Механізми утворення хімічного зв'язку

У методі валентних зв'язків розрізняють обмінний і донорно-акцепторний механізми утворення хімічного зв'язку.

Обмінний механізм. До обмінного механізму утворення хімічного зв'язку належать випадки, коли в утворенні електронної пари від кожного атома бере участь по одному електрону.

У молекулах Н₂, Li₂, Na₂ зв'язки утворюються за рахунок неспарених s-електронів атомів. У молекулах F₂ і Cl₂ - за рахунок неспарених р-електронів. У молекулах HF і HCl зв'язки утворюються s-електронами водню і p-електронами галогенів.

Особливістю утворення сполук за обмінним механізмом є насичуваність, яка показує, що атом утворює не будь-яку, а обмежену кількість зв'язків. Їх число, зокрема, залежить від кількості неспарених валентних електронів.

N							H	
	2s		2p					1s

З квантових осередків N і Н можна бачити, що атом азоту має 3неспарених електрона, а атом водню - один. Принцип насичуваності вказує на те, що стійкою сполукою повинен бути NH₃, а не NH₂, NH або NH₄. Однак існують молекули, що містять непарне число електронів, наприклад, NO, NO₂, ClO₂. Всі вони характеризуються підвищеною реакційною здатністю. На окремих стадіях хімічних реакцій можуть утворюватися і валентноненасичені групи, які називаються радикалами, наприклад, H, NH₂, O, CH₃. Реакційна здатність радикалів дуже висока і тому час їх існування, як правило, малий.

Донорно-акцепторний механізм

Відомо, що валентно насичені сполуки аміак NH₃ і трифторид бору BF₃ реагують один з одним по реакції

NH₃ + BF₃ = NH₃BF₃ + 171,4 кДж / моль.

Розглянемо механізм цієї реакції:

Видно, що з чотирьох орбіталей бору три заселені, а одна - залишається вакантною. У молекулі аміаку заселені всі чотири орбіталі азоту, з них три - по обмінному механізму електронами азоту і водню, а одна містить електронну пару, обидва електрона якої належать азоту. Така електронна пара називається неподіленою електронною парою. Утворення сполуки H₃N · BF₃ відбувається за рахунок того, що неподілена електронна пара аміаку займає вакантну орбіталь фториду бору. При цьому зменшується потенційна енергія системи і виділяється еквівалентна кількість енергії. Подібний механізм утворення називають донорно-акцепторним, донором - такий атом, що віддає свою електронну пару для утворення зв'язку (в даному випадку атом азоту); а атом, який надає вакантну орбіталь, приймає електронну пару, називається акцептором (в даному випадку атом бору) . Донорно-акцепторний зв'язок є різновидом ковалентного зв'язку. У з'єднанні H₃N · BF₃ азот і бор - чотиривалентний. Атом азоту підвищує свою валентність від 3 до 4 в результаті використання неподіленої електронної пари для утворення додаткового хімічного зв'язку. Атом бору підвищує валентність за рахунок наявності у нього вільної орбіталі на валентному електронному рівні. Таким чином, валентність елементів визначається не тільки числом неспарених електронів, але і наявністю неподілених електронних пар і вільних орбіталей на валентному електронному рівні.

Більш простим випадком утворення хімічного зв'язку за донорно-акцепторним механізмом є реакція аміаку з іоном водню:  . Роль акцептора електронної пари грає порожня орбіталь іона водню. В іоні амонію NH₄⁺ атом азоту чотиривалентний.