Введение

В химии теория валентных связей (ВВ) — одна из двух основополагающих теорий, наряду с теорией молекулярных орбиталей (МО), разработанных для объяснения химической связи методами квантовой механики. Она рассматривает, как атомные орбитали распадающихся атомов комбинируются, образуя отдельные химические связи при формировании молекулы. В отличие от неё, в теории молекулярных орбиталей орбитали охватывают всю молекулу.

История

В 1916 году Г. Н. Льюис предложил, что химическая связь образуется в результате взаимодействия двух общих связывающих электронов, а молекулы представляются в виде структур Льюиса. Химик Чарльз Ругли Бьюри предположил в 1921 году, что восемь и восемнадцать электронов в оболочке формируют стабильные конфигурации. Бьюри предположил, что электронные конфигурации переходных элементов зависят от валентных электронов во внешней оболочке. В 1916 году Коссель выдвинул свою теорию ионной химической связи (правило октета), также независимо предложенную в том же году Гилбертом Н. Льюисом. Уолтер Коссель предложил теорию, аналогичную теории Льюиса, но его модель предполагала полный перенос электронов между атомами и, следовательно, являлась моделью ионной связи. И Льюис, и Коссель построили свои модели связывания на основе правила Абегга (1904). Хотя в химии и квантовой механике нет математической формулы для расположения электронов в атоме, атом водорода может быть описан уравнением Шредингера и уравнением матричной механики, оба выведенные в 1925 году. Однако, только для водорода, в 1927 году была сформулирована теория Гейтлера — Лондона, которая впервые позволила рассчитать свойства связи молекулы водорода H2 на основе квантово-механических соображений. В частности, Вальтер Гейтлер определил, как использовать волновое уравнение Шредингера (1926) для демонстрации того, как две волновые функции атома водорода объединяются с плюсовыми, минусовыми и обменными членами для формирования ковалентной связи. Затем он позвонил своему коллеге Фрицу Лондону, и они в течение ночи проработали детали теории. Позже Линус Полинг использовал идеи парного связывания Льюиса вместе с теорией Гейтлера — Лондона для разработки двух других ключевых концепций в теории ВВ: резонанса (1928) и орбитальной гибридизации (1930). По словам Чарльза Коулсона, автора известной книги 1952 года «Валентность», этот период знаменует начало «современной теории валентной связи», в отличие от более ранних теорий валентной связи, которые по сути являются электронными теориями валентности, сформулированными на до-волномеханических принципах. Линус Полинг опубликовал в 1931 году свою основополагающую работу о теории валентной связи: «О природе химической связи». Основываясь на этой статье, учебник Полинга 1939 года «О природе химической связи» стал тем, что некоторые называют Библией современной химии. Эта книга помогла химикам-экспериментаторам понять влияние квантовой теории на химию. Однако более позднее издание 1959 года не смогло адекватно решить проблемы, которые, казалось, лучше понимались в рамках молекулярно-орбитальной теории. Влияние теории валентной связи снизилось в 1960-х и 1970-х годах, поскольку молекулярно-орбитальная теория становилась все более полезной благодаря ее реализации в крупных цифровых компьютерных программах. С 1980-х годов более сложные проблемы, связанные с внедрением теории валентной связи в компьютерные программы, были в значительной степени решены, и теория валентной связи переживает возрождение.

