Προσέγγιση Δεσμού-Σθένους Θεωρίας Κρυσταλλικού Πεδίου

Εισαγωγή 

Μία από τις θεωρίες της κβαντικής μηχανικής που μπορεί να εξηγήσει το δεσμό μεταξύ διαφορετικών ατόμων ονομάζεται Θεωρία Δεσμού Σθένους. Η θεωρία προτάθηκε από τον Χάιτλερ και το Λονδίνο στην οποία τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια άλλων ατόμων συνδυάστηκαν για να γεμίσουν ένα κενό τροχιακό. Οι δεσμοί που σχηματίστηκαν έτσι κατηγοριοποιήθηκαν ως δεσμοί σίγμα και π. Οι δύο δεσμοί που σχηματίζει η θεωρία διαφέρουν. Αυτό σημαίνει ότι ο δεσμός σίγμα σχηματίζεται όταν τα τροχιακά μοιρασμού ηλεκτρονίων επικαλύπτονται κατά μέτωπο. Από την άλλη πλευρά, ο σχηματισμός ενός δεσμού pi είναι όταν και τα δύο επικαλυπτόμενα τροχιακά είναι παράλληλα. Ας συζητήσουμε και ας εξηγήσουμε τη Θεωρία του δεσμού Valence  λεπτομερώς!

History Of Valence Bond Theory 

Όταν η θεωρία Lewis και η θεωρία απώθησης ζεύγους ηλεκτρονίων του κελύφους σθένους απέτυχαν να εξηγήσουν τον χημικό δεσμό σε ορισμένα μόρια, οι επιστήμονες έκαναν έρευνα για να βρουν απαντήσεις που σχετίζονται με αυτό. Αν και η θεωρία VSEPR έριξε φως στο σχήμα των απλών μορίων, απέτυχε να εξηγήσει τη γεωμετρία των πολύπλοκων ενώσεων. Λόγω των περιορισμένων εφαρμογών και των δύο θεωριών, ορισμένες γεωμετρίες σύνθετων ενώσεων δεν είχαν εξηγήσεις. Για να ρίξουν λίγο φως στα ζητήματα, ο Χάιτλερ και το Λονδίνο διατύπωσαν τη θεωρία του δεσμού του Valence. Χρησιμοποίησαν τη βοήθεια της κυματικής εξίσωσης Schrodinger για να εξηγήσουν τη γεωμετρία των σύνθετων μορίων.

Θεωρία δεσμού σθένους 

Η ηλεκτρονική δομή των μορίων εξηγήθηκε προσεκτικά από τη θεωρία. Σύμφωνα με τη θεωρία, τα ηλεκτρόνια γεμίστηκαν στα ατομικά τροχιακά μέσα στο μόριο. Οι κύριοι τομείς στους οποίους επικεντρώθηκε η θεωρία VBT ήταν:- 

• Ηλεκτρονική διαμόρφωση διαφορετικών στοιχείων 

• Ατομικά τροχιακά και αλληλεπικαλύπτονται 

• Ο υβριδισμός των ατομικών τροχιακών.

Όταν τα ατομικά τροχιακά επικαλύπτονται, έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό χημικών δεσμών. Η ηλεκτρονική δομή των μορίων είναι το δεύτερο πράγμα που εξηγείται από τη θεωρία του δεσμού σθένους. Επιπλέον, έδωσε έμφαση στο πώς τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου έλκονται στον πυρήνα ενός άλλου ατόμου.

Θεωρίες δεσμού σθένους 

Εδώ είναι τα σημαντικά αξιώματα της θεωρίας του δεσμού σθένους. Ολοκλήρωση αγοράς!

1. Όταν δύο μισογεμάτα τροχιακά σθένους επικαλύπτονται μεταξύ τους, δημιουργείται οι χημικοί δεσμοί. Ως αποτέλεσμα της επικάλυψης μεταξύ των ατόμων, η πυκνότητα ηλεκτρονίων μεταξύ των ατόμων δέσμευσης αυξάνεται. Αυτό, με τη σειρά του, αυξάνει τη σταθερότητα του μορίου που σχηματίζεται.

2. Τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στο τελευταίο κέλυφος του ατόμου συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικού δεσμού. Ωστόσο, τα ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια δεν συμμετέχουν στο σχηματισμό του δεσμού.

3. Οι δεσμοί που σχηματίζονται σύμφωνα με τη θεωρία του δεσμού σθένους είναι κατευθυντικοί και παράλληλοι με τα επικαλυπτόμενα ατομικά τροχιακά.

4. Οι δύο δεσμοί της θεωρίας VBT – ο δεσμός pi και ο δεσμός σίγμα διαφέρουν μεταξύ τους. Δηλαδή σχηματίζεται δεσμός pi όταν υπάρχει πλευρική επικάλυψη (παράλληλη επικάλυψη). Αντίθετα, ένας δεσμός σίγμα σχηματίζεται όταν τα άτομα επικαλύπτονται κατά μήκος του άξονα που περιέχει τους πυρήνες (επικάλυψη κεφαλής με κεφαλή).

