-Метод валентних зв'язків

Розглянемо особливості ковалентного зв'язку з позиції методу ВЗ.

Валентність. Валентністю елементів називається здат­ність їхніх атомів сполучатись з атомами інших елементів. За одиницю кількісної характеристики валентності елементів прийнято валентність Гідрогену. Тому валентність хімічного елемента визначає­ться як число, яке показує, скільки атомів Гідрогену може приєднати один атом певного елемента або замістити їх у сполуках. Така валентність називається стехіометричною. Проте визначення по­няття стехіометричної валентності не дає чіткого розуміння природи валентності.

З погляду методу валентних зв'язків чисельне значення валент­ності відповідає числу ковалентних зв'язків, що утворює атом. Оскільки в утворенні ковалентних зв'язків за В.Гейтлером і Ф.Лондоном беруть участь одноелектронні хмари, то валентність атома елемента визначається числом неспарених електронів. Наприклад, в основному стані атом Нітрогену має три неспарених елек­трони

,

2s 2р

які можуть брати участь в утворенні ковалентних зв'язків. На­приклад, в молекулах NН3, N2 ковалентність Нітрогену дорівнює трьом:

Під час хімічних реакцій атоми можуть переходити у збудже­ний стан. При цьому двохелектронні хмари розпадаються на одно­електронні – електрони розпаровуються. Процес розпаровування електронів потребує затрати енергії. При утворенні хімічного зв'язку неспареними електронами виділяється енергія. Для того щоб хімічний зв'язок був стійким, треба, щоб затрата енергії на розпаровування електронів була меншою за енергію, яка виділяє­ться при утворенні хімічного зв'язку.

Розглянемо основний і збуджений стани деяких елементів дру­гого і третього періодів періодичної системи Д.І.Менделєєва.

Атом Літію в основному стані має один неспарений електрон 2s1, який може утворювати одну зв'язуючу електронну пару з ато­мом іншого елемента. Літій виступає як одноковалентний елемент і це співпадає з номером групи, в якій він розміщений.

Берилій в основному стані не має неспарених електронів. Проте відомі сполуки, в яких він виявляє валентність, що дорівнює двом. Це пояснюється тим, що атом Берилію переходить у збудже­ний стан Ве*:

2s 2р 2s 2р

Енергія збудження атома Берилію при переході із стану 2s2 в стан 2s12р1 становить 356 кДж/моль.

Утворення одного хімічного зв'язку супроводиться виділенням енергії (464 кДж/моль). Отже, при утворенні двох хімічних зв'язків виділяється значно більше енергії, ніж її витрачається на збу­дження атома.

Збудження атомів Бору та Карбону також потребує затрати невеликої кількості енергії тому, що від­бувається переміщення електрона з одного підрівня на інший у ме­жах одного квантового рівня. У збудженому стані атом Бору має три неспарених електрони, а Карбон у сполуках, як відомо, чотиривалентний.

Збудження атомів Нітрогену (2s22р3), Оксигену (2s22р4) і Флуору (2s22р5) в межах другого квантового рівня не може привести до збільшення числа неспарених електронів. Збудження електронів у цих атомах пов'язане з їх переходом на наступний квантовий рівень і потребує значної енергії, яка не компенсується виділенням енергії завдяки утворенню додаткових зв'язків. Тому за рахунок неспарених елек­тронів атом Нітрогену може утворити не більш ніж три ковалентні зв'язки, атом Оксигену – два і атом Флуору – лише один.

Атоми елементів третього періоду на зовнішньому енергетично­му рівні мають вакантний d-підрівень, на який при збудженні мо­жуть переходити s- і р-електрони зовнішнього рівня. При цьому з'являється додаткова можливість збільшення числа неспарених електронів. Так, наприклад, атом Хлору в основному стані має один неспарений електрон і при затраті енергії може бути переведений у збуджений стан, який характеризується наявністю трьох, п'яти і семи неспарених електронів:

Тому атом Хлору може брати участь в утворенні не тільки одного, а й трьох, п'яти і семи ковалентних зв'язків, виявляючи при цьому ковалентність, що дорівнює 1, 3, 5 і 7. Стани елементів третього періоду Сульфуру S* (3s13р33d2) і Фосфору Р* (3s13р33d1) відповідають максимальному значенню ковалентності цих елементів.

Отже, в утворенні ковалентного зв'язку можуть брати участь неспарені електрони незбудженого і збудженого атомів. Проте це ще не вичерпує валентні можливості атома.