Квантово-механические представления о природе ковалентной связи

С современной точки зрения ковалентная связь возникает при квантово-механическом взаимодействии всех электронов всех взаимодействующих атомов. Но, как мы уже говорили в гл. 1, точного решения уравнения Шредингера, описывающего орбитали многих электронов в молекулах, нет. Облегчает задачу квантово-механического описания химической связи то, что при ее образовании существенно различна роль электронов, находящихся на внутренних и внешних электронных оболочках.

Поэтому удалось создать различные приближенные методы описания химической связи. Для качественного понимания структуры химических соединений в курсе химии нехимических вузов рассматриваются два метода — метод валентных связей и метод молекулярных орбиталей.

Понятие о методе валентных связей. Геометрическая конфигурация молекул

Основными постулатами метода валентных связей (МВС) являются следующие.

• 1. Одинарная ковалентная химическая связь осуществляется двумя валентными электронами с антипараллельными спинами, которые занимают валентные орбитали — по одной от каждого из взаимодействующих атомов.
• 2. Исходные атомные орбитали сохраняют свою геометрическую форму и в составе молекулы.

3. Связь образуется за счет перекрытия валентных атомных орбиталей.

Перекрытие атомных орбиталей приводит к увеличению электронной плотности между ядрами взаимодействующих атомов. Поэтому связь образуется в направлении, обеспечивающем максимальное перекрытие.

Рассмотрим образование химической связи, но введенным выше постулатам МВС на примере молекулы водяного пара Н₂0. Молекула воды состоит из одного атома кислорода О и двух атомов водорода Н. Электронная формула атома кислорода О — 1 $²2 $²2р⁴. На внешнем энергетическом уровне находятся шесть электронов. Подуровень 25 является заполненным. На подуровне 2р на одной из р-орбиталей (предположим, р_;/) находится электронная пара, а на двух других (р_х и р₂) — по одному неснаренному электрону (рис. 2.1). Именно они и будут участвовать в образовании химической связи.

Электронная формула атома водорода Н: 1л¹. У водорода один электрон на л-орбитали, которая будет участвовать в перекрытии с валентной р-орбиталыо кислорода, образуя химическую связь. Всего в молекуле воды таких лр-перекрытий будет два. В соответствии с этим структура молекулы водяного пара представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.1. Структура атома кислорода.

Рис. 2.2. Структура молекулы водяного пара.

Как следует из рисунка, в молекуле воды имеются две ковалентные химические связи, направленные по осям X и X. Следовательно, валентный угол в этой модели молекулы воды равен 90°. Есть другое описание строения молекулы воды, объясняющее практически имеющийся у молекулы воды валентный угол в 104,5° с учетом гибридизации электронных орбиталей кислорода. О таком описании речь пойдет ниже.

Геометрическая структура связей в молекулах может быть весьма разнообразной. Связи могут располагаться как на плоскости, так и в пространстве, образуя молекулы в виде объемных тел различной конфигурации (тригональные, тетрагональные, гексагональные пирамиды, бипирамиды, кольца, составленные из пирамид, и т. д.)¹.