженностью внешнего поля (Е ) простым соотношением: m = aЕ . Коэффициент пропорциональности a является количественной характеристикой поляризуемости.

Ковалентная связь обладает двумя важнейшими свойствами - насыщаемостью и направленностью. Насыщаемость ковалентной связи состоит по сути в том, что атомы способны к образовании конечного числа ковалентных связей. Причиной насыщаемости ковалентной связи является ограниченное число валентных орбиталей атома, необходимых для образования связи как по обменному, так и по донорно-акцепторному механизму.

Количественно насыщаемость ковалентной связи характеризуется ковалентностью. Ковалентность (структурная валентность - v) равна числу ковалентных связей, образованных атомом как по обменному, так и по донорно-акцепторному механизму.

Зная число орбиталей на валентных электронных уровнях, можно рассчитать максимальную теоретически возможную валентность для элементов разных периодов. У атомов элементов первого периода на валентном (первом) уровне находится только одна орбиталь (1s), в связи с этим водород во всœех своих соединœениях одновалентен. Гелий, атом которого имеет полностью завершенный первый уровень, химических соединœений не образует.

У элементов второго периода валентным является второй энергетический уровень, содержащий четыре орбитали - 2s, 2p x , 2p y , 2p z . По этой причинœе максимальная ковалентность элементов второго периода равна четырем. К примеру, для азота:

v N = 3; v N = 4

Направленность ковалентной связи обусловлена стремлением атомов образовать связи в направлении наибольшего перекрывания орбиталей, что обеспечивает максимальный выигрыш энергии. Это приводит к тому, что молекулы, образованные с участием ковалентных связей, имеют строго определœенную форму. К примеру, образование связей сера - водород в молекуле сероводорода происходит за счет перекрывания электронных облаков 1s-орбиталей атомов водорода и двух 3p-орбиталей атома серы, расположенных под прямым углом друг к другу. Вследствие этого молекула сероводорода имеет угловую форму и валентный угол HSH, близкий к 90°.

Поскольку форму ряда молекул нельзя объяснить образованием ковалентных связей с участием стандартного набора атомных орбиталей, Л. Полинг разработал теорию гибридизации атомных орбиталей. Согласно этой теории процесс образования молекулярной частицы сопровождается выравниваем длины и энергии ковалентных связей за счет процесса гибридизации атомных орбиталей, который можно представить как смешивание волновых функций базисных атомных орбиталей с образованием нового набора эквивалентных орбиталей. Процесс гибридизации требует затраты энергии, но образование связей с участием гибридных орбиталей энергетически выгодно, так как обеспечивает более полное перекрывание электронных облаков и минимальное отталкивание образующихся общих электронных пар. Условием устойчивой гибридизации является близость исходных атомных орбиталей по энергии. При этом, чем меньше энергия электронного уровня, тем более устойчивой является гибридизация.

Наиболее простой является sp-гибридизация , которая реализуется при смешивании волновых функций s- и одной р-орбитали:

Образующиеся sp-гибридные орбитали ориентированы по одной оси в разные стороны, что обеспечивает минимальное отталкивание электронных пар, в связи с этим угол между связями, образованными с участием данных орбиталей составляет 180°.

Участие в гибридизации s- и двух p-орбиталей приводит к образованию трех гибридных орбиталей (sp 2 -гибридизация ), ориентированных от центра к вершинам правильного треугольника. Валентный угол между связями, образованными с участием гибридных орбиталей данного типа составляет 120°.

sp 3 -Гибридизация приводит к образованию набора из четырех энергетически равноценных орбиталей, ориентированных от центра к вершинам тетраэдра под углом 109,5° по отношению друг к другу:

Рассмотрим в качестве примера строение некоторых молекул, образованных с участием sp 3 -гибридных орбиталей.

Молекула метана - CH 4

Из энергетической диаграммы атома углерода следует, что имеющихся двух неспаренных электронов недостаточно для образования четырех ковалентных связей по обменному механизму, в связи с этим образование молекулы метана происходит с участием атома углерода в возбужденном состоянии.

Равноценность связей и тетраэдрическая геометрия молекулы метана указывает на образование связей с участием sp 3 -гибридных орбиталей центрального атома.

Молекула аммиака - NH 3

Атомные орбитали азота в молекуле аммиака находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Три орбитали задействованы в образовании связей азот - водород, а четвертая - содержит неподелœенную электронную пару, в связи с этим молекула имеет пирамидальную форму. Отталкивающее действие неподелœенной пары электронов приводит к уменьшению валентного угла от ожидаемого 109,5 до 107,3°.

