Теория валентных связей

Теория валентных связей (ТВС) объясняет строение молекул и кристаллов на основе представлений о валентных электронах атомов. Валентная связь формируется за счёт перекрывания атомных орбиталей и совместного использования электронных пар. ТВС объединяет идеи химической валентности, электронного строения и геометрии молекул, обеспечивая количественное и качественное объяснение химических соединений.

Электронная структура и валентные орбитали

Атомные орбитали — это области пространства, где существует высокая вероятность нахождения электрона. В валентной связи участвуют валентные орбитали, которые могут перекрываться с орбиталями другого атома. Основные типы перекрывания:

• σ-связь (сигма) — осевое перекрывание орбиталей, обеспечивает максимальную плотность электронной облачности между ядрами.
• π-связь (пи) — боковое перекрывание р-орбиталей, возникает преимущественно в кратных связях (двойные и тройные).

Энергетически σ-связи прочнее π-связей, так как плотность электронов сосредоточена между ядрами, что повышает стабильность системы.

Гибридизация орбиталей

Гибридизация — процесс формирования гибридных орбиталей, которые обладают направленной геометрией, обеспечивающей устойчивость молекул. Основные типы гибридизации:

• sp — линейная структура, угол 180°, пример: BeCl₂.
• sp² — тригональная плоская структура, угол 120°, пример: BF₃.
• sp³ — тетраэдрическая структура, угол 109,5°, пример: CH₄.
• sp³d — тригонально-бипирамидальная структура, угол 90° и 120°, пример: PCl₅.
• sp³d² — октаэдрическая структура, угол 90°, пример: SF₆.

Гибридизация объясняет реальную геометрию молекул, отличающуюся от простых представлений о валентности атомов.

Ковалентная и ионная компоненты связи

Хотя ТВС ориентирована на ковалентные связи, она учитывает и частичную ионную природу связей. Степень ионности определяется разностью электроотрицательностей атомов:

• Δχ < 0,5 — связь практически чисто ковалентная.
• 0,5 < Δχ < 1,7 — связь полярная ковалентная.
• Δχ > 1,7 — связь преимущественно ионная.

Электронное распределение в полярных связях создаёт дипольные моменты, влияющие на физические свойства соединений, такие как растворимость и температура плавления.

Геометрия молекул и валентные углы

Молекулы формируют геометрические структуры, минимизирующие отталкивание электронных пар. ТВС учитывает валентные углы, определяемые гибридизацией орбиталей и количеством связей и неподелённых электронных пар.

• Неподелённые пары увеличивают отталкивание, уменьшая углы между связями (пример: H₂O, угол 104,5° вместо 109,5°).
• Молекулы с одинаковым числом связей и электронных пар имеют симметричную геометрию (пример: CH₄ — тетраэдр).

Теория резонанса

Многие молекулы не могут быть описаны одной структурой. Резонанс — суперпозиция нескольких формальных структур, отражающих делокализацию электронов. Примеры:

• SO₃ — три эквивалентные структуры с одинаковыми S–O связями.
• Бензол C₆H₆ — делокализованные π-электроны создают одинаковые длины C–C связей.

Резонанс стабилизирует молекулу, снижая её энергию и объясняя равномерное распределение электронной плотности.

Многоцентровые и дельокализованные связи

В ряде соединений электроны распределены не между двумя атомами, а между несколькими, формируя многоцентровые связи. Яркие примеры:

• Бору-водородные кластеры (B₂H₆) — трехцентрово-дваэлектронные связи.
• Ароматические системы — делокализованные π-электроны по всей плоскости цикла.

Влияние ТВС на свойства соединений

Теория валентных связей объясняет:

• Химическую активность через доступность валентных электронов.
• Физические свойства: полярность, растворимость, точки плавления и кипения.
• Стереохимию реакций, определяющую пространственную ориентацию реагентов и продуктов.

Современные расширения ТВС

Современная химия сочетает ТВС с квантовой механикой. Используются молекулярные орбитали (МО) и методы LCAO (linear combination of atomic orbitals), позволяющие количественно предсказывать энергии молекул и распределение электронной плотности, сохраняя при этом интуитивную геометрическую интерпретацию, развитую в классической ТВС.

Теория валентных связей остаётся фундаментальной для понимания строения и реакционной способности молекул, сочетая качественное объяснение геометрии с количественными подходами квантовой химии.