1.2. Механизмы образования ковалентной связи

Ковалентная связь, в зависимости от того, как возникает общая электронная пара, может образовываться по обменному или донорно-акцепторному механизму.

Обменный механизм образования ковалентной связи реализуется в тех случаях, когда в образова­нии общей электронной пары от каждого атома участвуют и атомная орбиталь, и неспаренный электрон, находящийся на этой орбитали.

Например, в молекуле водорода. Взаимодействующие атомы водорода, содержащие на атомных s-орбиталях одиночные электроны с противоположными спинами, образуют общую электронную пару, движение которой в молекуле Н₂ осуществляется в границах σ-молекулярной орбитали, возникающей при слия­нии двух s-атомных орбиталей:

В молекуле аммиака атом азота, имея на четырёх атомных орбиталях внешнего энергетического уровня три одиночных электрона и одну электронную пару, образует с s-электронами трёх ато­мов водорода три общие электронные пары. Эти элек­тронные пары в молекуле NH₃ находятся на трёх σ-молекулярных орбиталях, каждая из которых возникает при слиянии атомной орбитали атома азота с s-орбиталью атомоf водорода:

Таким образом, в молекуле аммиака атом азота образует три σ- связи с атомами водорода и имеет неподелённую электронную пару.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи реализуется в тех слу­чаях, когда один нейтральный атом или ион (донор) имеет на атомной орбитали внешнего энергетического уровня электронную пару, а другой ион или нейтральный атом (акцептор) — сво­бодную (вакантную) орбиталь. При слиянии атомных орбиталей возникает молекулярная орбиталь, на которой находится общая электронная пара, ранее принадлежавшая атому-донору:

По донорно-акцепторному механизму происходит, например, образование ковалентной связи между молекулой аммиака и ионом водорода с возникновением иона аммония [NH₄]⁺. В молекуле ам­миака у атома азота во внешнем слое имеется свободная электронная пара, что позволяет этой молекуле выступать в роли донора. У иона водорода (акцептора) имеется свободная s-орбиталь. За счёт слияния атомных орбиталей атома азота и иона водо­рода возникает σ-молекулярная орбиталь, а свободная пара электронов атома азота становится общей для соединяющихся атомов:

и ли Н⁺ + NH₃ [ H NH₃] ⁺

В ионе аммония [NH₄]⁺ ковалентная связь N—H, образовавшаяся по донорно-акцепторному механизму, равноценна по энергии и длине трём другим ковалентным связям N—H, образовавшимся по обменному механизму.

Атом бора образует молекулу фторида бора BF₃ за счёт перекрывания электронных орбиталей, занятых в возбуждённом состоянии неспаренными электронами, с электронными орбиталями фтора. При этом у атома бора сохраняется одна вакантная орбиталь, за счет которой по донорно-акцепторному механизму может образоваться четвёртая химическая связь.

Связь, образованную по донорно-акцепторному механизму, часто называют донорно-акцепторной, координационной или координативной. Однако это не особый тип связи, а лишь иной механизм образования ковалентной связи.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи характерен для комплексных соединений: роль акцептора обычно выполня­ют ионы d-металлов, которые обычно могут предоставлять две, четыре или шесть свободных атомных орбиталей s-, p-, d-типа, что значительно расширяет их возможности образовывать ковалент­ные связи.

Например, ионы Ag⁺ и Сu²⁺ соответственно предоставляют две и четыре свобод­ные атомные орбитали, а донором электронных пар могут быть, например, две или четыре молекулы аммиака или цианид-иона:

Акцептор Донор

В данных случаях между донорами и акцептором возникают ковалентные связи с образованием комплексных катионов (аммиакатов серебра и меди) или аниона (цианида меди).