1.5 Химическая связь и строение молекул

1.5.1 Механизмы образования ковалентной связи

Теория строения атома явилась предпосылкой для создания теории химической связи. В 1916 году (к этому времени уже стали известны основные черты электронной структуры атомов) немецкий учёный В. Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдаёт электроны, а другой принимает; при этом первый атом превращается в положительно заряженный ион, а второй – в отрицательно заряженный. Электростатическое притяжение образовавшихся ионов приводит к образованию устойчивого соединения. Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию современных представлений об ионной связи.

В том же 1916 году американский физико-химик Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает в результате образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам. Эта идея послужила исходным пунктом для разработки современной теории ковалентной связи.

Процесс спаривания электронов при образовании молекулы водорода может быть изображён следующей схемой:

П редставления о механизме образования химической связи, развитые на примере молекулы водорода, были распространены и на более сложные молекулы. Разработанная на этой основе теория химических связей получила название метода валентных связей (метод ВС). В основе метода валентных связей лежит рассмотренное выше положение о том, что любая ковалентная химическая связь возникает в результате взаимодействия двух электронов с противоположно направленными спинами, причём изначально эти электроны принадлежат различным атомам, а образующаяся общая электронная пара – обоим атомам. Такой механизм образования ковалентной связи называется обменным механизмом. Именно по обменному механизму образованы химические связи в молекулах водорода и хлороводорода:

Согласно методу ВС ковалентная связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

Таким образом, согласно методу ВС ковалентная связь является двухэлектронной двухцентровой связью, поскольку пара из двух электронов движется в силовом поле, образованном двумя центрами – ядрами двух атомов. Комбинации таких двухэлектронных двухцентровых связей, отражающие электронную структуру молекулы, получили название валентных схем.

К роме обменного механизма возможен донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи, отличие которого можно показать на примере образования иона аммония. Атом азота в молекуле аммиака связан с тремя атомами водорода тремя ковалентными связями, образованными по обменному механизму (крестиками в формуле аммиака показаны электроны, изначально принадлежавшие атомам водорода). Кроме того, у атома азота есть два спаренных электрона. Такая пара электронов тоже может участвовать в образовании ковалентной связи с другим атомом, если во внешнем электронном слое этого атома е сть свободная орбиталь. Незаполненная орбиталь есть у иона водорода. При взаимодействии молекулы аммиака с ионом водорода ковалентная связь возникает вследствие того, что неподелённая пара электронов атома азота, перекрываясь со свободной орбиталью иона H⁺, становится общей для обоих атомов. В результате этого взаимодействия образуется ион аммония.

Следует заметить, что часто встречающийся в литературе термин «донорно-акцепторная связь» не всегда правильно интерпретируется. Важно понимать, что имеет смысл говорить лишь о донорно-акцепторном механизме образования ковалентной связи, поскольку после образования, например, иона аммония NH₄⁺ невозможно определить, какая из ковалентных связей образована по донорно-акцепторному, а какая по обменному механизму. Все четыре ковалентные связи в ионе аммония между атомом азота и атомами водорода абсолютно одинаковы.