Валентийн бондын онол: Гүнзгий дүн шинжилгээ
Валентийн холбооны онол (VBT) нь квант хими ба химийн холбооны салбарын үндсэн онолуудын нэг юм. 20-р зууны эхэн үед голчлон Линус Паулинг, Жон С. Слейтер нарын боловсруулсан Валентийн холбооны онол нь атомууд атомын орбиталуудын давхцалаар хэрхэн нэгдэж молекул үүсгэдэгийг ойлгоход чухал хүрээг бий болгодог. Энэхүү нийтлэлд Валентийн холбооны онолын түүхэн хөгжил, үндсэн зарчим, гол ойлголтууд болон орчин үеийн химийн салбарт үзүүлэх нөлөөллийг нарийвчлан судлах болно.
Түүхэн хөгжил
Валентийн бондын онолын үүсэл нь 1900-аад оны эхэн үеийн квант механикийн салбарын цэцэглэн хөгжиж буй үеэс эхлэлтэй. Квант механикийн эрин үеэс өмнө химийн холбоог голчлон атомын хэмжээнд ажиглагдсан үзэгдлийг тайлбарлахад хангалтгүй сонгодог онолуудыг ашиглан тайлбарладаг байв. Квант механикийн үүсэл нь атомын харилцан үйлчлэлийн мөн чанарыг гүнзгий судлахад шаардлагатай хэрэгслүүдийг бий болгосон.
1920-иод оны сүүлээр Уолтер Хейтлер, Фриц Лондон нар VBT-ийн үндэс суурийг тавьсан нээлтийг хийсэн. Тэд квант механикийг устөрөгчийн молекулд хэрэглэж, холбоог долгионы функцийн давхцал гэж ойлгож болохыг харуулсан. Үүний дараа Линус Паулинг, Жон С. Слейтер нар онолыг улам боловсронгуй болгож, илүү төвөгтэй молекулуудын геометрийг тайлбарлахын тулд атомын орбиталуудын эрлийзжилтийн тухай ойлголтыг оруулсан.
Үндсэн зарчмууд
Валентийн бондын онол нь хэд хэдэн үндсэн зарчим дээр суурилдаг:
1. Долгионы функцийн давхцал:
VBT-ийн гол цөм нь атомын орбиталууд давхцах үед химийн холбоо үүсч, электронууд атомуудын хооронд хуваагдах боломжийг олгодог гэсэн ойлголт юм. Энэхүү давхцал нь толгойн давхцлаар тодорхойлогддог сигма (σ) холбоо эсвэл эрлийзжүүлээгүй p-орбиталуудын хажуугийн давхцалаас үүссэн пи (π) холбоо үүсэхэд хүргэдэг.
2. Эрлийзжүүлэлт:
Молекулуудын хэлбэр ба холболтын өнцгийг тайлбарлахад эрлийзжилт чухал үүрэгтэй. Энэ нь атом доторх атомын орбиталуудыг нэгтгэн тодорхой чиглэлд чиглэсэн шинэ эрлийз орбиталуудыг үүсгэхийг хэлдэг бөгөөд ингэснээр бусад атомуудын орбиталуудтай оновчтой давхцах боломжийг олгодог. Жишээлбэл, метан (CH4) дахь нүүрстөрөгчийн атом нь sp³ эрлийзжилтэд орж, улмаар тетраэдр байдлаар байрлуулсан дөрвөн тэнцүү sp³ эрлийз орбитал үүсдэг.
3. Резонанс:
Зарим молекулуудыг ганц Льюисийн бүтцээр бүрэн дүрслэх боломжгүй. Эдгээр молекулууд нь резонанс үзүүлдэг бөгөөд бодит бүтэц нь олон бүтцийн эрлийз юм. Сонгодог жишээ бол бензол (C6H6) бөгөөд үүнийг ээлжлэн давхар ба дан холбоогоор дүрсэлж болох боловч түүний жинхэнэ бүтэц нь эдгээр резонансын хэлбэрүүдийн тэнцүү холимог юм.
4. Эргэлтийн хослол:
VBT-д холболтын орбитал дахь электронууд эсрэг спинтэй хосолсон байдаг бөгөөд энэ нь Паулигийн хасах зарчмаас үүдэлтэй бөгөөд энэ зарчим нь атом доторх хоёр электрон ижил квант тооны багцтай байж болохгүй гэж заасан байдаг. Давхардсан орбитал дахь спин хослох нь молекулын тогтворжилтод хүргэдэг.
Гол ойлголтууд
Бонд болон эсрэг холбооны тойрог замууд:
Хоёр атомын орбитал давхцах үед тэдгээр нь холбоо эсвэл эсрэг холбоо байж болох молекулын орбитал үүсгэдэг. Холбооны орбиталууд нь атомын орбиталуудын бүтээлч интерференцийн үр дүнд үүсдэг бөгөөд энэ нь бага энергийн төлөв байдалд хүргэдэг бөгөөд улмаар тогтвортой холбоо үүсгэдэг. Үүний эсрэгээр, эсрэг холбооны орбиталууд нь хор хөнөөлтэй интерференцийн үр дүнд үүсдэг бөгөөд энэ нь холбоог тогтворгүй болгож болзошгүй өндөр энергийн төлөвт хүргэдэг.