Наличие у атома азота неподелœенной электронной пары позволяет ему образовать еще одну ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму. Таким образом происходит образование молекулярного катиона аммония - NH 4 + . Образование четвертой ковалентной связи приводит к выравниванию валентных углов (a = 109,5°) за счет равномерного отталкивания атомов водорода:

Симметричность катиона аммония, а также геометрическая и энергетическая равноценность связей азот-водород свидетельствует об эквивалентности ковалентных связей, образованных по обменному и донорно-акцепторному механизму.

Молекула воды - H 2 O

Образование молекулы воды происходит с участием sp 3 -гибридных орбиталей атома кислорода, две из которых заняты неподелœенными электронными парами и в связи с этим вклада в геометрию молекулы не вносят. Перекрывание одноэлектронных облаков двух гибридных орбиталей кислорода и 1s-орбиталей двух атомов водорода приводит к образованию уголковой молекулы. Отталкивающие действие двух неподелœенных пар электронов уменьшает валентный угол HOH до 104,5°.

Наличие двух неподелœенных пар электронов позволяет молекуле воды образовывать еще одну связь кислород - водород по донорно-акцепторному механизму, присоединяя катион водорода и образуя молекулярный катион гидроксония:

H 2 O + H + ® H 3 O +

Рассмотренные примеры иллюстрируют преимущества метода ВС, в первую очередь, его наглядность и простоту рассмотрения строения молекулы на качественном уровне. Присущи методу ВС и недостатки:

· Метод ВС не позволяет описать образование одноэлектронных связей, к примеру, в молекулярном катионе Н 2 + .

· Метод ВС не позволяет описать образование делокализованных многоцентровых связей. Для описания молекул с делокализованными связями в рамках метода ВС вынуждено прибегают к специальному приему - резонансу валентных схем . Согласно концепции резонанса строение молекул такого типа передается не одной формулой, а наложением нескольких валентных схем (формул). К примеру, строение молекулы азотной кислоты, содержащей делокализованную трехцентровую связь

в методе ВС передается наложением (резонансом) двух валентных схем:

· Метод валентных связей не всœегда адекватно отражает физические свойства молекул, в частности, их магнитное поведение. К примеру, согласно методу ВС, молекула кислорода должна быть диамагнитной, поскольку всœе электроны в ней спарены. Реально же молекула кислорода представляет собой бирадикал и является парамагнитной.

· Метод ВС не может объяснить спектры поглощения и окраску веществ, поскольку не рассматривает возбужденные состояния молекул.

· Математический аппарат метода валентных связей довольно сложен и громоздок.

Литература: с. 109 - 135; с. 104 - 118; с. 70 - 90

Лекция № 4. Основы теории химической связи. Метод валентных связей

Химическая связь - это взаимодействие ядер и электронов, приводящее к образованию устойчивой совокупности атомов - молекулярных частиц или атомных агрегатов . Движущей силой образования химической связи является стремление системы к минимуму энергии при достижении атомами завершенной электронной оболочки инертного газа (s 2 или s 2 p 6). В зависимости от способа приближения системы атомных частиц к устойчивому состоянию различают три типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую. В теории химической связи обычно рассматривают также силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), являющиеся по своей сути физическим взаимодействием, и водородную связь, лежащую на границе физических и химических явлений.

С развитием квантово-механических представлений в теории химической связи сложились два метода описания ковалентной связи: метод валентных связей (метод ВС) и метод молекулярных орбиталей (метод МО).

Согласно методу ВС атомы, составляющие молекулу, сохраняют свою индивидуальность, а химические связи возникают в результате взаимодействия их валентных электронов и валентных орбиталей. Метод МО рассматривает молекулу как единое образование, в котором каждый электрон принадлежит молекулярной частице в целом и движется в поле всех ее ядер и электронов. Методы ВС и МО, несмотря на существенные различия в подходах к описанию молекул, хорошо дополняют друг друга. Во многих случаях они приводят в конечном итоге к одинаковым результатам.

¨ Ковалентная связь реализуется за счет образования общей электронной пары.

¨ Общая электронная пара образуется при перекрывании электронных орбиталей взаимодействующих атомов.

