Большая Советская Энциклопедия (ХИ)

  В том же году (1927) было выполнено два квантовомеханических расчёта Х. с. в молекуле водорода. Американский физик Э. У. Кондон использовал метод молекулярных орбиталей, приписав молекуле водорода структуру, в которой за основу была принята орбиталь H₂ ⁺ , рассчитанная Бурро, причём к этой орбитали были отнесены оба электрона с противоположными спинами. Немецкие физики В. Гейтлер и Ф. Лондон отнесли один электрон, с положительным спином, к 1s -орбитали одного атома водорода, а второй, с отрицательным спином, к 1s -орбитали др. атома водорода. Волновая функция для данной молекулы была суммой этой функции и функции, в которой два электрона менялись местами — электрон с положительным спином относился ко второму атому, а с отрицательным — к первому атому. Оба расчёта, как Кондона, так и Гейтлера и Лондона, привели к выводу об устойчивости молекулы водорода с энергией связи, превышающей приблизительно в 1,7 раза энергию связи в молекулярном ионе водорода. Связь между двумя атомами водорода в молекуле водорода — прототип связи с поделенной электронной парой по Льюису, обычно называют ковалентной связью.

  На основании формальных результатов квантовомеханического рассмотрения Х. с. можно сделать следующий простой вывод: атомы могут образовывать ковалентную связь (осуществляемую парой электронов) за счёт каждой стабильной орбитали, занятой первоначально одним электроном; при этом образуется связь такого типа, как описанная выше для молекулы водорода, а её стабильность может быть связана с тем же самым явлением резонанса. Иными словами, для образования ковалентной связи необходимо наличие двух электронов с противоположными спинами и по одной стабильной орбитали у каждого из двух связываемых атомов.

  Атом водорода с единственной стабильной орбиталью (1s ) может образовывать лишь одну ковалентную связь. Атом углерода и другие атомы второго периода (бор, азот, кислород) могут образовывать не более четырёх ковалентных связей с использованием четырёх орбиталей L -оболочки. Квантовомеханическое рассмотрение приводит также к выводу, что каждая дополнительная связь, образующаяся в молекуле, в общем случае ведёт к дальнейшей стабилизации молекулы, а следовательно, наиболее устойчивы такие электронные структуры молекулы, в которых все стабильные орбитали атомов либо использованы для образования связей, либо заполнены неподелёнными парами электронов.

  Метану CH₄ , например, приписывается следующая структура валентных связей:

 

  Чёрточки означают поделенные электронные пары. Можно сказать, что поделенная электронная пара занимает 1s -орбиталь каждого атома водорода и одну из четырёх орбиталей L -оболочки атома углерода. Атомы водорода, т. о., комплектуют завершенную К -оболочку (как в атоме гелия), а атом углерода, который также имеет неподелённую пару 1s -электронов, комплектует завершенную L -оболочку (как в атоме неона).

  Представление о гибридных орбиталях, формирующих связи, даёт решение проблемы, волновавшей химиков и физиков в ранний период квантовой теории. Четыре орбитали L -оболочки делятся на два вида — 2s -орбиталь и три 2р -орбитали, а четыре связи атома углерода, как показывают химические свойства соединений углерода, оказываются одинаковыми. В действительности вместо 2s -орбитали и трёх 2р -орбиталей может образовываться набор эквивалентных sp³ -гибридных орбиталей, называется тетраэдрическими орбиталями; они направлены к вершинам правильного тетраэдра и обладают большей силой связи, чем s -орбиталь или р -орбиталь (Л. Полинг , 1931).

  Для молекулы воды H₂ O можно записать следующую валентную структуру:

  Атом кислорода окружен двумя неподелёнными парами электронов и двумя поделенными парами. 2s -Орбиталь несколько более стабильна, нежели 2р -орбитали, так что неподелённые электронные пары прежде всего заполняют 2s -орбиталь. Если бы две связи в молекуле воды были образованы р -орбиталями атома кислорода, то угол между связями был бы равен 90°, поскольку при угле 90° друг относительно друга р -орбитали имеют максимальную силу связи. Расчёты показывают, что максимальная устойчивость достигается в том случае, когда орбитали, образующие связи в молекуле воды, в небольшой мере имеют также s -характер, соответственно валентный угол между связями несколько больший, чем 90°. Экспериментальное значение валентного угла в молекуле H₂ O 104,5°, а валентные углы в гидридах H₂ S, H₂ Se и H₂ Te равны 92, 91 и 90° соответственно.

  Двойная ковалентная связь между атомами углерода имеется в этилене C₂ H₄ , а тройная связь — в ацетилене C₂ H₂ . Валентные структуры для этих молекул следующие: