5.2 Метод валентных связей
В методе валентных связей химическая связь рассматривается как двухэлектронная и двухцентровая, т. е. пара электронов, образующих связь, локализована в пространстве между двумя атомами и находится в их общем пользовании. Возможны два механизма образования общей электронной пары. Первый называется обменными заключается в спаривании двух электронов, принадлежащих разным атомам и имеющим противоположные спины. Его можно выразить следующей схемой:
Второй механизм, называемый донорно-акцепторным, приводит к образованию химической связи за счет предоставления одним атомом в общее пользование пары электронов, а другим – свободной орбитали.
Атом, предоставляющий электронную пару, называется донором, а атом,
имеющий свободную орбиталь, – акцептором. Схема образования связи в этом случае выглядит так:
Для элементов второго периода происходит распаривание s-электронов и переход их на p-подуровень c образованием новых уровней, на которых энергии электронов, находящихся уже на орбиталях другого типа, одинаковы. А раз это так, то по правилу Хунда, в атоме появляется максимальное число неспаренных электронов. Эта гипотеза получила название явления гибридизации, а орбитали, образующиеся в результате усреднения энергий подуровней, называются гибридными. Естественно, что при этом меняются и форма электронных облаков, и их расположение в пространстве. В зависимости от того, какие орбитали участвуют в образовании гибридных орбиталей, рассматривают различные типы гибридизации и пространственные конфигурации образовавшихся гибридных орбиталей. Число получившихся гибридных орбиталей должно быть равно общему числу орбиталей, вступивших в гибридизацию. В зависимости от того, какие орбитали взаимодействуют между собой, рассматривают несколько типов гибридизации:
sp-гибридизация. В этом явлении принимают участие s- и одна p-орбитали, и в результате образуются две орбитали нового типа, которые называются sp-гибридными. Эти орбитали имеют форму, показанную на рисунке, оси их лежат на одной прямой, образуя угол 1800. В образовании связей в молекуле BeH2 принимают участие sp-гибридные орбитали атома бериллия и молекула имеет линейное строение;
Рис. Пространственное расположение электронных облаков для различных типов гибридизации.
sp2-гибридизация. Во взаимодействие вступают s- и две p-орбитали, в
результате чего образуются три орбитали нового типа, которые называются
sp2-гибридными. Оси этих орбиталей лежат в одной плоскости, и углы между ними равны 1200. Например, атом бора в молекуле BF3 находится в sp2 -гибридном состоянии, и эта молекула имеет форму правильного треугольника с атомом бора в центре.
sp3-гибридизация. В этом случае исходными являются s- и три p- орбитали. В результате гибридизации образуются четыре новые орбитали –sр3-гибридные. Оси этих орбиталей направлены от центра к вершинам тетраэдра, углы между осями равны 109028′. CH4 – молекула метана, где реализуется этот тип гибридизации, имеет тетраэдрическое расположение атомов водорода.
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.