Направленность

Орбитали атомов, участвующие в образовании молекулярных орбиталей, имеют разную форму и разную ориентацию в пространстве. Это обусловливает направленность ковалентных связей, поскольку соединяемые атомы стремятся к максимальному перекрыванию их орбиталей.

Направленность ковалентных связей характеризуется валентными углами (углами между соседними связями). Например, молекулы СН₄, NH₃, H₂O имеют строго определённые значения валентных углов. Длина и валентные углы ковалентных связей определяют пространственную структуру (геометрию) молекул и многоатомных ионов.

Геометрия молекулы — это взаимное пространственное расположение её атомов, которое определяется длинами связей и валентными углами. Геометрия молекулы во многом определяет физические и химические свойства вещества. Представления метода валентных связей позволяют объяснить геометрию многих молекул. Например, атомы элементов VIA-группы в основном состоянии имеют по два неспаренных р-электрона, облака которых вследствие электростатического отталкивания располагаются перпендикулярно друг другу (рис. 6 а). При образовании молекул водородных соединений (гидридов) H₂S, H₂Se и H₂Te две р-орбитали атомов соответствующих элементов перекрываются с s-орбиталями атомов водорода, образуя ковалентные связи, угол между которыми близок к 90°(табл. 1). Исключение составляет молекула воды, у которой валентный угол Н–О–Н равен 104,5°.

Талица 1.

Валентные углы в молекулах гидридов элементов IV–VIA-групп

IVA-группа		VA-группа			VIA-группа
Формула	Валентный угол,°	Формула	Валентный угол,°	Формула		Валентный угол,°
СН4	109,5	NH3	107,78	H2О		104,5
SiH4		РН3	93,3	H2S		92,2
GeH4		AsH3	91,5	H2Se		91,0
SnH4		SbH3	91,3	H2Te		88,5

Из рис. 6 б видно, что близки к 90° и углы в молекулах гидридов элементов VA-группы (РН₃, AsH₃, SbH₃), что хорошо согласуется с взаимным расположением трёх р-орбиталей, содержащих по одному электрону. Исключение составляет молекула аммиака, у которой валентные углы H–N–H равны 107,78° (табл. 1).

Рис. 6. Схема перекрывания аомных рбиталей в молекулах гидридов серы, селена, теллура (а), фосфора, мышьяка и сурьмы (б); пунктирными линиями изображены атомные ns- и пр-орбитали, на которых находятся не связывающие электронные пары

Труднее объяснить с позиций метода валентных связей геометрию молекул гидридов элементов IVA-группы. Атомы этих элементов в возбуждённом состоянии имеют четыре неспаренных электрона: один на s-орбитали и три на р-орбиталях. В гидридах СН₄, SiH₄, GeH₄, SnH₄ имеется четыре ковалентные связи. Три из них образованы за счёт перекрывания р-орбиталей атомов элементов IVA-группы и s-орбиталей атомов водорода. Эти связи должны иметь равную длину и энергию и располагаться под углом 90° друг к другу. Образование четвёртой ковалентной связи могло осуществиться за счёт перекрывания s-орбиталей атомов углерода и водорода, и она должна была бы отличаться от других связей по длине и энергии и располагаться по отношению к любой из них под углом около 125°. Однако установлено, что структура молекул гидридов элементов IVA-группы имеет форму тетраэдра с углами между связями, равными 109,5°, и при этом все ковалентные связи равноценны по длине и энергии.

Таким образом, геометрию молекул гидридов элементов IVA-группы (воды, аммиака и других веществ) невозможно объяснить с позиций только положений метода валентных связей.

Для объяснения пространственного строения молекул или многоатомных ионов с учётом направленности ковалентных связей Л. Полинг предложил концепцию гибридизации атомных орбиталей.