2.2. Методы расчета систем с ковалентной связью.

Точное описание распределение электронов систем с ковалентной связью возможно лишь для небольшого числа молекул. Обычно используют приближенные методы расчета двух- и многоатомных систем с ковалентной связью: метод валентных связей (ВС) и метод молекулярных орбиталей (МО).

2.2.1.Метод валентных связей.

По методу ВС атомы, вступающие в химическую связь, обмениваются между собой электронами с антипараллельными спинами, которые образуют между собой связывающие пары за счет перекрывания их АО. Такая связь

2.2.2Метод молекулярных орбиталей (мо).

В отличие от метода валентных связей позволяет объяснить наличие непарных электродов в молекулах ионов, например H.

Молекулярные орбитали образуются путем комбинации атомных орбтиталей. Число МО равно обычному числу АО. Если энергия МО ниже энергии АО, то такие МО называются связывающимися МО, а если более , то разрыхляющими МО. В методе МО вместо кратности связи вносится порядок связи, который равен половине раствора электронов на связывающих Nсв и разрыхляющих Nр МО.

n= (Nсв-Nр)/2

Если Nсв=Nр, то n=0 и молекула не образуется. Энергия связывающих МО ниже энергии разрывающих МО.

АО МО АО

δ 1s

1s  1s

 

 δ 1s

образуется за счет энергии притяжения атомов и кулоновских силы взаимодействия частиц.

2.3. Пространственная структура молекул с ковалентной связью.

Гибридизация.

Ковалентная химическая связь характеризуется направленностью, что обусловлено определенными ориентациями АО в пространстве. При образовании химической связи по методу ВС связь образуется за счет перекрывания АО. В таком перекрывании могут принимать участие АО разной формы и энергии. Однако при образовании молекулы образуются равноценные по форме и энергии молекулярные орбитали. Это происходит за счет гибридизации (смешения АО) – образования одинаковых (по форме и энергии) гибридных АО за счет перекрывания разных (по форме и энергии) АО электронов атома, участвующих в образовании химической связи. При этом сумма АО, участвующих в связи, равна количеству образующихся гибридных АО. Химические связи, образованные гибридными АО, прочнее, и полученная молекула более устойчива.

С позиции образования гибридных АО рассмотрим пространственную структуру молекул метана и этана.

Для образования ковалентных связей в молекуле СН₄ атом углерода предоставляет 4 неспаренных электрона для связи с 4 атомами водорода., находящихся на s- и р-AО. За счет гибридизации этих АО по схеме

1 s-АО + 3 p-АО = 4 sp³-AO

образуются 4 одинаковые гибридные АО углерода, участвующих в перекрывании с АО 4 атомов водорода. В пространстве вокруг ядра атома углерода одинаковые 4 гибридных АО располагаются под равными углами, образуя четырехгранник – тетраэдр. Так по методу ВС образуется молекула метана. Для образования ковалентных связей в молекуле С₂Н₆ каждому атому углерода необходимо отдать 3 неспаренных электрона для связи с 2 атомами водорода и одним атомом углерода., находящихся на s- и р-AО. За счет гибридизации этих АО по схеме

1 s-АО + 2 p-АО = 3 sp²-AO

образуются 3 одинаковые гибридные АО углерода, участвующих в перекрывании с АО 2 атомов водорода и 1 атома углерода. В пространстве вокруг ядра атома углерода одинаковые 3 гибридные АО располагаются под равными углами, образуя плоский равносторонний треугольник. Так по методу ВС образуется молекула этана. Рассмотрим, как в пространстве происходит перекрывание АО двух атомов, участвующих в образовании связи. Это перекрывание может происходить в плоскости, в которой лежат центры тяжести обоих атомов, Тогда образуется простая сигма () связь. Сигма –связь – перекрывание АО вдоль оси, соединяющей центры тяжести обоих атомов, участвующих в образовании связи. Это возможно при перекрывании s-s, s-p_x, s-p_у s-p_z , р_x-p_x и некоторых других АО обоих атомов. При перекрывании гибридных АО углерода с АО водорода в случаи с метаном и этаном образуются -связи. Перекрывание АО над и под плоскостью связи, соединяющей центры тяжести обоих атомов, образует пи () – связь. Наиболее простой пример образования -связи – перекрывание р_y-p_y, р_z-p_z АО обоих атомов. Известны и более сложные виды перекрывания АО.