Εφαρμογές της θεωρίας του δεσμού σθένους 

Η θεωρία του δεσμού σθένους είναι ένας τρόπος για να εξηγηθεί ο χημικός δεσμός που λαμβάνει χώρα σε διαφορετικά μόρια. Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα που σχηματίζεται κάτω από τη θεωρία του δεσμού σθένους είναι το μόριο φθορίου, το F2. Κατά τον σχηματισμό του μορίου φθορίου, F2, τα τροχιακά Pz επικαλύπτονται και οδηγούν στην ανάπτυξη ενός μόνο δεσμού. Ομοίως, το μόριο υδρογόνου σχηματίζεται όταν δύο άτομα υδρογόνου επικαλύπτονται. Αν και οι δύο δομές σύνδεσης είναι παρόμοιες, ωστόσο οι αντοχές των δεσμών και των δύο μορίων είναι διαφορετικές. Αντίθετα, το τρίτο παράδειγμα επικάλυψης είναι το HF. Σε αυτόν τον τύπο δεσμού, το μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο του τροχιακού υδρογόνου 1s και του τροχιακού φθορίου 2pz επικαλύπτεται. Ακολουθούν μερικές εφαρμογές της Θεωρίας Ομολόγων Σθένους.

1. Η έκταση της επικάλυψης σε διαφορετικά μόρια εξηγείται από τη θεωρία του δεσμού σθένους.

2. Η διαφορά στο μήκος του δεσμού και την αντοχή του δεσμού των μορίων H2 και F2 εξηγείται από τη θεωρία του δεσμού σθένους.

3. Ο χημικός δεσμός στα μόρια HF εξηγείται πλήρως από την προτεινόμενη θεωρία.

Περιορισμοί της θεωρίας του δεσμού σθένους 

Αν και η θεωρία του δεσμού σθένους ήταν επιτυχής στην εξήγηση διαφορετικών πολύπλοκων ενώσεων, ωστόσο απέτυχε να εξηγήσει ορισμένες πτυχές. Εδώ είναι μερικοί από τους περιορισμούς της θεωρίας του δεσμού σθένους.

1. Το τετρασθενές του άνθρακα δεν εξηγήθηκε από τη Θεωρία του δεσμού σθένους.

2. Οι ενέργειες των ηλεκτρονίων ήταν μια άλλη πτυχή στην οποία η θεωρία VBT δεν έριξε φως.

3. Ένα από τα κύρια γεγονότα σχετικά με τη Θεωρία του δεσμού σθένους ότι τα ηλεκτρόνια εντοπίζονται σε διαφορετικές θέσεις ήταν απλώς μια υπόθεση.

4. Οι κινητικές ή θερμοδυναμικές σταθερότητες διαφόρων ενώσεων συντονισμού δεν ερμηνεύτηκαν από τη θεωρία.

5. Απέτυχε να κάνει διάκριση μεταξύ ισχυρών και αδύναμων δεσμών.

6. Το χρώμα που επιδεικνύεται από τις ενώσεις συντονισμού δεν εξηγήθηκε σύμφωνα με τη θεωρία.

Διαφορετικά υβριδικά τροχιακά στη θεωρία δεσμού σθένους 

Υπάρχουν τρία κύρια υβριδικά τροχιακά που μπορούν να σχηματιστούν σύμφωνα με τη θεωρία του δεσμού σθένους. Τα τρία υβριδικά τροχιακά εξηγούνται παρακάτω:-

• Όταν ο υβριδισμός ενός s και ενός p ατομικών τροχιακών επικαλύπτονται, είναι γνωστός ως sp υβριδικό τροχιακό.

• Όταν ένα s και δύο p τροχιακά υβριδίζονται, οδηγεί στον σχηματισμό του υβριδικού τροχιακού sp2.

1. Το υβριδικό τροχιακό sp3 σχηματίζεται όταν υβριδίζονται ένα s και τρία τροχιακά p. Το σχήμα μιας τέτοιας δομής είναι τετραεδρικό.

Εκτός από αυτά τα τρία κύρια υβριδικά τροχιακά, υπάρχουν και άλλα υβριδικά τροχιακά που σχηματίζονται από την ανάμειξη διαφορετικών ατομικών τροχιακών. Το πρώτο είναι το dsp2 με αριθμό συντονισμού 4. Σε αυτόν τον τύπο υβριδισμού, ένα d, ένα s και δύο p επικαλύπτονται. Το ίδιο ισχύει και για το sp3d στο οποίο ένα s, τρία p και ένα d τροχιακά υβριδίζονται. Η διαφορά μεταξύ των δύο υβριδισμών είναι ο αριθμός συντονισμού και η δομή. Το dsp2 είναι τετράγωνο επίπεδο, ενώ το sp3d είναι τριγωνικό διπυραμιδικό. Τα δύο οκταεδρικά σχήματα που σχηματίζονται σύμφωνα με τη θεωρία του δεσμού σθένους είναι sp3d2 και d2sp3.

Συμπέρασμα 

Αναμφίβολα, η θεωρία του δεσμού Valence ήταν αποτελεσματική στην εξήγηση πολλών άλυτων εννοιών. Αλλά η έγχρωμη έκθεση δεν εξηγήθηκε. Αν και οι θεωρίες CFT και VBT εξήγησαν τα ατομικά τροχιακά, υπήρχε μια σημαντική διαφορά στα δύο. Η CFT, γνωστή και ως Κρυσταλλική Θεωρία Πεδίου, εξήγησε σχετικά με τη διάσπαση των τροχιών. Από την άλλη πλευρά, το VBT, γνωστό και ως Θεωρία Δεσμού Σθένους, εξήγησε για την τροχιακή ανάμειξη.