3.2. Донорно-акцепторный механизм образования связи

Образование химической связи возможно и за счёт пары электронов, принадлежавших до образования связи одному из атомов:

Связь, образованную таким способом, часто называют донорно-акцепторной, но более правильно говорить о донорно-акцепторном механизме образования связи.

Тот же результат мы получили, рассматривая несколько иначе механизм образования связи. Первоначально атом А имеет пару электронов, а атом В – свободную орбиталь. Атом А отдаёт один электрон атому В, первый становится катионом с неспаренным электроном, а второй – анионом с неспаренным электроном. Далее эти частицы традиционным способом образуют полярную ковалентную связь:

 

 

В двух вариантах одинакова исходная позиция – у атома А пара электронов, у атома В свободная орбиталь, и одинаков результат – образование однократной связи. Следовательно, оба варианта рассмотрения механизма образования связи есть по существу одно и то же.

В качестве примеров, иллюстрирующих донорно-акцепторный механизм образования связи, рассмотрим молекулы СО и HNO₃. Характеристики связи в молекуле СО – энергия связи, межатомное расстояние, силовая постоянная – близки к характеристикам связи в молекуле N₂. Напрашивается вывод, что и связь в этих молекулах одинаковая, т. е. тройная.

Строение внешнего электронного слоя атомов С и О следующее:

 

По два неспаренных электрона, имеющихся у каждого из атомов, позволяют образовать двойную связь. Третья связь образуется по донорно-акцепторному механизму за счёт пары электронов 2р-оболочки атома кислорода и пустой оболочки атома углерода:

 

 

В другом варианте допускаем, что атом кислорода отдаёт один электрон атому углерода. При этом атом кислорода становится катионом с тремя неспаренными электронами, а атом углерода – анионом также с тремя неспаренными электронами. Обратим внимание, что указанные катион и анион являются электронными аналогами атома азота и образуют тройную связь:

 

 

Разумеется, подобное объяснение организации связи в молекуле СО трудно признать удачным, ведь приходится допускать, что более электроотрицательный атом передает электрон менее электроотрицательному. Ниже мы познакомимся с иным методом описания химической связи в молекуле СО, позволяющим объяснить тройную связь в этой молекуле без привлечения сомнительных допущений.

В молекуле азотной кислоты атом азота за счёт трёх неспаренных электронов образует три связи: двойную с атомом кислорода и однократную с другим атомом кислорода, входящим в состав группы ОН. Еще один атом кислорода может быть присоединен к атому азота за счёт донорно-акцепторного взаимодействия:

 

Предварительно в атоме кислорода следует “загнать” на одну орбиталь неспаренные электроны и освободить тем самым вторую орбиталь. Схематично образование связи может быть представлено следующим образом:

Тот же результат получаем, допуская, что атом азота отдал электрон атому кислорода, превратившись при этом в катион N⁺, обладающий четырьмя неспаренными электронами. Анион О^– имеет только один неспаренный электрон. Образование связи выглядит так:

Изображённые так называемые валентные схемы не совсем точно передают реальное распределение электронной плотности в молекуле азотной кислоты, ведь атомы кислорода неразличимы. Поэтому наряду с представленными валентными схемами необходимо привести и вторые:

Знак ↔ означает “одновременно существуют”. Таким образом, связь между азотом и кислородом в среднем полуторная:

Азот имеет в этой молекуле валентность четыре, а данная процедура носит название “наложение валентных схем”. Ниже она будет обсуждена более подробно.