Θεωρία δεσμού σθένους

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το άρθρο, θα μάθετε για τη Θεωρία Ομολόγων Σθένους, ένα σημαντικό συστατικό της κβαντικής μηχανικής, καθώς και την εφαρμογή της στην κατανόηση του υβριδισμού και της σειράς δεσμών.

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

Κβαντικοί αριθμοί και τροχιακά σχήματα
Αρχή αποκλεισμού Pauli
Αρχή Aufbau
Κανόνας του Χουντ
Δεσμοί Sigma και Pi

Βασικές αρχές της θεωρίας του δεσμού σθένους

Η θεωρία του δεσμού σθένους είναι 1 από τις 2 θεμελιώδεις θεωρίες δεσμών, μαζί με τη μοριακή τροχιακή θεωρία, που εξηγούν τον σχηματισμό δεσμών μεταξύ των ατόμων. Η θεωρία του δεσμού σθένους είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την εξήγηση της φύσης των ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των ατόμων.

Η ουσία πίσω από τη θεωρία του δεσμού σθένους έγκειται στο να δηλώνει ομοιοπολικούς δεσμούς ως την επικάλυψη ατομικών τροχιακών. Αυτό διαφέρει από τη θεωρία της δομής Lewis στο ότι οι δεσμοί δεν αντιμετωπίζονται ως κοινά σωματίδια, αλλά ως σύννεφα ηλεκτρονίων.

Θα επικεντρωθούμε κυρίως στην επικάλυψη υβριδισμένων τροχιακών S, P και D.

Αλληλεπικάλυψη τροχιών στη θεωρία δεσμού σθένους

Ουσιαστικά, ένας χημικός δεσμός περιλαμβάνει τους πυρήνες δύο ατόμων που έλκονται το ένα από τα ηλεκτρόνια σθένους του άλλου. Καθώς δύο πυρήνες πλησιάζουν ο ένας τον άλλον, αυτή η ελκτική δύναμη αυξάνεται. Ωστόσο, τα δύο άτομα απωθούν όλο και περισσότερο το ένα το άλλο σε μικρότερες αποστάσεις, λόγω των όμοιων φορτίων των πυρήνων και των ηλεκτρονίων. Τελικά, υπάρχει κάποια απόσταση όπου τα άτομα έλκονται περισσότερο μεταξύ τους πριν οι απωστικές δυνάμεις κυριαρχήσουν στην αλληλεπίδραση. Όταν δύο άτομα φτάσουν σε αυτή την τέλεια ελκυστική απόσταση, θεωρούνται χημικά συνδεδεμένα.

Σύμφωνα με τη θεωρία του δεσμού σθένους, αλληλεπιδράσεις όπως αυτή συμβαίνουν μόνο κάτω από μισογεμάτα χημικά τροχιακά, με κάθε άτομο να παρέχει ένα ηλεκτρόνιο. Όταν σχηματίζεται ένας χημικός δεσμός, τα ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια που σχηματίζουν δεσμούς γεμίζουν το τροχιακό και των δύο ατόμων, τα οποία «μοιράζονται» το ζεύγος ηλεκτρονίων. Χωρικά, αυτό περιλαμβάνει τον δεσμό που σχηματίζει ηλεκτρόνια σθένους που καταλαμβάνουν την επικάλυψη μεταξύ των τροχιακών των δύο ατόμων.

Είναι σημαντικό, αν και αυτά τα ηλεκτρόνια είναι κοινά, εξακολουθούν να θεωρούνται ότι καταλαμβάνουν τα ίδια ατομικά τροχιακά όπως πριν. Για παράδειγμα, εάν δύο άτομα υδρογόνου σχηματίσουν έναν δεσμό σίγμα, τα δύο ηλεκτρόνια που εμπλέκονται στον δεσμό εξακολουθούν να καταλαμβάνουν το s τροχιακά των υδρογόνων. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη θεωρία του μοριακού δεσμού, η οποία περιλαμβάνει τα ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν ένα νεοσχηματισμένο μοριακό τροχιακό.

