Механизмы возникновения ковалентной связи

Ковалентная связь, в зависимости от того, как возникает общая электронная пара, может образовываться по обменному или донорно-акцепторному механизму (см. табл. 2.1).

Обменный механизм. При обменном механизме в образова­нии общей электронной пары от каждого атома участвуют и атомная орбиталь, и неспаренный электрон, находящийся на этой орбитали. По обменному механизму ковалентная связь возникает, например, в молекуле водорода H2.Взаимодейст­вующие атомы водорода, содержащие на атомных s-орбиталях одиночные электроны с противоположными спинами, образуют общую электронную пару, движение которой в молекуле опи­сывается -молекулярной орбиталью, возникающей при слиянии s-атомных орбиталей:

В молекуле аммиака NH3 атом азота, имея на атомных орбиталях внешнего уровня три одиночных электрона и одну электронную пару, образует с участием s-электронов трех ато­мов водорода три общие электронные пары. Эти общие элек­тронные пары в молекуле находятся на -молекулярных орбиталях, возникающих в результате слияния каждой атомной ор­битали атома азота с s-орбиталью атома водорода:

Донорно-акцепторный механизм. Донорно-акцепторныи ме­ханизм возникновения ковалентной связи наблюдается в тех слу­чаях, когда один компонент (донор) имеет на атомной орбитали внешнего уровня электронную пару, а другой (акцептор) - сво­бодную орбиталь. При слиянии атомных орбиталей возникает молекулярная орбиталь, на которой находится общая электронная пара, ранее принадлежавшая донору. Схему этого механизма можно представить так:

По донорно-акцепторному механизму происходит, например, образование связи между молекулой аммиака и катионом водо­рода с возникновением иона аммония [NH₄]⁺. В молекуле ам­миака у атома азота во внешнем слое имеется свободная элек­тронная пара, что позволяет этой молекуле выступать в роли донора. У катиона водорода имеется свободная 1s-орбиталь. За счет слияния атомных орбиталей атома азота и катиона водорода возникает -молекулярная орбиталь, а свободная пара электронов атома азота становится общей для соединяющихся атомов:

В ионе NH₄ ковалентная связь N—Н, образовавшаяся по донорно-акцепторному механизму, полностью эквивалентна по энергии и длине трем другим ковалентным связям N—Н, воз­никшим по обменному механизму.

Связь, образованную по донорно-акцепторному механизму, часто называют донорно-акцепторной, координационной или координативной связью. Однако это не особый вид связи, а лишь иной механизм образования ковалентной связи. Донорно-акцепторный механизм возникновения ковалентной связи характерен для комплексных соединений: роль акцептора обычно выполня­ют катионы металлов, предоставляющие свободные атомные орбитали, например Сu²⁺, который предоставляет четыре свобод­ные атомные орбитали, а донором электронных пар могут быть, например, четыре молекулы NH3 или четыре аниона CN^-:

В обоих случаях между донором и акцептором возникают ковалентные связи с образованием комплексного катиона или аниона.