Теория валентных связей

Теория валентных связей (ТС) является фундаментальным аспектом квантовой химии и представляет собой подробное описание того, как атомы объединяются для образования молекул. Она подчеркивает важность спаривания электронов и объясняет, как образуются химические связи при наложении атомных орбиталей. В теории ТС связи образуются при наложении атомных орбиталей, и эти наложения приводят к совместному использованию электронных пар между атомами. Это совместное использование приводит к образованию нековалентных или ковалентных связей, которые являются основными взаимодействиями между атомами.

Исторический фон

Корни теории валентных связей можно отнести к началу 20-го века. Она развивалась, поскольку ученые уточняли свое понимание атомных структур и сил, удерживающих атомы вместе. Гилберт Н. Льюис впервые представил концепцию совместного использования электронов в 1916 году, идея, которая стала центральной для понимания ковалентных связей. Позднее Лайнус Полинг и Вальтер Хайтлер развили эти основы, установив теорию ТС как важную модель в химическом связывании.

Фундаментальные концепции

В основе теории ТС связи представляются как парирование электронов при наложении орбиталей. Давайте углубимся в некоторые ключевые концепции.

Атомные орбитали и гибридизация

Атомные орбитали — это области в атоме, где наиболее вероятно нахождение электронов. Эти орбитали могут объединяться для формирования гибридных орбиталей, которые накладываются при образовании молекул. Процесс гибридизации включает смешение различных типов орбиталей (s, p, d и др.) для образования новых гибридных орбиталей. Например:

        sp^3 гибридизация: объединение одной s и трех p орбиталей для формирования четырех эквивалентных sp^3 орбиталей.
        sp^2 гибридизация: объединение одной s и двух p орбиталей для формирования трех эквивалентных sp^2 орбиталей.
        sp гибридизация: объединение одной s и одной p орбитали для формирования двух эквивалентных sp орбиталей.
    

Наложение орбиталей

Сила и природа химической связи зависят от степени наложения атомных орбиталей. Существует два основных типа наложения:

• Сигма (σ) связь: Это самый сильный тип ковалентной связи, формируемый путем наложения орбиталей концевым концом. Например, когда две s орбитали или одна s и одна p орбитали накладываются, образуется сигма-связь. HH связь в _{H 2} является классическим примером сигма-связи.
• Пи (π) связь: Эта связь образуется боковым наложением p орбиталей и обычно слабее сигма-связи. В двойных и тройных связях одна является сигма-связью, а остальные — пи-связями. Например, молекула _{O 2} имеет одну сигма-связь и одну пи-связь.

Визуальный пример: этилен (C ₂ H ₄ )

Этилен — простая молекула, демонстрирующая наложение орбиталей в теории ТС. Рассмотрим, как атомы углерода в этилене гибридизируются и формируют связи:

        Гибридизация атома углерода: sp^2
    

Каждый углерод в этилене использует sp^2 гибридные орбитали для формирования сигма-связей с атомами водорода и другими атомами углерода. p орбитали атомов углерода накладываются для формирования пи-связей.

На этой диаграмме синяя линия представляет наложение сигма, а красная кривая представляет наложение пи.

Модель Полинга и Хайтлера

Лайнус Полинг и Вальтер Хайтлер значительно продвинули теорию ТС, внедрив квантовую механику в понимание химических связей. Их модель включает расчет волновых функций для описания положения и энергии электрона в молекуле. Этот метод позволяет количественно понимать энергии связей и углы.

Сравнение с теорией молекулярных орбиталей

В то время как теория ТС фокусируется на локализованном спаривании электронов и перекрытии орбиталей, теория молекулярных орбиталей (МО) предлагает делокализованный подход. Теория МО описывает электроны как занимающие молекулярные орбитали, которые охватывают всю молекулу, а не ограничены отдельными атомами. Каждая теория имеет свои собственные сильные стороны:

• Теория ТС: Лучше объясняет резонанс, гибридизацию и отдельные положения связей.
• Теория МО: Эффективнее для понимания магнитных свойств и распределения электронов в молекуле.

Применение теории валентных связей

Теория ТС предоставляет информацию о химических и физических свойствах соединений. Некоторые применения включают:

• Химическая реактивность: Теория ТС помогает предсказывать реакции, основываясь на силе и природе химических связей.
• Материаловедение: Понимание связывания в материалах, таких как графит или алмаз, что непосредственно связано с их свойствами.
• Спектроскопия: Интерпретация данных о молекулярных вибрациях и вращениях с точки зрения деталей связывания.

Проблемы и ограничения

Теория ТС мощна, но у нее есть свои ограничения. Она может быть менее эффективной в системах с сильно делокализованными электронами, такими как металлы или большие органические молекулы. Кроме того, сложность ручного решения волновых функций ограничивает ее практическое использование без вычислительной поддержки.

Заключение

Теория валентных связей остается важной структурой в квантовой химии, предоставляя надежный способ понимания, как атомы связываются в молекулах. Несмотря на свои ограничения, она предоставляет ценные вклады в понимание поведения химических систем и остается актуальным инструментом для химиков по всему миру.

Комментарии