Донорно-акцепторный механизм образования химической связи

Рассмотрим образование молекулы СО по методу ВС.

О 2s²2p⁴

  

C 2s²2p²

У кислорода и углерода имеется по два неспаренных электрона, следовательно, связь С=О двойная. Однако, экспериментальные данные указывают, что физические свойства СО близки к N₂, у молекулы которого тройная связь.

	Длина связи в пм	Энергия связи, кДж/моль	Тплав, К	Ткип, К
СО	113	1071	66	83
N2	110	941	63	78

Отсюда можно сделать вывод, что в молекуле СО тоже должна быть тройная связь. Для объяснения был предложен донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, т.е. в предпосылках метода ВС было добавлено, что образование общей электронной пары может происходить, как по обменному, так и по донорно-акцепторному механизмам.

По донорно-акцепторному механизму атом, имеющий пару спаренных электронов на атомной орбитали донор (кислород), при взаимодействии с другим атомом, имеющим вакантную (свободную) орбиталь – акцептор (углерод), отдает свою электронную пару в общее пользование.

Согласно методу ВС ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму возникает при перекрывании вакантной орбитали акцептора с заполненными орбиталями донора. Таким образом, в молекуле СО, кроме - и -связи по обменному механизму, образуется -связь по донорно-акцепторному механизму и связь в СО – тройная.

Теория гибридизации валентных атомных орбиталей центрального атома

Часто в образовании нескольких химических связей участвуют различные атомные орбитали одного и того же атома. В СН₄ четыре химические связи образованы путем перекрывания трех р и одной s-орбиталей атома углерода с четырьмя s-орбиталями атомов водорода.

С^*

   

Н

Так как энергия и форма s и p орбиталей различна, то можно было бы ожидать, что одна из связей в молекуле метана будет отличаться от других связей по прочности и по характеру направленности. Однако, эксперименты показали, что вся четыре связи в молекуле метана равноценны. Этот факт объясняется с помощью теории гибридизации валентных атомных орбиталей.

Согласно этой теории при образовании молекул происходит изменение формы и энергии атомных орбиталей. Вместо неравноценных s- p- или d-орбиталей образуется столько же равноценных и по форме и по энергии гибридных орбиталей. Гибридизация не является реальным физическим явлением. Это условный прием в квантово-химическом расчете, показывающий, что атомные орбитали с различной симметрией в свободном атоме при образовании химической связи принимают одинаковую форму, т.е. это еще одно допущение при решении уравнения Шредингера. Результатом его решения при этом допущении является:

а) pасчет показывает, что при образовании химических связей с участием гибридных орбиталей выделяется больше энергии, чем при образовании связи с участием отдельных s-,p- или d-орбиталей. Поэтому гибридизация атомных орбиталей приводит к большему понижению энергии системы и, соответственно, повышению устойчивости молекулы, т.е. связь, образованная электронами гибридной орбитали, характеризуется большей прочностью;

б) форма гибридных орбиталей сильно вытянута в одну сторону от атомного ядра, что обеспечивает гораздо более сильное перекрывание таких орбиталей орбиталями электронов, принадлежащих другим атомам;

в) гибридизация атомных орбиталей обеспечивает также более симметричное распределение электронной плотности в молекуле. Так при комбинации:

1s и 1 р-орбиталей (sр гибридизация) возникают две гибридные орбитали, расположенные друг относительно друга под углом 180°.

1s- и 2р-орбиталей (sp² гибридизация) – три гибридных орбитали под углом 120°.

1s и 3р-орбиталей (sp³ гибридизация) – четыре гибридных орбитали; структура – тетраэдр; угол у центрального атома 109,5°.

1s, 3р и 1d орбиталей (sp³d гибридизация) – пять гибридных орбиталей; структура тригональная бипирамида.

1s, 3p и 2d орбиталей (sp³d² гибридизация) – шесть гибридных орбиталей; структура октаэдр; угол у центрального атома 90.

Это идеальные фигуры, соответствующие тому или иному типу гибридизации.