Теория

Согласно этой теории, ковалентная связь формируется между двумя атомами посредством перекрывания полузаполненных валентных атомных орбиталей каждого атома, содержащих один неспаренный электрон. Структура валентной связи аналогична структуре Льюиса, но в тех случаях, когда невозможно записать одну структуру Льюиса, используются несколько структур валентной связи. Каждая из этих структур VB представляет собой конкретную структуру Льюиса. Эта комбинация структур валентных связей является ключевым положением теории резонанса. Теория валентной связи рассматривает перекрывающиеся атомные орбитали участвующих атомов как образующие химическую связь. Вследствие перекрытия наиболее вероятно, что электроны находятся в области связи. Теория валентной связи рассматривает связи как слабо связанные орбитали (с малым перекрыванием). Теория валентной связи, как правило, проще применять к молекулам в основном состоянии. Внутренние орбитали и электроны остаются практически неизменными в процессе образования связей. Перекрывающиеся атомные орбитали могут различаться. Существуют два типа перекрывающихся орбиталей: сигма и пи. Сигма-связи образуются при перекрывании орбиталей двух электронов «лоб в лоб». Пи-связи образуются при перекрывании двух орбиталей, когда они параллельны. Например, связь между двумя s-орбиталями является сигма-связью, поскольку две сферы всегда коаксиальны. Что касается порядка связи, одинарные связи содержат одну сигма-связь, двойные связи состоят из одной сигма-связи и одной пи-связи, а тройные связи содержат одну сигма-связь и две пи-связи. Однако атомные орбитали, участвующие в образовании связи, могут быть гибридными. Часто связывающие атомные орбитали обладают характеристикой нескольких возможных типов орбиталей. Методы получения атомной орбитали с подходящими характеристиками для образования связи называются гибридизацией.

Сравнение с теорией МО

Теория валентной связи дополняет молекулярно-орбитальную теорию, которая не основывается на представлении валентной связи о том, что электронные пары локализованы между двумя конкретными атомами в молекуле, а распределены по наборам молекулярных орбиталей, которые могут простираться на всю молекулу. Молекулярно-орбитальная теория позволяет предсказывать магнитные и ионизационные свойства достаточно прямолинейно, в то время как теория валентной связи дает схожие результаты, но является более сложной. Теория валентной связи рассматривает ароматические свойства молекул как результат спинового сочетания орбиталей. По сути, это все еще старая идея резонанса между структурами, предложенными Фридрихом Августом Кекуле фон Страдоницем и Джеймсом Дьюаром. В отличие от этого, молекулярно-орбитальная теория рассматривает ароматичность как делокализацию электронов. Применение теории валентной связи ограничено относительно небольшими молекулами, в основном из-за отсутствия ортогональности между орбиталями валентной связи и между структурами валентной связи, в то время как молекулярные орбитали ортогональны. С другой стороны, теория валентной связи предоставляет гораздо более точное представление о реорганизации электронного заряда, происходящей при разрыве и образовании связей в ходе химической реакции. В частности, теория валентной связи правильно предсказывает диссоциацию гомоядерных двухатомных молекул на отдельные атомы, в то время как простая молекулярно-орбитальная теория предсказывает диссоциацию на смесь атомов и ионов. Например, молекулярно-орбитальная функция для диводорода представляет собой равную смесь ковалентных и ионных структур валентной связи и, следовательно, неверно предсказывает, что молекула будет диссоциировать на равную смесь атомов водорода и положительных и отрицательных ионов водорода.

Вычислительные подходы

Современная теория валентных связей заменяет перекрывающиеся атомные орбитали перекрывающимися орбиталями валентных связей, которые развернуты по большому числу базисных функций, либо локализованных на отдельных атомах для получения классической картины валентных связей, либо центрированных на всех атомах в молекуле. Получаемые энергии становятся более сопоставимыми с энергиями, полученными в расчетах, включающих корреляцию электронов на основе референтной волновой функции Хартри — Фока. Последняя работа принадлежит Шейку и Гиберти.

Приложения

Важным аспектом теории валентной связи является условие максимального перекрывания, которое приводит к образованию наиболее прочных связей. Эта теория используется для объяснения образования ковалентных связей во многих молекулах. Например, в случае молекулы F2 связь F–F образуется в результате перекрывания pz-орбиталей двух атомов F, каждый из которых содержит неспаренный электрон. Поскольку характер перекрывающихся орбиталей различен в молекулах H2 и F2, прочность и длина связей отличаются у молекул H2 и F2. В молекуле HF ковалентная связь образуется в результате перекрывания 1s-орбитали H и 2pz-орбитали F, каждая из которых содержит неспаренный электрон. Взаимное обобщение электронов между H и F приводит к образованию ковалентной связи в HF. Используя современную классическую теорию валентной связи, Патил и Бханаге показали, что катион-анионный интерфейс протонных ионных жидкостей обладает характеристикой сдвига заряда.