Механизмы образования химической связи (метод валентных связей)

1. Обменныймеханизмзаключается в спаривании двух электронов, принадлежащих разным атомам и имеющим противоположные спины. Его можно выразить следующей схемой:

2. Донорно-акцепторный механизм – образование химической связи за счет предоставления одним атомом в общее пользование пары электронов, а другим – свободной орбитали. Атом, предоставляющий электронную пару, называетсядонором, а атом, имеющий свободную орбиталь, –акцептором. Схема образования связи:

Для объяснения пространственного расположения атомов в молекуле используют теорию гибридизации Л. Полинга.

Гибридизацией называют процесс взаимодействия электронных орбиталей, их слияния, приводящий к выравниванию по форме и энергии. В зависимости от того, какие орбитали участвуют в образовании гибридных орбиталей, рассматривают различные типы гибридизации и пространственные конфигурации образовавшихся гибридных орбиталей (рис. 2).

Рис. 2. Пространственное расположение электронных

облаков для различных типов гибридизации.

sp-гибридизация:взаимодействуют одна s- и одна p-орбитали, в результате образуются две орбитали нового типа, которые называются sp-гибридными; эти орбитали имеют форму неправильной восмерки, оси их лежат на одной прямой, образуя угол 180⁰, молекула имеет линейное строение;

sp²-гибридизация:взаимодействуют одна s- и две p-орбитали, в результате чего образуются три орбитали нового типа, которые называются sp²-гибридными; оси этих орбиталей лежат в одной плоскости, углы между ними равны 120⁰, молекула имеет форму правильного треугольника;

sp³-гибридизация: взаимодействуют одна s- и три p- орбитали, в результате гибридизации образуются четыре новые sр³-гибридные орбитали, оси которых направлены от центра к вершинам тетраэдра, углы между осями равны 109⁰28′, молекула имеет тетраэдрическое строение.

В молекуле аммиака(NH₃) атом азота тоже находится в sp³-гибридном состоянии, три пары электронов являются общими с атомами водорода и участвуют в образовании связей, а одна электронная пара (неподеленная электронная пара) принадлежит только атому азота. Для предсказания геометрии молекулы аммиака атом азота следует поместить в центр тетраэдра, атомы водорода – в три вершины, а неподеленную электронную пару – в четвертую вершину, таким образом, молекула аммиака имеет пирамидальную форму.

Аналогично можно рассмотреть строение молекулыводы. В ней две неподеленные электронные пары кислорода занимают две вершины тетраэдра, а две другие заняты атомами водорода, что приводит к угловой форме молекулы воды.

Неподеленная электронная пара образует более размытое «электронное облако», чем связывающая (обобществленная, общая), поэтому она занимает больший объем, приводя к уменьшению валентных углов по сравнению с тетраэдрическими.

Валентные электроны располагаются не только на s- и p-орбиталях, но и на d, последние также принимают участие в образовании гибридных орбиталей. Осуществляются два случая гибридизации с участием d-орбиталей: sp³d²и sp³d. В первом случае молекула реализует октаэдрическое строение, а во втором образуется тригональная бипирамида (табл.7).

Таблица 7

Геометрические конфигурации молекул

Число электронных пар	Координация	n	m	Тип молекулы	Форма молекулы	Примеры
2	Линейная	2	0	АХ2	Линейная	BeH2, BeCl2
4	Тетраэдр	4 3 2	0 1 2	АХ4 АХ3Е АХ2Е2	Тетраэдр Тригональная бипирамида Угловая	СН4,SiCl4 NH3,PH3 Н2О,SCl2
5	Тригональная бипирамида	5 4 3 2	0 1 2 3	АХ5 АХ4Е АХ3Е2 АХ2Е2	Тригональная бипирамида Дисфеноид Т-образная Линейная	PCl5,AsF5 SF4 ClF3 XeF2
6	Октаэдр	6 5 4	0 1 2	АХ6 АХ5Е АХ4Е2	Октаэдр Квадратная бипирамида Плоский квадрат	SF6 BrF5 XrF4

А – многовалентный атом; X – атомы, связанные с атомом А; n – число атомов X; E – неподеленная пара электронов; m – количество неподеленных электронных пар.

Металлическая связь.В отличие от ионных и ковалентных соединений металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью. Высокая электропроводность металлов указывает на то, что электроны свободно могут передвигаться во всем его объеме, т.е. металл можно рассматривать как кристалл, в узлах решетки которого расположены ионы, связанные электронами, находящимися в общем пользовании, т. е. в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь. Совокупность электронов, обеспечивающих эту связь, называют электронным газом.

Более общий подход к представлению об ионных, ковалентных и металлических кристаллах можно получить, применяя представления метода молекулярных орбиталей.