Степень перекрывания и прочность связи зависит от энергетического и геометрического соответствия орбиталей. При прочих равных условиях прочность связи увеличивается с уменьшением разности энергии взаимодействующих орбиталей и увеличением плотности электронного облака:

1s - 1s > 1s - 2s > 1s - 3s 1s - 1s > 2s - 2s > 3s - 3s

Необходимым условием эффективного перекрывания орбиталей является надлежащая их ориентация в пространстве и совпадение математического знака волновой функции:

Эффективное перекрывание Нулевое перекрывание Неэффективное перекрывание

Выделяют два механизма образования общей электронной пары - обменный и донорно-акцепторный. При реализации обменного механизма каждый из взаимодействующих атомов предоставляет на образование общей электронной пары неспаренный электрон, занимающий валентную орбиталь:

При образовании ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму один из атомов (D) выступает в качестве донора, предоставляя в общее пользование неподеленную пару электронов, расположенную на одной из его валентных орбиталей. Второй атом - акцептор (А) - предоставляет на образование связи вакантную орбиталь, принимая на нее электронную пару партнера-донора:

По числу общих электронных пар, связывающих атомы, различают простые, двойные и тройные связи:

H 2 N: NH 2 или H 2 N-NH 2 HN:: NH или HN=NH N::: N или NºN

Известны немногочисленные примеры соединений, содержащих четырехкратные связи металл-металл, например,

По характеру перекрывания электронных орбиталей выделяют три типа ковалентной связи:

s-Связь ,при образовании которой перекрывание орбиталей происходит вдоль линии связи (линии, соединяющей ядра взаимодействующих атомов).

p-Связь ,при образовании которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, содержащей линию связи (боковое перекрывание).

d-Связь ,при образовании которой перекрывание орбиталей происходит в плоскости, перпендикулярной линии связи.

Физическими характеристиками химической связи и молекулярной частицы являются энергия связи, длина связи и валентный угол, а также полярность и поляризуемость. Энергия химической связи - это количество энергии, необходимое для ее разрыва . Такое же количество энергии выделяется при образовании связи. Так энергия диссоциации молекулы водорода составляет 435 кДж/моль, соответственно, E H-H = 435 кДж/моль. Расстояние между ядрами химически связанных атомов называется длиной связи . Измеряется длина связи в нм (нанометр, 1×10 -9 м) или пм (пикометр, 1×10 -12 м). Угол между условными линиями, соединяющими ядра химически связанных атомов (линиями связи) , называется валентным . Например, молекула воды имеет угловую форму

с валентным углом НОН 104,5° и длиной связей О-Н 96 пм. Энергия, необходимая для полной диссоциации молекулы, т.е. для осуществления процесса H 2 O ® 2H + O, составляет 924 кДж/моль, средняя энергия связи О-Н равна 462 кДж/моль (924/2).

В том случае, когда ковалентная связь образуется атомами с одинаковой электроотрицательностью, общая электронная пара в равной мере принадлежит обоим партнерам. Такая связь называется ковалентной неполярной. Если же атомы, образующие связь, отличаются по электроотрицательности, общая электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью. Образующаяся связь называется ковалентной полярной. Вследствие несимметричного распределения электронной плотности двухатомные молекулы с ковалентной полярной связью представляют собой диполи - электронейтральные частицы, центры тяжести положительного и отрицательного заряда в которых не совпадают . При написании формул полярность ковалентной связи передают несколькими способами:

Количественной характеристикой полярности связи является ее дипольный момент, точнее электрический момент диполя:

где q e - заряд электрона, l - длина связи.

Единицей измерения дипольного момента является Кл×м (SI) или внесистемная единица - Дебай (D = 3,34×10 -30 Кл×м). Дипольный момент молекулы определяется как векторная сумма дипольных моментов ее связей и неподеленных электронных пар. Вследствие этого молекулярные частицы, имеющие одинаковую форму, но связи разной полярности, могут иметь различные дипольные моменты. Например:

m = 1,47 D m = 0,2 D

Важной характеристикой ковалентной связи, в значительной мере определяющей ее реакционную способность, является поляризуемость - способность связи изменять полярность (перераспределять электронную плотность) под действием внешнего электростатического поля, источником которого могут служить катализатор, реагент, растворитель и т.д. Наведенный диполь частицы связан с напряженностью внешнего поля (Е ) простым соотношением: m = aЕ . Коэффициент пропорциональности a является количественной характеристикой поляризуемости.