Σειρά ομολόγων στη Θεωρία Ομολόγων Σθένους

Επιπλέον, αυτό το τροχιακό αντι-δεσμού μπορεί να καθορίσει εάν ένας δεσμός θα σχηματιστεί ή αν θα σπάσει. Ένα εργαλείο γνωστό ως τύπος παραγγελίας ομολόγων μας επιτρέπει να προβλέψουμε πόσοι δεσμοί θα σχηματιστούν:

Σειρά δεσμών =[Συγκόλληση τροχιακών' άθροισμα ηλεκτρονίων – άθροισμα ηλεκτρονίων τροχιακών αντι-δεσμών]

Για παράδειγμα, το νέον δεν μπορεί να συνδεθεί με τον εαυτό του. Επειδή τα μοριακά τροχιακά του είναι γεμάτα, ο ενδιάμεσος δεσμός μεταξύ 2 ατόμων νέον θα έχει 4 ηλεκτρόνια. Και επειδή το τροχιακό του δεσμού σίγμα θα γεμίσει με 2 ηλεκτρόνια, τα υπόλοιπα 2 ηλεκτρόνια θα εισέλθουν στο τροχιακό αντιδεσμικό σίγμα, εμποδίζοντας έτσι το σχηματισμό του δεσμού.

Υβριδισμός στη Θεωρία Ομολόγων Σθένους

Πώς εξηγεί η θεωρία του δεσμού σθένους την ύπαρξη μορίων όπως το εξαφθοριούχο θείο; Το κεντρικό άτομο (θείο) πρέπει να συνδεθεί 6 φορές, αλλά έχει μόνο 2 ηλεκτρόνια μοναχικού σθένους). Για να συζητήσουμε, πρέπει να συζητήσουμε το θέμα του υβριδισμού.

Ο υβριδισμός είναι η διαδικασία συνδυασμού 2 ή περισσότερων ατομικών τροχιακών για να σχηματιστεί ένα εντελώς νέο τροχιακό για να συγκρατεί επιπλέον ηλεκτρονιακές ομάδες (μοναχικά ζεύγη ηλεκτρονίων και δεσμών). Επιπλέον, το υβριδικό τροχιακό χρησιμεύει ως χρήσιμος δείκτης των σχετικών ενεργειακών επιπέδων, καθώς τα υβριδικά τροχιακά με περισσότερο s χαρακτήρα (λιγότερο υβριδισμό p και d) έχουν πολύ χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας, που σημαίνει ότι το τροχιακό δεσμού είναι καλύτερος δέκτης ηλεκτρονίων.

Γιατί ο υβριδισμός είναι ενεργειακά ευνοϊκός

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο τροχιακός αριθμός διατηρείται με την εισαγωγή ηλεκτρονίων από ένα πλήρες τροχιακό σε ένα τροχιακό χωρίς ηλεκτρόνια. Το νεοδημιουργημένο τροχιακό επιτρέπεται να σχηματιστεί επειδή επιτρέπει πρόσθετες ομάδες ηλεκτρονίων σε συλλογικά χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο.

Αναφερόμενοι στο εξαφθοριούχο θείο, το κεντρικό θείο θα υβριδοποιήσει τα τροχιακά του για να δημιουργήσει ένα υβριδικό τροχιακό sp3d2. Αυτό ικανοποιεί τον αριθμό των τροχιακών που χρειάζονται για να στεγαστούν οι 6 δεσμοί με κάθε αντίστοιχο φθόριο. Τυχόν γεμάτα τροχιακά που δεν χρησιμοποιούνται για υβριδισμό θα συνεχίσουν να υπάρχουν στο υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο.

τα υβριδικά ατομικά τροχιακά θα πρέπει να ευθυγραμμίζονται με τα σχήματά τους που προβλέπονται με την εφαρμογή του μοντέλου VSEPR. Αυτό δημιουργεί ένα πρόβλημα στη θεωρία του δεσμού σθένους. το σχήμα των τροχιακών 3-p και των τροχιακών 5-d δεν θα ευθυγραμμίζεται με το μοντέλο VSEPR. Αν λάβουμε υπόψη τη φύση των τροχιακών 3-p, καθένα από τα οποία βρίσκεται κάθετα σε ένα από τα επίπεδα x-y, x-z ή y-z, θα προέβλεπε μια γωνία 90 μοιρών μεταξύ όλων των πρόσθετων δεσμών μετά τον πρώτο δεσμό. Αυτό είναι αδύνατο στο μοντέλο VSEPR. Έτσι, όταν συμβαίνει υβριδισμός, τα σχήματα των νεοσχηματισθέντων τροχιακών διαφέρουν από τα αρχικά.

