Теории, объясняющие ковалентную связь, правило октета и концепцию перекрывающихся орбиталей

Концепция ковалентной связи, разработанная в соответствии с нашими знаниями об электронных свойствах, из теорий, которые объясняют образование ковалентной связи : Электронная теория валентности , Теория валентной связи и теория молекулярных орбиталей.

Электронная теория валентности (правило октета 1916 г.)

Эта теория была предложена Льюисом и Козелем, где они постулировали, что ковалентная связь образуется, когда несколько электронов из внешней оболочки двух связанных атомов распределяются между ядрами, следовательно, самая внешняя оболочка каждого атома содержит восемь электронов через разделение электронных пар.

Правило октета: за исключением водорода, лития и бериллия, атомы всех элементов стремятся достичь октетной структуры ближайшего инертного газа .

Неадекватность правила октетов

Связь во многих молекулах не может быть объяснена на основе правила октетов, например:

Молекула пентахлорида фосфора PCl ₅ , потому что атом фосфора окружен десятью электронами .

₁₅ P: [ ₁₀ Ne], 3s², 3p ³

₁₇ Cl: [ ₁₀ Ne], 3 сек², 3 полюса ⁵

Молекула трифторида бора BF ₃ , потому что атом бора окружен всего шестью электронами .

₅ B: 1s², 3s², 2p ¹

₉ этаж: 1 сек², 2 сек², 2 кадра ⁵

Простого представления ковалентной связи как общей пары электронов недостаточно для объяснения многих свойств молекул, таких как стереоструктура и углы между связями .

Теория валентных связей (VBT)

Эта теория основана на выводах квантовой механики, которые рассматривают электрон не только как отрицательную частицу, движущуюся по определенной орбите, но и как материальную частицу с волновыми свойствами, которая может существовать в любом месте в пространстве, окружающем ядро.

Эта теория объясняет образование ковалентной связи в результате перекрытия атомной орбитали одного атома, содержащего один электрон, с аналогичной орбиталью другого атома. Теория валентной связи зависит от двух основных концепций, а именно: концепция и концепция гибридных орбиталей.

Теория валентной связи: ковалентная связь в молекуле возникает в результате перекрытия некоторых атомных орбиталей в объединенных атомах, а остальные атомные орбитали, которые не участвовали в образовании связей, остаются такими же, как и в свободных атомах.

Концепция перекрытия орбиталей

Перекрытые орбитали

Когда два атома сближаются, образуя ковалентную связь , атомная орбиталь одного атома — содержит один электрон — перекрывается с аналогичной орбиталью — содержит один электрон — другого атома.

Приложение 1: образование молекулы водорода согласно концепции перекрывающихся орбиталей.

Когда два атома водорода приближаются друг к другу, происходит перекрытие между 1-й орбиталью (содержащей один электрон) одного атома с другой 1-й орбиталью (содержащей один электрон) другого атома водорода с образованием молекулы водорода H ₂ .

Приложение 2: Образование фтороводорода согласно концепции перекрывающихся орбиталей.

Когда атом фтора приближается к атому водорода, одна из 2p _z -орбиталей атома фторида (которая имеет единственный электрон) перекрывается с 1s-орбиталью (которая имеет единственный электрон) атома водорода с образованием молекулы фтора водорода HF.

Неспособность концепции перекрывающихся орбиталей объяснить структуру молекулы метана

Из электронной конфигурации углерода ясно, что основное состояние атома углерода имеет только два электрона в одном состоянии на 2p-орбитали.

Однако, согласно концепции перекрывающихся орбиталей, атом углерода связан с двумя атомами водорода двумя ковалентными связями типа (C — H), таким образом, постулируется формула молекулы метана — CH ₂ и его валентный угол равно 180 °.

Но при изучении связей в метане — на самом деле — обнаруживается, что атом углерода связан с четырьмя атомами водорода четырьмя симметричными связями по длине и силе, и молекула принимает форму тетраэдра и углы между связями = 109,5 °.