Ковалентная связь обладает двумя важнейшими свойствами - насыщаемостью и направленностью. Насыщаемость ковалентной связи заключается в том, что атомы способны к образовании конечного числа ковалентных связей. Причиной насыщаемости ковалентной связи является ограниченное число валентных орбиталей атома, необходимых для образования связи как по обменному, так и по донорно-акцепторному механизму.

Количественно насыщаемость ковалентной связи характеризуется ковалентностью. Ковалентность (структурная валентность - v) равна числу ковалентных связей, образованных атомом как по обменному, так и по донорно-акцепторному механизму.

Зная число орбиталей на валентных электронных уровнях, можно рассчитать максимальную теоретически возможную валентность для элементов разных периодов. У атомов элементов первого периода на валентном (первом) уровне находится только одна орбиталь (1s), поэтому водород во всех своих соединениях одновалентен. Гелий, атом которого имеет полностью завершенный первый уровень, химических соединений не образует.

У элементов второго периода валентным является второй энергетический уровень, содержащий четыре орбитали - 2s, 2p x , 2p y , 2p z . По этой причине максимальная ковалентность элементов второго периода равна четырем. Например, для азота:

v N = 3; v N = 4

Направленность ковалентной связи обусловлена стремлением атомов образовать связи в направлении наибольшего перекрывания орбиталей, что обеспечивает максимальный выигрыш энергии. Это приводит к тому, что молекулы, образованные с участием ковалентных связей, имеют строго определенную форму. Например, образование связей сера - водород в молекуле сероводорода происходит за счет перекрывания электронных облаков 1s-орбиталей атомов водорода и двух 3p-орбиталей атома серы, расположенных под прямым углом друг к другу. Вследствие этого молекула сероводорода имеет угловую форму и валентный угол HSH, близкий к 90°.

Поскольку форму ряда молекул нельзя объяснить образованием ковалентных связей с участием стандартного набора атомных орбиталей, Л. Полинг разработал теорию гибридизации атомных орбиталей. Согласно этой теории процесс образования молекулярной частицы сопровождается выравниваем длины и энергии ковалентных связей за счет процесса гибридизации атомных орбиталей, который можно представить как смешивание волновых функций базисных атомных орбиталей с образованием нового набора эквивалентных орбиталей. Процесс гибридизации требует затраты энергии, но образование связей с участием гибридных орбиталей энергетически выгодно, так как обеспечивает более полное перекрывание электронных облаков и минимальное отталкивание образующихся общих электронных пар. Условием устойчивой гибридизации является близость исходных атомных орбиталей по энергии. При этом, чем меньше энергия электронного уровня, тем более устойчивой является гибридизация.

Наиболее простой является sp-гибридизация , которая реализуется при смешивании волновых функций s- и одной р-орбитали:

Образующиеся sp-гибридные орбитали ориентированы по одной оси в разные стороны, что обеспечивает минимальное отталкивание электронных пар, поэтому угол между связями, образованными с участием данных орбиталей составляет 180°.

Участие в гибридизации s- и двух p-орбиталей приводит к образованию трех гибридных орбиталей (sp 2 -гибридизация ), ориентированных от центра к вершинам правильного треугольника. Валентный угол между связями, образованными с участием гибридных орбиталей данного типа составляет 120°.

sp 3 -Гибридизация приводит к образованию набора из четырех энергетически равноценных орбиталей, ориентированных от центра к вершинам тетраэдра под углом 109,5° по отношению друг к другу:

Рассмотрим в качестве примера строение некоторых молекул, образованных с участием sp 3 -гибридных орбиталей.

Молекула метана - CH 4

Из энергетической диаграммы атома углерода следует, что имеющихся двух неспаренных электронов недостаточно для образования четырех ковалентных связей по обменному механизму, поэтому образование молекулы метана происходит с участием атома углерода в возбужденном состоянии.

Равноценность связей и тетраэдрическая геометрия молекулы метана указывает на образование связей с участием sp 3 -гибридных орбиталей центрального атома.

Молекула аммиака - NH 3

Атомные орбитали азота в молекуле аммиака находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Три орбитали задействованы в образовании связей азот - водород, а четвертая - содержит неподеленную электронную пару, поэтому молекула имеет пирамидальную форму. Отталкивающее действие неподеленной пары электронов приводит к уменьшению валентного угла от ожидаемого 109,5 до 107,3°.

