Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи

Единичная ковалентная связь между атомами может возникнуть не только в результате образования пары электронов из двух неспаренных электронов, принадлежащих обоим атомам. Образование обобществленной пары электронов может происходить и в том случае, когда оба атома не имеют неспаренных электронов, но один из них имеет неподеленную пару электронов, а другой свободную орбиталь. Первый атом предоставляет для образования связи свою неподеленную пару, он называется донором, а второй предоставляет свободную орбиталь, принимая (акцептируя) на нее эту неподеленную пару, он называется акцептором. Причем образующаяся связь не будет ничем отличаться от других ковалентных связей. Часто говорят об образовании донорно-акцепторной (координационной) химической связи, но при этом надо помнить, что она не является особым типом химической связи, а название указывает только на механизм образования.

Пример. Молекула оксида углерода (CO). По методу ВС атом меду атомами углерода икислорода может образовываться двойная связь, поскольку они имеет по два неспаренных электрона. Эксперимент показывает, что энергия связи в молекуле CO существенно больше и по величине соответствует тройной связи. Образование третьей связи может происходить по донорно-акцепторному механизму. Перекрывание p_x-орбиталей атомов углерода и кислорода приводит к образованию s-связи. Неспаренные p_y электроны углерода и кислорода образуют p-связь. Свободная p_z-орбиталь углерода и неподеленная пара электронов кислорода на p_z-орбитали образуют вторую p-связь (рис. 3.16).

Донорно-акцепторный механизм объясняет образование ковалентной химической связи между молекулами и ионами, которые в обычном смысле не имеют валентных электронов и не могут образовывать химическую связь, например, в комплексных соединениях. Комплексные соединения (координационные соединения) – химические соединения, в молекулах которых можно выделить центральный атом (комплексообразователь) и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы (лиганды). Центральный атом и лиганды образуют внутреннюю сферу, внешнюю сферу составляют, как правило, ионы, компенсирующие заряд внутренней сферы. Например, [H₃O]Cl, [NH₄]OH, K[BF₄], [Cu(NH₃)₄]Cl и т.д. Центральный атом связан с лигандами ковалентной связью, образованной по донорно-акцепторному механизму. Причем центральный атом может быть как донором, так и акцептором.

Комплексный ион пишется в квадратных скобках, участвует в обменных химических реакциях как единая частица. Заряд комплексного иона определяется алгебраической суммой зарядов центрального атома и лигандов. Число лигандов – координационное число центрального атома.

Пример 1. Ион аммония [NH₄]⁺ NH₃ + H⁺ ® [NH₄]⁺

Атом азота в молекуле аммиака имеет три неспаренных p-электрона, и может образовать связи с тремя атомами водорода. На 2s-орбитали находится пара электронов. Ион водорода имеет свободную 1s-орбиталь. На ней может разместиться неподеленная пара электронов азота (рис. 3.17). В результате образуется ион [NH₄]⁺.

Рис. 3‑17 Схема образования ковалентной связи в ионе аммония

Эксперимент показывает, что ион аммония имеет тетраэдрическую конфигурацию и все четыре связи N-H равноценны. Это свидетельствует о sp³-гибридизации валентных орбиталей атома азота.

Пример 2. Ион [BF₄]^- BF₃ +F^- ® [BF₄] ^-

Атом бора в молекуле фторида бора имеет три электрона занимающих sp²-гибридные орбитали, которые использует для образования ковалентной связи с атомами фтора, и одну 2p_z-свободную орбиталь. Ион фтора имеет неподеленные пары электронов, одна из которых может расположиться на свободной орбитали бора. Это позволяет изменить гибридизацию атомных орбиталей бора на sp³. Образовавшийся ион имеет тетраэдрическую конфигурацию и четыре равноценных иона фтора (рис. 3.18).

Рис. 3‑18 Схема образования ковалентной связи в ионе [BF₄] ^-