Υβριδισμός και συντονισμός στη θεωρία δεσμού σθένους

Τα υβριδικά τροχιακά πρέπει να παραμένουν σταθερά όταν χειρίζονται μόρια με δομές συντονισμού. Έτσι, εξετάζουμε πρώτα όλες τις πιθανές δομές συντονισμού ενός μορίου πριν προσδιορίσουμε τον υβριδισμό του. Εάν ένα συγκεκριμένο άτομο μέσα σε ένα μόριο σχηματίζει διπλό δεσμό σε 1 δομή συντονισμού αλλά διατηρεί ένα μοναχικό ζεύγος σε άλλη δομή συντονισμού, ο υβριδισμός του θα είναι αυτός με υψηλότερο χαρακτήρα s. Αυτό σημαίνει ότι ακόμα κι αν το άτομο μοιάζει να είναι sp3 σε 1 δομή συντονισμού και sp2 σε άλλη δομή συντονισμού, το μόριο πρέπει να είναι sp2 και στις δύο δομές συντονισμού

Σύνδεση Sigma και Pi στη Θεωρία Δεσμού Σθένους

Ενώ ο υβριδισμός μπορεί να εξηγήσει πώς τα άτομα σχηματίζουν δεσμούς πέρα από τον αριθμό των ηλεκτρονίων μοναχικού σθένους, εξηγεί πώς σχηματίζονται διπλοί και τριπλοί δεσμοί.

Πρώτον, πρέπει να εξηγήσουμε τους 2 τύπους δεσμών:Sigma και Pi. Οι δεσμοί σίγμα σχηματίζονται όταν το υψηλότερο διαθέσιμο τροχιακό κάθε ατόμου επικαλύπτει το ένα το άλλο. Η εποικοδομητική αλληλεπίδραση θα οδηγήσει έτσι στο σχηματισμό ενός δεσμού σίγμα μεταξύ των δύο ατόμων με υψηλότερη κατανομή πυκνότητας ηλεκτρονίων μεταξύ των δύο πυρήνων.

Τετραπλοί δεσμοί;

Η επικάλυψη των τροχιακών p είναι αυτή που σχηματίζει τους δεσμούς pi. Δεδομένου ότι υπάρχουν 3 τροχιακά p για κάθε άτομο, αυτό φυσικά θα γεννούσε το ερώτημα:Γιατί ένα μόριο δεν μπορεί να σχηματίσει δεσμούς 1 σίγμα και δεσμούς 3 pi για να σχηματίσει έναν τετραπλό δεσμό;

Οι δεσμοί Pi σχηματίζονται με επικάλυψη τροχιακών p που είναι ορθογώνια (κάθετα) στον αρχικό δεσμό σίγμα. Ωστόσο, μόνο 2 από τα 3 τροχιακά p μπορούν να είναι κάθετα στον δεσμό σίγμα. Το τρίτο από τα τροχιακά p είναι παράλληλο σε ένα δεδομένο σίγμα δεσμό. Επομένως, το άτομο θα απαιτούσε την επίκληση του τροχιακού d για να σχηματίσει τετραπλούς δεσμούς.

Ερωτήσεις κριτικής:

Δοκιμάστε τις παρακάτω ερωτήσεις αξιολόγησης μόνοι σας. Όταν ολοκληρώσετε τις ερωτήσεις, κάντε κύλιση για να βρείτε τις απαντήσεις πιο κάτω στη σελίδα.

1:Πόσοι δεσμοί σίγμα και π υπάρχουν στο Αιθίνιο;

2:Πόσοι δεσμοί σίγμα και π υπάρχουν στο H20;

3:Πόσοι δεσμοί σίγμα και π υπάρχουν στη φρουκτόζη;

4:Τι υβριδικό τροχιακό σχηματίζει το άτομο άνθρακα στο μεθάνιο;

5:Τι υβριδικό τροχιακό σχηματίζει το άτομο αζώτου στο μόριο αμμωνίας;

Απαντήσεις:

1:Το αιθένιο σχηματίζει δεσμούς 3 σίγμα και 2 π

2:Το H2O σχηματίζει δεσμούς 2 σίγμα.

3:η φρουκτόζη σχηματίζει δεσμούς 24 sigma και 2 pi.

4:ο άνθρακας στο μεθάνιο σχηματίζει ένα υβριδικό τροχιακό sp3 επειδή περιέχει 4 ομάδες ηλεκτρονίων (4 δεσμούς, 0 μεμονωμένα ζεύγη) και δεν έχει δομή συντονισμού<. /P>

5:το άζωτο στην αμμωνία σχηματίζει ένα υβριδικό τροχιακό sp3 επειδή περιέχει 4 ομάδες ηλεκτρονίων (3 δεσμούς, 1 μεμονωμένο ζεύγος) και δεν έχει δομή συντονισμού.