Теория валентности

Под химической валентностью понимается свойство атомов одного элемента, соединяющегося с определённым числом атомов другого элемента. Первым успехом в области химических свойств атомов явилось объяснение гетерополярных химических соединений (теория Косселя). Согласно ей, численная величина валентности для гетерополярных молекул определяется числом электронов, которые атом отдает другому атому (+) или получает от него(-). При образовании молекулы электрон во внешних слоях перераспределяется, таким образом, что валентности атома насыщаются. Дальнейшим успехом квантовой теории является теория Гайтлера-Лондона. С её помощью удалось объяснить образование простейших гомеополярных молекул , что и было положено в основу современных представлениях о ковалентной связи. Согласно этой теории для образовании устойчивой молекулы необходимо, чтобы спины атомов были антипараллельны. В этом случае координатная часть ВФ молекулы является симметричной функцией. В точке плотность электрических зарядов электронов принимает максимальное значение, что приводит к взаимному сближению ядер из-за их притяжению к электронному облаку, находящемуся между ними. Таким образом можно сказать, что при образовании гомеополярной молекулы водорода имеет место взаимная компенсация спинов валентных электронов. Расчет молекулы водорода позволяет сделать вывод о том, что каждой валентности в химическом соединении отвечает пара электронов с антипараллельными спинами, связанные между собой обменным взаимодействием. Отсюда следует, что ответственность за химические свойства атомов неспаренные внешние электроны находятся в незаполненных оболочках. Валентность атома определяется числом таких неспаренных электронов. Причина образования гомеополярных химических соединений - эти электроны коллективны, т.е. не могут более считаться принадлежащими данному атому. Конфигурация незаполненных состояний видоизменяется так, что оно приближенно к заполненной структуре. Другими словами, электроны спариваются так, что спины всех электронов в молекуле стремятся взаимно компенсироваться. Устойчивые гомеополярные молекулы имеют тенденцию к спариванию всех электронов. У наиболее устойчивых молекул спины всех электронов спарены ( ).

Бор: Основное состояние: - нескомпенсировнными остаются лишь спин электрона. Следовательно валентность этого атома в основном состоянии равна единице. Однако возможно возбужденное состояние: – трёхвалентный.

Таким образом, просто объясняется наличие различных валентностей у элементов периодической системы.

Азот: - в основном состоянии трёхвалентный. Но он может быть и одновалентен, может быть и пятивалентен (удаление одного электрона с оболочки). Инертные газы, в принципе, не должны вступать ни в какие химические реакции , т.к. спины должны быть полностью скомпенсированы. Однако в 1962 году были открыты соединения, включающие инертный газ ксенон: . Появление гомеополярной валентности равной 2,4,6,8 у инертных газов обусловлена тем, что энергия связи молекул разрывает спин-спиновую связь электронов внешней оболочки. Ковалентное взаимодействие обладает двум важными свойствами:

1. Свойство насыщения

2. Свойство пространственной направленности.

Первое легко объяснить на невозможности образования молекулы . Действительно два электрона молекулы образовывает ковалентную связь в синглетном спиновом состоянии, также является спаренными электронами и потому присоединение третьего атома приводит к тому, что в этом случае невозможно скомпенсировать полный спин→ возникают силы отталкивания.

Второе можно понять на простейшем примере: атом азота в основном состоянии имеет конфигурацию . Четыре электрона, находящиеся в и оболочках попарно спарены и не участвуют в образовании химических связей. Оболочка имеет три разных координатных состояний: . Три электрона по одному в каждом из этих состояний являются валентными электронами. Угловое распределение этих электронов определяется квадратами модулей ВФ, нормированных на сфере

Можно убедиться, что в направлении z наблюдаемые максимальные вероятности пространственного распределения электронов в этих состояниях образуют между собой прямые углы. Естественно, направления химических связей, образованных этими электронами, также образуют прямые углы: так как при сближении атомов в этих направлениях ВФ перекрывается наиболее сильно. Опыт показывает, что молекула имеет пирамидальное строение:

При этом углы между направлениями образуют углы . Больше чем можно объяснить тем, что между существует отталкивание. В заключении отметим, что строгое разделение химических связей на гомеополярную и гетерополярную невозможно. Оба этих типа связи соответствуют 2 крайним случаям распределения электронной плотности в незаполненных слоях. В случае ассиметричного распределения плотности между атомами соответствуют гетерополярным молекулам (которые можно рассматривать как ионные образования). Случай крайней асимметрии распределения электронной плотности соответствует гомеополярной связи - дипольный момент равен нулю. Водород может обладать отрицательной ионной валентностью, если при образовании присоединяется ещё один электрон и дипольный момент будет отличен от нуля. Как видно из сказанного, квантовая теория даёт объяснение и образование химических связей и включает оба типа связей в единую схему.