Метод валентной связи (вс).

Первую гипотезу о природе ковалентной связи выдвинул Льюис (1916). Он предположил, что связь между атомами образуется вследствие появления между ними общей пары электронов, для образования которых каждый атом выделяет по одному неспаренному электрону.

Предпосылки метода вс

а). В методе ВС постулируется, что при образовании молекулы электронная структура, индивидуальность каждого атома сохраняется.

б). Химическая связь образуется в результате обмена электронами с образованием связывающих пар.

в). Сама связь – область повышенной электронной плотности – локализована между каждой парой атомов в месте перекрывания атомных орбиталей.

В методе ВС предполагается три механизма образования ковалентной связи: обменный, донорно-акцепторный и дативный.

Обменный механизм, когда для образования химической связи каждый из двух связываемых атомов выделяет для обобществленной пары по одному неспаренному электрону.

Не следует понимать пару электронов в виде каких-то материализованных точечных зарядов, расположенных в центре между атомами. Чтобы произошел обмен неспаренными электронами необходимо проникновение одной АО в другую, т.е. их перекрывание.

Схематически это выражается диаграммой ВС  

например, для образования молекулы водорода из атомов.

Основные свойства ковалентной связи – насыщаемость и направленность.

Насыщаемость ковалентных связей обусловлена тем, что в химическом взаимодействии участвуют электроны только внешних энергетических уровней, т.е. ограниченное число электронов. Для атома водорода это было подтверждено квантово-химическим расчетом: присоединение атома водорода к его молекуле не приводит к понижению энергии системы, следовательно, химической связи не образуется.

В учении о химической связи широко используется понятие о валентности элемента. С точки зрения метода ВС

Валентность – число электронных пар, участвующих в образовании химической связи. Следовательно, валентность элемента определяется числом содержащихся в атоме неспаренных электронов.

У водорода один неспаренный электрон  ‑ валентность равна 1.

У бериллия в нормальном состоянии 1s²2s²   валентность равна 0 (нет неспаренных электронов), но на втором энергетическом уровне появляется уже р-подуровень. Для перевода одного электрона с s на р подуровень необходимо затратить 260 кДж/моль, и атом Ве переходит в возбужденное состояние, у него появляется два неспаренных электрона и он проявляет валентность 2.

Ве^* 1s²2s¹2p¹ ↑↓ ↑ ↑

Затраты энергии на возбуждение атома с лихвой компенсируются при образовании химической связи (при образовании одной одинарной связи выделяется примерно 400 кДж/моль).

Направленность ковалентной связи

Наиболее прочные химические связи возникают в направлении максимального перекрывания атомных орбиталей (АО). Поскольку атомные орбитали имеют определенную пространственную ориентацию, то их максимальное перекрывание находится в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам. Поэтому ковалентная связь характеризуется направленностью. В зависимости от направления перекрывания АО различают - и -связи.

-связь возникает при перекрывании АО вдоль оси, соединяющей центры атомов. При образовании -связи наблюдается наибольшее перекрывание АО и, следовательно, эта связь более прочная и она образуется в первую очередь. Кроме того между двумя атомами возможна только одна -связь.

Если два взаимодействующих атома имеют по нескольку неспаренных электронов и связь между ними осуществляется более чем одной парой электронов, то между этими атомами появляются кратные (двойные, тройные) связи. Например при образовании молекулы N₂ образуются три связи – одна сигма и две -связи. Две другие связи, образующиеся при перекрывании р_у- и р_z-АО получили название -связи.



  

N 2s²2p³

  



  

N 2s²2p³

Образование -связи происходит при перекрывании АО, находящихся под углом к сигма связи.

Важно отметить, что перекрывание АО осуществляется по обе стороны оси, соединяющей центры атомов. Число связей между атомами называется кратностью (порядком) связи.

Так как АО имеют пространственную ориентацию, то в зависимости от того, какие АО принимают участие в образовании химической связи, будет зависеть структура образуемой молекулы.

Например: для воды. О 2s²2p⁴    

 

H 1s¹  

У кислорода имеется два неспаренных электрона, атомные орбитали которых расположены под углом 90, поэтому при перекрывании р-АО кислорода с s-АО водорода угол между связями должен быть равен углу между р-орбиталями, т.е. 90. На самом деле он несколько больше (104,5). Причины этого будут рассмотрены ниже. Таким образом, метод ВС объясняет угловую форму молекулы воды.