Метод валентных связей

Впервые метод валентных связей (метод ВС) был использован для объяснения образования молекулы водорода. Представим систему, состоящую из двух атомов водорода, находящихся на значительном удалении друг от друга (рис. 3.13).

В этом случае электрон каждого атома взаимодействует только со своим ядром. При сближении атомов возникают силы притяжения и отталкивания между ядрами и электронами обоих атомов (см. рис. 3.13). Результат.

Рис. 3.13. Зависимость энергии Е двух атомов водорода с антипараллельными (1) и параллельными (2) спинами от расстояния г между ядрами.

действия этих сил зависит от того, одинаковы или противоположны, но знаку спины взаимодействующих электронов. При одинаковых спинах электронов сближение атомов приводит к непрерывному возрастанию энергии системы (кривая 2). Таким образом, для сближения атомов требуется затрата энергии, а потому такой процесс энергетически невыгоден и химическая связь между атомами не возникает.

При противоположно направленных спинах (кривая 1) сближение атомов до расстояния ?₀ сопровождается уменьшением энергии системы. При г=г₀ система обладает наименьшей потенциальной энергией, т. е. находится в устойчивом состоянии, которому соответствует энергия Е_со (глубина потенциальной ямы), называемая энергией связи, дальнейшее сближение атомов приводит к возрастанию энергии (см. рис. 3.13). Образование химической связи между атомами водорода является результатом взаимопроникновения (перекрывания) электронных облаков. Вследствие такого перекрывания плотность отрицательного заряда в межъядерном пространстве возрастает, и положительно заряженные ядра притягиваются к этой области.

В дальнейшем представления о механизме образования молекулы водорода были распространены на более сложные молекулы.

Основные положения метода ВС можно сформулировать таким образом.

• • Ковалентная химическая связь образуется с участием двух электронов с противоположно направленными спинами, принадлежащими двум атомам.
• • Ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака атомов.
• • Характеристики химической связи определяются типом перекрывания АО.
• • Ковалентная связь направлена в сторону максимального перекрывания АО реагирующих атомов.
• • Правило октета-, электронная конфигурация атомов благородных газов Ь² (2 электрона на первом уровне) и ns²np^G (8 электронов на последующих внешних энергетических уровнях) представляет собой наиболее стабильное (обладающее наиболее низким запасом энергии) состояние атома. Поэтому частицы, в которых все атомы имеют такую электронную конфигурацию, устойчивы.

Исключения.

1. Сумма валентных электронов атомов, образующих молекулу, нечетна. Так, в молекуле N0 сумма валентных электронов атома азота (5) и кислорода (6) равна 11, поэтому в этой молекуле атом кислорода достигает восьмиэлектронной оболочки, а атом азота — нет.

2. Молекула образуется за счет трехцентровых связей — особого типа химической связи, при котором три атома (три центра) связаны двумя электронами. Например, диборан В₂Н₆ построен за счет образования двух трехцентровых двухэлектронных связей I I—В—11:

3. В образовании химических связей принимают участие d-орбитали. В этом случае правило октетов (в случае участия всех пяти d-орбиталей) преобразуется в правило 18 электронов: Fe (CO)₅, Ni (CO)₄, Со₂(СО)₈, Fe (C₅H₅)₂.