Теория валентной связи объяснена образование четырех ковалентных связей в молекуле метана в процессе возбуждения , который происходит , когда атом углерода приобретает определенное количество энергии , то один электрон из 2s орбитальных переводов в вакантном 2р орбиталь, Таким образом, атом углерода имеет четыре орбитали, и каждая орбиталь содержит один электрон, поэтому атом углерода связывается с 4 атомами водорода 4 ковалентными связями (C — H).

Но показана другая проблема, неэквивалентность четырех (C — H) связей, потому что электрон 2s-орбитали отличается от трех электронов трех 2p-орбиталей по энергии и стероструктуре орбиталей. Итак, валентность Теория связи не могла объяснить структуру молекулы метана в свете концепции перекрывающихся орбиталей.

Концепция гибридизированных орбиталей

Чтобы решить проблему несимметрии четырех орбиталей в возбужденном атоме углерода, должен существовать еще один шанс, который происходит с атомными орбиталями в атоме углерода, что приводит к образованию четырех эквивалентных орбиталей, известных как гибридизированные орбитали. Этот процесс называется путем гибридизации.

Гибридизация — это процесс наложения двух или более разных орбиталей одного и того же атома с образованием ряда новых эквивалентных орбиталей, называемых гибридизированными орбиталями.

Условия процесса гибридизации:

1. Это происходит между орбиталями одного и того же атома.
2. Это происходит между орбиталями близких энергий, такими как (2s с 2p), (4s с 3d).
3. Количество гибридизированных орбиталей = количество чистых орбиталей, подвергающихся гибридизации с их символами.

Гибридизированные орбитали отличаются по форме и более активны, чем чистые орбитали. Поскольку гибридизированные орбитали более выступают наружу, они более способны перекрываться, чем чистые атомные орбитали.

Некоторые из типа гибридизации

Тип гибридизации — sp ³ : s-орбиталь перекрывается с тремя из p-орбиталей, образуя четыре гибридизированных орбитали, каждая из которых названа sp ³ гибридной орбиталью.

s + 3p → 4sp ³   (гибридизация)

Тип гибридизации — это sp ² : s -орбиталь перекрывается с двумя из p-орбиталей, образуя три гибридизированных орбитали, каждая из которых называется гибридной sp ² -орбиталью.

s + 2p → 3sp ³    (гибридизация)

Тип гибридизации — sp: s-орбиталь перекрывается с одной из p-орбиталей, образующих две гибридизированные орбитали, каждая из которых называется sp-гибридной орбиталью.

s + p → 2sp (гибридизация)

Объяснение структуры молекулы метана с использованием концепции гибридизированных орбиталей

Процесс возбуждения происходит , когда атом углерода приобретает определенное количество энергии , то атом углерода , как говорят, в возбужденном состоянии, T он четыре орбитали 2s, 2р _х , 2р _у и 2р _г гибридизуют образуя четыре гибридные орбитали, где каждый из них назван sp ³ и содержит один единственный электрон .

Чтобы преодолеть силы отталкивания между орбиталями, их разводят в пространстве как можно дальше, пока углы между гибридными орбиталями не станут 109,5 °, тогда они будут более устойчивыми (менее отталкивающими).

Атом углерода связывается с четырьмя атомами водорода, перекрывая четыре sp ³ -гибридизированные орбитали атома углерода с четырьмя 1s-орбиталями четырех атомов водорода, образуя четыре симметричные ковалентные связи (C — H) по длине и силе. форма тетраэдра с углами между связями = 109,5 °.

Теория молекулярных орбиталей

Теория молекулярных орбиталей: молекула рассматривается как одна единица или большой атом с несколькими ядрами, в котором все атомные орбитали объединенных атомов смешаны или гибридизованы, образуя молекулярные орбитали . Молекулярные орбитали обозначены символом сигма (σ), пи (π) и дельта (δ).

Сигма-связь (σ)

Сигма-связь: Связь, которая образуется в результате перекрытия двух атомных орбиталей вдоль оси головой к голове, она сильнее, чем пи-связь, перекрывающиеся орбитали находятся на одной линии или коллинеарно перекрываются.

Связь пи (π)

Связь пи (π): Связь, которая образуется в результате перекрытия двух атомных орбиталей бок о бок . Перекрытие происходит между двумя параллельными орбиталями или боковым перекрытием.