Теория валентных связей Гайтлера-Лондона (Valence Bond Theory, VBT) представляет собой квантовомеханическое описание образования химических связей на основе взаимодействия атомных орбиталей. Она объясняет, каким образом электроны участвуют в образовании ковалентных связей и как определяется геометрия молекул.
Ключевым положением теории является принцип наложения (overlap) атомных орбиталей. Связь образуется тогда, когда атомные орбитали двух атомов частично перекрываются, создавая область повышенной электронной плотности между ядрами. Энергетически выгодное наложение снижает потенциальную энергию системы, что обеспечивает стабильность молекулы. Степень перекрытия напрямую влияет на прочность связи: чем больше перекрытие, тем сильнее связь.
В рамках VBT предполагается, что каждый электрон в атоме может образовывать связь только при условии спаривания с электронами другого атома с противоположными спинами. Спаривание происходит в результате обмена электронами, что создаёт энергетически благоприятную ситуацию. Электроны при этом остаются локализованными в области перекрытия орбиталей, в отличие от теории молекулярных орбиталей, где электроны делокализованы.
Для объяснения геометрии молекул теория ВБ вводит концепцию гибридизации орбиталей. Гибридизация представляет собой математическое сочетание атомных орбиталей одного атома, в результате чего образуются новые гибридные орбитали с направленностью, соответствующей экспериментально наблюдаемой структуре молекулы. Основные типы гибридизации:
Гибридизация позволяет объяснить несоответствие между симметрией исходных атомных орбиталей и фактической геометрией молекулы.
Валентная связь может образовываться различными способами в зависимости от типа перекрытия:
В молекулах с кратными связями всегда присутствует комбинация σ- и π-связей: одна σ-связь формирует основу, остальные π-связи добавляют дополнительную прочность и электронную плотность.
VBT позволяет учитывать резонансные структуры, где одна и та же связь может быть представлена в виде нескольких эквивалентных распределений электронов. В классических примерах, как у бензола, электронная плотность остаётся локализованной в области перекрытия орбиталей, но резонанс объясняет равномерное распределение связи между всеми атомами углерода.
Энергия валентной связи определяется:
Эти факторы объясняют, почему длина и прочность связей различны у атомов одного типа, например, одинарная, двойная и тройная связи углерода имеют разные длины и энергии.
Теория ВБ успешно объясняет форму молекул и углы связей. Например, в молекуле воды угол H–O–H равен около 104,5°, что согласуется с гибридизацией sp³ атома кислорода и наличием двух неподелённых электронных пар, влияющих на пространственное расположение связей.
Теория ВБ хорошо описывает локализованные ковалентные связи, но имеет ограничения:
Тем не менее VBT остаётся фундаментальной моделью для понимания локализованных химических связей, их прочности, направленности и взаимного влияния электронов на геометрию молекул.