3. Химическая связь

3.1. Метод валентных связей.

Согласно методу валентных связей связь между атомами А и В образуется с помощью общей пары электронов. Связь называется ковалентной, если общая пара электронов образуется из неспаренных электронов двух атомов. Связь называется донорно-акцепторной, если общая пара электронов образуется из неподеленной пары одного атома (донора) и свободной орбитали другого атома (акцептора).

А _ + _ В = А _ В ковалентная связь

А _ + В = А _ В донорно-акцепторная связь

Ковалентная связь обычно образуется между атомами неметаллов и может быть простой, двойной или тройной в зависимости от числа общих пар электронов между двумя атомами. Ковалентная связь может быть неполярной, если общая пара находится на середине расстояния между двумя одинаковыми атомами, или полярной, если общая пара сдвинута в сторону более электроотрицательного атома.

Донорно-акцепторная связь имеет место между центральным ионом и лигандами внутренней сферы комплексного соединения. В комплексе [Ag(NH₃)₂]Cl центральный ион Ag⁺ является акцептором, так как имеет 4 свободные орбитали 4s⁰4p⁰, а молекула аммиака является донором, так как азот имеет неподеленную пару электронов.

Валентность атомов.

Валентность характеризует способность атомов, образовывать химические связи, и равна числу химических связей образованных атомом. Согласно методу валентных связей валентность равна числу общих пар электронов, а в случае ковалентной связи валентность равна числу неспаренных электронов на внешнем уровне атомов в основном или возбужденных состояниях.

C 2s²2p² _{  } вал = 2 CO

C^* 2s¹2p³ _{   } вал = 4 CO₂

S 3s²3p⁴ _{   } вал = 2 H₂S

S^* 3s²3p³3d¹ _{    } вал = 4 SO₂

S^** 3s¹3p³3d² _{     } вал = 6 SO₃

Атомы образуют ограниченное число связей, равное их валентности. Это соответствует насыщаемости ковалентной связи.

Гибридизация атомных орбиталей

Гибридизация атомных орбиталей (АО) - это смешение АО разных подуровней атома, электроны которых участвуют в образовании эквивалентных химических связей. Эквивалентность гибридных орбиталей (ГО) объясняет эквивалентность образующихся химических связей. Например, в случае четырехвалентного атома углерода имеем один 2s и три 2p электрона. Чтобы объяснить эквивалентность связей, образованных углеродов в молекулах CH₄, CF₄ и т.д., атомные s- и p-орбитали заменяют эквивалентными гибридными sp³-орбиталями.

C^* 2s¹2p³ _{   }  C^* 2s¹2p³ _{   }

Гибридизация позволяет установить геометрию молекул, так как вследствие направленности ковалентной связи углы между связями равны углам между гибридными орбиталями.

Направленность ковалентной связи состоит в том, что она образуется в направлении максимального перекрывания орбиталей, образующих общую пару электронов.

В зависимости от типа гибридизации гибридные орбитали имеют определенное расположение в пространстве:

sp - линейное, угол между орбиталями 180^о

sp² - треугольное, углы между орбиталями 120^о

sp³ - тетраэдрическое, углы между орбиталями 109^о

sp³d¹ - тригонально-бипирамидальное, углы 90^о и 120^о

sp²d¹ - квадратное, углы между орбиталями 90^о

sp³d² - октаэдрическое, углы между орбиталями 90^о.

Пример - химическая связь в молекуле BF₃.

Атом бора в основном состоянии имеет лишь один неспаренный электрон, а в возбужденном состоянии - три неспаренных электронов, что соответствует валентности бора в BF₃.

B 2s²2p¹ _{  }  B^* 2s¹2p² _{  }

Неспаренные электроны атома бора находятся на различных (s- и p-) орбиталях, а связи B-F в молекуле BF₃ одинаковые. Это объясняется sp²-гибридизацией АО, когда из одной s-АО и двух р-АО образуются три sp²-гибридные орбитали, имеющие одинаковую энергию и располагающиеся в пространстве под углом 120^о.

B^* 2s¹2p² _{  }  B^* 2s¹2p² _{  }

Три неспаренных электрона на гибридных орбиталях бора взаимодействуют с неспаренными р-электронами фтора с образованием трех ковалентных связей. В силу направленности ковалентных связей эти три связи будут располагаться под тем же углом 120^о, что и гибридные орбитали, и молекула BF₃ будет иметь плоское строение с углами 120^о между связями.