Наличие у атома азота неподеленной электронной пары позволяет ему образовать еще одну ковалентную связь по донорно-акцепторному механизму. Таким образом происходит образование молекулярного катиона аммония - NH 4 + . Образование четвертой ковалентной связи приводит к выравниванию валентных углов (a = 109,5°) за счет равномерного отталкивания атомов водорода:

Симметричность катиона аммония, а также геометрическая и энергетическая равноценность связей азот-водород свидетельствует об эквивалентности ковалентных связей, образованных по обменному и донорно-акцепторному механизму.

Молекула воды - H 2 O

Образование молекулы воды происходит с участием sp 3 -гибридных орбиталей атома кислорода, две из которых заняты неподеленными электронными парами и поэтому вклада в геометрию молекулы не вносят. Перекрывание одноэлектронных облаков двух гибридных орбиталей кислорода и 1s-орбиталей двух атомов водорода приводит к образованию уголковой молекулы. Отталкивающие действие двух неподеленных пар электронов уменьшает валентный угол HOH до 104,5°.

Наличие двух неподеленных пар электронов позволяет молекуле воды образовывать еще одну связь кислород - водород по донорно-акцепторному механизму, присоединяя катион водорода и образуя молекулярный катион гидроксония:

H 2 O + H + ® H 3 O +

Рассмотренные примеры иллюстрируют преимущества метода ВС, в первую очередь, его наглядность и простоту рассмотрения строения молекулы на качественном уровне. Присущи методу ВС и недостатки:

· Метод ВС не позволяет описать образование одноэлектронных связей, например, в молекулярном катионе Н 2 + .

· Метод ВС не позволяет описать образование делокализованных многоцентровых связей. Для описания молекул с делокализованными связями в рамках метода ВС вынуждено прибегают к специальному приему - резонансу валентных схем . Согласно концепции резонанса строение молекул такого типа передается не одной формулой, а наложением нескольких валентных схем (формул). Например, строение молекулы азотной кислоты, содержащей делокализованную трехцентровую связь

в методе ВС передается наложением (резонансом) двух валентных схем:

· Метод валентных связей не всегда адекватно отражает физические свойства молекул, в частности, их магнитное поведение. Например, согласно методу ВС, молекула кислорода должна быть диамагнитной, поскольку все электроны в ней спарены. Реально же молекула кислорода представляет собой бирадикал и является парамагнитной.

· Метод ВС не может объяснить спектры поглощения и окраску веществ, поскольку не рассматривает возбужденные состояния молекул.

· Математический аппарат метода валентных связей довольно сложен и громоздок.

Литература: с. 109 - 135; с. 104 - 118; с. 70 - 90

Метод валентных связей считается одним из основополагающих принципов неорганической химии. Выявим его особенности, варианты применения.

Теоретические положения

Химической связью считают связь между атомами, сопровождаемую выделением тепловой энергии.

Давайте рассмотрим основные положения метода валентных связей.

Ковалентный вид создается с помощью двух электронов, имеющих противоположные по направлению спины.

Сформированная электронная пара является общей, она формируется в результате спаривания свободных электронов, которые принадлежат двум различным атомам, при этом образуется ковалентная связь.

Метод валентных связей объясняет также механизм связи, при котором у одного атома есть свободная электронная пара. Второй элемент имеет свободную атомную орбиталь, и он является акцептором.

Характеристика ковалентной связи

Какой прочностью обладает химическая связь? Метод валентных связей объясняет зависимость между прочностью ковалентной связи и степенью перекрывания взаимодействующих друг с другом электронных облаков. Образование данного вида связи происходит в том направлении, где наблюдается полное взаимодействие электронных облаков.

Метод валентных связей использует гибридизацию орбиталей основного химического элемента. Формирование связей зачастую происходит после изменения состояния валентных орбиталей.

Особенности образования

Неравноценные исходные атомные орбитали «смешиваются», образуя гибридные орбитали, которые имеют одинаковый запас энергии. Процесс гибридизации сопровождается вытягиванием облака по направлению к взаимодействующему электронному атому, что приводит к перекрыванию гибридного облака с обычным электроном соседнего атома.

Метод валентных связей характеризуется образованием прочной связи. Процесс сопровождается выделением энергии, компенсируемой затратами на процесс гибридизации.

Основные положения метода валентных связей, представленные выше в статье, в полной мере объясняют строение молекул, имеющих ковалентную связь. Она направлена в сторону наибольшего перекрывания орбиталей.

