Теория валентных связей

Было предложено множество подходов для объяснения природы связи в координационных соединениях. Теория валентных связей — одна из них. Теория валентной связи была разработана для объяснения химической связи с использованием метода квантовой механики. Эта теория в первую очередь касается образования индивидуальных связей из атомных орбиталей атомов, участвующих в формировании молекулы.

The electrons in a molecule, according to the valence bond theory, occupy atomic orbitals rather than molecular orbitals. On bond formation, the atomic orbitals overlap, and the greater the overlap, the stronger the bond.

Металлическая связь в основном ковалентна по своей природе, а металлическая структура включает в себя резонанс связей электронной пары между каждым атомом и его соседями.

Гибридизация

В 1931 году ученый Лайнус Полинг предложил инновационную концепцию гибридизации. Он назвал этот процесс гибридизацией и охарактеризовал его как смещение энергии определенных атомных орбиталей с образованием новых орбиталей с эквивалентной энергией. В результате этого процесса возникают новые орбитали, известные как гибридные орбитали. Некоторые виды гибридизации:

1. sp-гибридизация: одна s- и одна p-орбиталь объединяются вместе с образованием двух sp-гибридных орбиталей с линейной структурой и валентным углом 180 градусов. Например, при образовании BeCl ₂ первый атом находится в возбужденном состоянии 2s ¹ 2p ¹ , который затем гибридизуется с образованием двух sp-гибридных орбиталей. BeCl ₂ образуется, когда эти гибридные орбитали сталкиваются с двумя р-орбиталями двух атомов хлора.
2. sp2- ^{гибридизация} : одна s- и одна p-орбиталь объединяются вместе, образуя три ^sp2 -гибридные орбитали с плоской треугольной формой и валентным углом 120 градусов.
3. sp3-гибридизация ^: при этой гибридизации одна s- и три p-орбитали сливаются с образованием четырех ^sp3 -гибридных орбиталей с тетраэдрической структурой и валентным углом 109 градусов 28′, или 109,5 градусов.

What is the need for Valence Bond Theory?

Lewis’ theory explained the structure of molecules. It did not, however, explain the formation of chemical bonds. VSEPR theory, on the other hand, explained the shape of simple molecules. However, it had a very limited application. It also failed to explain the geometrical properties of complex molecules. As a result, scientists were forced to develop the theory of valence bonds in order to address and overcome these limitations.

Теория валентных связей

Подход Льюиса к химической связи не смог пролить свет на образование химической связи. Кроме того, теория отталкивания электронных пар валентной оболочки (или теория VSEPR) имела лишь несколько приложений (и также не смогла предсказать геометрию, соответствующую сложным молекулам). Теория валентной связи была предложена немецкими физиками Вальтером Генрихом Гейтлером и Фрицем Вольфгангом Лондоном для решения этих проблем. Волновое уравнение Шредингера также использовалось для объяснения того, как образовалась ковалентная связь между двумя атомами водорода.

Эта теория фокусируется на концепциях электронной конфигурации, атомных орбиталей (и их перекрытия) и гибридизации атомных орбиталей. Химические связи образуются путем перекрывания атомных орбиталей, при этом электроны локализованы в области связи. Теория валентных связей также объясняет электронную структуру молекул, образованных перекрыванием атомных орбиталей. Это также подчеркивает тот факт, что ядро одного атома в молекуле притягивается к электронам других атомов.

Постулаты теории валентных связей

1. Когда две валентные орбитали (наполовину заполненные) от разных атомов перекрываются друг с другом, образуются ковалентные связи. В результате этого перекрытия увеличивается электронная плотность в области между двумя связывающими атомами, что увеличивает стабильность образующейся молекулы.
2. Валентная оболочка атома содержит много неспаренных электронов, что позволяет ему образовывать множественные связи с другими атомами. Согласно теории валентной связи, спаренные электроны в валентной оболочке не участвуют в образовании химических связей.
3. Ковалентные химические связи являются направленными и параллельными области, соответствующей перекрывающимся атомным орбиталям.
4. Сигма-связи и пи-связи отличаются характером перекрытия атомных орбиталей, т. е. пи-связи образуются за счет бокового перекрытия, тогда как сигма-связи образуются за счет перекрытия вдоль оси, содержащей ядра двух атомов.

