2.2.Механізми утворення ковалентного зв’язку

Основні положення методу ВЗ були розроблені у 30-і роки Полінгом і Слетером. Основу цього методу складають уявлення про те, що зв'язок між кожними двома атомами у молекулі здійснюється за допомогою однієї або декількох спільних електронних пар. Згідно з методом ВЗ хімічний зв'язок локалізований між двома атомами, тобто двоцентровий та двоелектронний.

Комбінації таких двоелектронних, двоцентрових зв'язків, які відображають електронну структуру молекули, отримали назву валентних схем. Для наочного зображення валентних схем прийнято валентні електрони, за допомогою яких здійснюється хімічний зв'язок, зображати: крапками навколо символу атома, за допомогою квантових комірок, валентних орбіталей. Загальну пару електронів, що утворює ковалентний зв'язок між атомами, у графічних формулах зображують рискою. Користуючись цими позначеннями, утворення молекул водню та хлороводню можна зобразити таким чином:

Існують два механізми утворення ковалентного зв’язку:

1.обмінний

2. Донорно-акцепторний.

За допомогою цих механізмів можна зобразити утворення будь-яких молекул.

1)Обмінний механізм утворення ковалентного зв'язку

Механізм утворення хімічного зв'язку за рахунок узагальнення електронів та появи спільних електронних пар одержав назву обмінного.

Два атоми у молекулі можуть бути з’єднані за допомогою однієї, двох і трьох спільних електронних пар. Такі зв’язки називають відповідно одинарними, подвійними та потрійними. Утворення ковалентного зв’язку між атомами фтору F в молекулі F₂ та атомами азоту N в молекулі N₂ зображають схемами:

F 2s²2p⁵ + → → F-F

N 2s²2p³ + → → N≡N

З наведених схем видно, що зв'язок між атомами фтору у молекулі фтору F₂ — одинарний, а у молекулі азоту N₂ — потрійний.

2) Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку

Поряд з обмінним механізмом існує донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку.

Двоцентровий двоелектронний зв'язок може утворитися за рахунок двоелектронної хмари однієї частинки А і вільної орбіталі іншої частинки В.

А: + B → А : В → А-В.

Частинку, яка для утворення ковалентного зв'язку надає пару електронів, називають донором. Частинку з вільною орбіталлю, яка приймає цю електронну пару, називають акцептором.

Механізм утворення ковалентного зв'язку за рахунок двоелектронної хмари однієї частинки та вільної орбіталі іншої, називають донорно-акцепторним.

Прикладом донорно-акцепторного механізму виникнення зв'язку може бути утворення іона амонію:

де стрілкою, напрямленою від донора до акцептора, позначений донорно-акцепторний механізм зв'язку. Всі чотири зв'язки в іоні амонію рівноцінні, хоча три з них утворені за механізмом спаровування, а четвертий — за донорно-акцепторним механізмом. В іоні амонію азот підвищив свою валентність від трьох до чотирьох, використавши вільну електронну пару для утворення додаткового зв'язку. Тому, розглядаючи валентні властивості атома, спочатку необхідно визначити число електронних пар, які можуть утворитися за механізмом спаровування, і лише потім — за донорно-акцепторним механізмом.

Атом бору В у нормальному стані має один неспарений електрон: 1s²2s²2p¹, він повинен бути одновалентним. Однак для бору одновалентний стан нехарактерний. Оскільки у його атома є близькі за енергією вільні 2p-орбіталі, то цей атом може переходити у збуджений стан

Відповідно до числа неспарених електронів атом бору утворює три ковалентних зв'язки за обмінним механізмом, наприклад з атомами фтору.

У зовнішньому енергетичному рівні атом бору має вільну p-орбіталь, тому молекула BF₃ (фторид бору) є електронодефіцитною і виступає як акцептор електронної пари при утворенні іонів BF₄^-, BH₄^- тощо.

Прикладом сполук, у яких валентність елементів перевищує число неспарених електронів, є Карбон (II) оксид CO. Атоми Карбону та Оксигену мають по два неспарених електрони, тому припускаємо, що між ними утворюється подвійний зв'язок за обмінним механізмом. Однак енергія зв'язку в молекулі CO близька до енергії зв'язку ізоелектронної молекули азоту, в якої потрійний зв'язок. Згідно з методом валентних зв'язків кратність зв'язку до трьох у молекулі CO підвищується внаслідок переходу неподіленої пари електронів атома Оксигену на вакантну орбіталь атома Карбону (рис. Схема утворення зв’язків у молекулі СО).

Отже, атом Карбону функціонує як акцептор за рахунок однієї вільної 2 р - орбіталі, атом Оксигену є донором спарених 2 р - електронів.

Завдяки потрійному зв'язку молекула CO дуже міцна (Е = 1071 кДж/моль).

Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку має велике значення при утворенні координаційних сполук, в яких акцептором найчастіше є іони металів з вакантними орбіталями (Zn²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ та ін.). Іноді акцепторами виступають і неметали, наприклад Бор або Силіцій. Донорами електронів можуть бути нейтральні молекули (Н₂О, NH₃) або негативно заряджені іони F^-, Сl^-, CN^-, SO₃^2- та ін.

Різновидом донорно-акцепторного механізму є дативний механізм, при якому один атом може бути одночасно і донором, і акцептором електронів. Наприклад, атом Хлору, на відміну від свого аналога Флюору, має вільні 3d-орбіталі. При сполученні атомів Хлору в молекулу електронна пара з 3 р- орбіталі одного атома частково перерозподіляє свою електронну густину на вільну 3 d - орбіталь іншого (рис. Схеми утворення зв’язків у молекулах F₂ (а),Сl₂ (б)).