Валентные возможности

Метод валентных связей позволяет понимать, какими валентностями может обладать конкретный химический элемент. В невозбужденном состоянии валентные возможности ограничиваются числом неспаренных электронов, располагающихся на последнем энергетическом уровне. При нагревании наблюдается переход атома из нормального состояния в возбужденный вид. Процесс сопровождается увеличением числа неспаренных электронов.

Энергией возбуждения в химии называют ту величину, что необходима для полноценного перехода атома, обладающего низким запасом энергии, на более высокий вид. Под кратностью связи понимают количество электронных пар, которые обобществлены ближайшими атомами в результате образования ковалентной химической связи.

Ϭ и π связи являются приближенным описанием различных видов ковалентных связей в молекулах. Простая (Ϭ связь) образуется между гибридными облаками. Она характеризуется максимальным распределением плотности электронного облака вдоль оси, по которой соединены ядра атомов.

Сложная (π связь) предполагает боковое перекрывание негибридных электронных облаков. При ее формировании плотность электронного облака имеет максимальную величину по всем направлениям.

Характеристика процесса

Гибридизацией связи называют процесс смещения орбиталей различного вида в многоатомной молекуле, образование в итоге облаков, которые имеют одинаковые термодинамические характеристики.

Какое применение имеет метод валентных связей? Примеры органических и неорганических веществ свидетельствуют о его значимости для объяснения строения, а также характерных химических свойств соединений.

Виды гибридизации

В зависимости от того, какое количество неспаренных электронов смешивается между собой, выделяют несколько основных видов гибридизации.

Вариант sp-типа предполагает смешивание между собой одной s- и р-орбиталей. В результате процесса образуется две одинаковые гибридные орбитали, которые перекрываются между собой под углом 180 градусов. Таким образом, они направлены от ядра атома в разные стороны.

Sp2-гибридизация наблюдается при смешивании двух p-орбиталей с одной s. В итоге формируются три одинаковые гибридные орбитали, которые направлены к вершинам треугольника под одинаковым углом (его величина - 120 градусов).

При sp3-гибридизации смешиваются 3p- и одна s-орбитали. В результате процесса образуется четыре одинаковых гибридных облака, которые образуют тетраэдр. Валентный угол в данном случае составляет 109 градусов 28 минут.

Важные аспекты метода

Выделим несколько важных моментов, характеризующих метод валентных связей. Для образования ковалентной химической связи необходимы два электрона, имеющие противоположные по направлению спины. Например, если рассматривать вариант образования молекулы водорода, то он связан с перекрыванием отдельных электронных орбиталей у двух атомов, появлением между ними одной общей электронной пары.

При анализе ковалентной связи, образованной по донорно-акцепторному типу, приведем в качестве примера образование катиона аммония. Донором в данном случае выступает азот, который имеет собственную электронную пару, а акцептором служит протон водорода, содержащийся в кислотах. В образующемся катионе аммония три связи образованы за счет гибридных облаков, а одна формируется при перекрывании по донорно-акцепторному типу. Электронная плотность распределяется равномерно, поэтому все связи считаются ковалентными.

Заключение

В процессе образования связи между атомами неметаллов наблюдается перекрывание волновых функций электронов. Прочность связи при этом зависит от полноты взаимодействия электронных облаков. В нормальном состоянии валентность атома характеризуется количеством неспаренных электронов, принимающих участие в образовании общих электронных пар с иными атомами.

Для атома, находящегося в разогретом (возбужденном) состоянии, она связана с количеством свободных (неспаренных) электронов, а также с числом не занятых орбиталей.

Подводя общий итог, отметим, что метод валентных связей позволяет объяснять процесс образования молекул неорганических и органических веществ. В качестве меры валентных связей используют число химических связей, которыми он соединяется с другими элементами.

Валентными электронами принято считать только те, которые располагаются на внешнем уровне. Данное утверждение актуально для элементов главных подгрупп. Если рассматривать элементы, располагающиеся в периодической системе в побочной подгруппе, то валентность будет определяться электронами, располагающимися на предвнешних энергетических уровнях.

При рассмотрении любой молекулы можно, воспользовавшись методом валентных связей, составить электронную формулу, а также предположить химическую активность и свойства соединения. В зависимости от того, какое количество облаков участвует в процессе, образуется разное число гибридных орбиталей. Это приводит к появлению одинарных, двойных, тройных связей в молекулах неорганических и органических веществ.

Вот мы вкратце и рассмотрели метод валентных связей, его положения.