Приложения теории валентных связей

• Условие максимального перекрытия теории валентных связей может объяснить образование ковалентных связей в нескольких молекулах.
• Это одно из самых важных применений. Различие в длине и силе химических связей в молекулах H ₂ и F ₂ , например, можно объяснить различием их перекрывающихся орбиталей.
• Ковалентная связь в молекуле HF образуется путем перекрытия 1s-орбитали атома водорода и 2p-орбитали атома фтора, как это объясняется теорией валентной связи. Ковалентная связь в молекуле HF образуется за счет перекрывания 1s-орбитали атома водорода и 2p-орбитали, принадлежащей атому фтора, что объясняется теорией валентной связи.

Ограничения теории валентных связей

• Неучет четырехвалентности углерода.
• Информация об энергии электронов отсутствует.
• Теория предполагает, что электроны сосредоточены в определенных местах.
• Он не дает количественной интерпретации термодинамической или кинетической стабильности координационных соединений.
• Различия между слабыми и сильными лигандами нет.
• Объяснения окраски координационных соединений нет.

Современные подходы

Современная теория валентных связей теперь дополняет теорию молекулярных орбиталей, которая отвергает идею валентных связей о том, что электронные пары локализованы между двумя конкретными атомами в молекуле, и вместо этого считает, что они распределены в наборах молекулярных орбиталей, которые могут охватывать всю молекулу. Теория молекулярных орбиталей ясно предсказывает магнитные и ионизационные свойства, тогда как теория валентных связей дает аналогичные, но более сложные результаты.

С другой стороны, ароматичность рассматривается как делокализация π-электронов в теории молекулярных орбиталей. Из-за отсутствия ортогональности между орбиталями валентной связи и между структурами валентной связи обработка валентных связей ограничена относительно небольшими молекулами, тогда как молекулярные орбитали ортогональны. Теория валентных связей, с другой стороны, дает гораздо более точную картину реорганизации электронного заряда, которая происходит, когда связи разрываются и образуются в ходе химической реакции.

Приложения

Условие максимального перекрытия, приводящего к образованию максимально прочных связей, является важным аспектом теории валентных связей. Эта теория используется для объяснения образования ковалентных связей во многих молекулах. Например, в случае молекулы F ₂ связь FF образуется за счет перекрывания p _z -орбиталей двух атомов F, каждый из которых содержит неспаренный электрон. Поскольку природа перекрывающихся орбиталей у молекул H ₂ и F ₂ различна, сила связи и длина связи различаются. Ковалентная связь в молекуле HF образуется за счет перекрытия 1s-орбитали H и _2pz -орбитали F, обе из которых содержат неспаренный электрон. Взаимное совместное использование электронов между H и F приводит к образованию ковалентной связи в HF.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое теория валентной связи?

Отвечать:

It is a theory that explains chemical bonding. According to VBT, the overlap of partially filled atomic orbitals results in the formation of a chemical bond between two atoms. The unpaired electrons are shared, resulting in the formation of a hybrid orbital.

Вопрос 2: Каковы достоинства теории валентной связи?

Отвечать:

The maximum overlap condition described by the VBT can be used to explain how covalent bonds form in many molecules. The theory can also shed light on the ionic nature of chemical bonds.

Вопрос 3: Как образуются сигма- и пи-связи?

Отвечать:

Sigma bonds are formed when the atomic orbitals involved in the bond overlap head-to-head. Pi bonds, on the other hand, involve the atomic orbitals overlapping in parallel.

Вопрос 4: Основываясь на перекрытии орбиталей, сколько типов ковалентных связей образуется и какие они бывают?

Отвечать:

Two types of covalent bonds are formed as a result of orbital overlapping. These are referred to as sigma and pi bonds.

1. The end-to-end overlap of atomic orbitals along the inter-nuclear axis, known as a head-on or axial overlap, forms sigma bonds. End-on overlapping is classified into three types: s-s overlapping, s-p overlapping, and p-p overlapping.
2. When atomic orbitals overlap in such a way that their axes remain parallel to each other and perpendicular to the internuclear axis, a pi bond is formed.

Вопрос 5: Что такое концепция перекрытия орбит?

Отвечать:

This concept states that a covalent bond formed between atoms results in the overlap of orbitals belonging to atoms with opposite spins of electrons. The type of overlapping between the atomic orbitals determines the stability of the molecular orbital.