Орон нутгийн холбоо:
VBT нь электронууд холбогдсон атомуудын цөмүүдийн хооронд байрласан гэж үздэг. Энэ үзэл бодол нь электронуудыг бүхэл молекул даяар байршлаас нь чөлөөлөгдсөн гэж үздэг Молекулын тойрог замын онолтой зөрчилддөг.
Эрлийзжүүлэлтийн төрлүүд:
Гибридизаци нь молекулын геометрийг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Энд зарим нийтлэг төрлүүд байна:
– sp Эрлийзжилт: Ацетилен (C2H2) зэрэг молекулуудад ажиглагддаг 180° холболтын өнцөгтэй шугаман геометр.
– sp² Эрлийзжилт: Этилен (C2H4)-д ажиглагдсан 120° холбооны өнцөгтэй гурвалжин хавтгай геометр.
– sp³ Эрлийзжилт: Метан (CH4)-д ажиглагдсан 109.5° холбооны өнцөгтэй тетраэдр геометр.
– sp³d ба sp³d² Гибридизаци: Эдгээр нь d-орбиталуудыг оруулахыг шаарддаг бөгөөд фосфор пентахлорид (PCl5) болон хүхрийн гексафторид (SF6) зэрэг өргөссөн октет бүхий молекулуудад харагддаг.
Хэрэглээ ба үр дагавар
Валентийн холбооны онол нь молекулын бүтэц болон урвалд орох чадварын хэв маягийг урьдчилан таамаглах, тайлбарлахад өргөн хэрэглэгддэг. Жишээлбэл, органик урвал дахь нүүрстөрөгчийн эрлийзжүүлэлтийн төлөвийг ойлгох нь химичдэд органик молекулуудын бүтэц, урвалд орох чадварыг урьдчилан таамаглах боломжийг олгодог. Цаашилбал, VBT-г шилжилтийн төлөвийн бүтэц, химийн урвалын завсрын бүтээгдэхүүн, молекулуудын катализатортой харилцан үйлчлэлийг ойлгоход ашиглаж болно.
Энэ онол нь молекулуудын соронзон шинж чанарыг тайлбарлахад чухал үүрэг гүйцэтгэсэн. Электронуудын хослолыг авч үзвэл VBT нь молекул нь парамагнетизм (хослоогүй электронууд) эсвэл диамагнетизм (бүх хосолсон электронууд) үзүүлэх эсэхийг урьдчилан таамаглаж чадна.
Түүнчлэн, VBT нь тооцооллын химийн хөгжилд нөлөөлсөн. VBT-ээс гаргаж авсан ойлголтуудыг шинэ молекул, материалыг зохион бүтээхэд ашигладаг янз бүрийн тооцооллын загвар болон програм хангамжид оруулсан болно.
хязгаарлалт
Өргөн хэрэглээтэй хэдий ч VBT нь хязгаарлалттай. Энэ нь ароматик нэгдлүүд гэх мэт коньюгат системд ажиглагдсан шиг делокализацилагдсан электронуудтай холбоотой үзэгдлийг тайлбарлахад бэрхшээлтэй байдаг. Нэмж дурдахад, VBT нь тохируулга, ойролцооллыг шаарддаг, ялангуяа d-тойрог замын оролцоо нь энгийн эрлийзжүүлэлтийн загваруудыг төвөгтэй болгодог шилжилтийн металлуудтай холбоотой цогцолборуудад.
Дүгнэлт
Валентийн холбооны онол нь химийн холбооны онолын тулгын чулуу хэвээр байгаа бөгөөд тойрог замын давхцал, эрлийзжилт, электрон хослолоор дамжуулан химийн холбооны мөн чанарыг ойлгох бат бөх хүрээг бүрдүүлдэг. Хязгаарлагдмал талуудтай ч VBT нь химичдэд үнэ цэнэтэй хэрэгсэл хэвээр байгаа бөгөөд молекулын бүтэц, урвалд орох чадвар, шинж чанарын талаарх ойлголтыг санал болгодог. Үүний зарчим нь орчин үеийн химийн ихэнх зүйлийн үндэс суурь болж, Хайтлер, Лондон, Паулинг, Слейтер нарын анхдагч бүтээлийн мөнхийн өвийг онцолж байна. Тооцооллын техникүүд хөгжихийн хэрээр VBT-г бусад квант механик загваруудтай нэгтгэх нь молекулын ертөнцийг бүрдүүлдэг атом ба электронуудын нарийн төвөгтэй бүжгийн талаарх бидний ойлголтыг улам гүнзгийрүүлэх болно гэж амлаж байна.
