Θεωρία Δεσμού Σθένους

Η θεωρία δεσμού σθένους εξηγεί έναν ομοιοπολικό δεσμό ως επικάλυψη μεταξύ ατομικών τροχιακών σε γειτονικά άτομα. Στη συνηθισμένη εισαγωγική εικόνα, τα ηλεκτρόνια του δεσμού είναι εντοπισμένα κυρίως ανάμεσα στους δύο πυρήνες, γι’ αυτό και το μοντέλο βοηθά να εξηγηθούν η κατεύθυνση του δεσμού, οι δεσμοί $\sigma$, οι δεσμοί $\pi$ και ο υβριδισμός.

Αν θυμάστε μόνο μία ερώτηση, θυμηθείτε αυτή: ποια τροχιακά επικαλύπτονται για να σχηματίσουν τον δεσμό; Αυτή η ερώτηση συνήθως σας φέρνει πολύ πιο κοντά στη χημεία από το να σχεδιάσετε απλώς μια γραμμή ανάμεσα σε δύο άτομα και να σταματήσετε εκεί.

Τι λέει η Θεωρία Δεσμού Σθένους

Στην εισαγωγική χημεία, η θεωρία δεσμού σθένους συνήθως δίνει έμφαση σε τρεις ιδέες:

• ένας ομοιοπολικός δεσμός προκύπτει από επικάλυψη ατομικών τροχιακών
• τα ηλεκτρόνια του δεσμού θεωρούνται εντοπισμένα κυρίως ανάμεσα σε δύο άτομα
• ο τύπος και η κατεύθυνση του δεσμού εξαρτώνται από το πώς επικαλύπτονται τα τροχιακά στον χώρο

Γι’ αυτό έχει σημασία το σχήμα των τροχιακών. Μια μετωπική επικάλυψη δίνει έναν δεσμό $\sigma$. Μια πλευρική επικάλυψη παράλληλων μη υβριδισμένων τροχιακών $p$ δίνει έναν δεσμό $\pi$.

Γιατί έχει σημασία η επικάλυψη τροχιακών

Δεν είναι κάθε επικάλυψη εξίσου αποτελεσματική. Πιο αποτελεσματική επικάλυψη συνήθως σημαίνει μεγαλύτερη ηλεκτρονιακή πυκνότητα ανάμεσα στους πυρήνες και, μέσα σε αυτό το μοντέλο, ισχυρότερη δεσμική αλληλεπίδραση.

Σημασία έχει και η κατεύθυνση. Επειδή τα τροχιακά δείχνουν σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις, η θεωρία δεσμού σθένους βοηθά να εξηγηθεί γιατί πολλοί ομοιοπολικοί δεσμοί έχουν προβλέψιμα σχήματα αντί για τυχαίες διατάξεις.

Λυμένο παράδειγμα: Αιθένιο και γιατί ένας διπλός δεσμός έχει δύο μέρη

Το αιθένιο, $C_2H_4$, είναι ένα πολύ καλό παράδειγμα επειδή δείχνει τόσο τον υβριδισμό όσο και την επικάλυψη τροχιακών στο ίδιο μόριο.

Κάθε άτομο άνθρακα στο αιθένιο περιγράφεται συνήθως στην εισαγωγική θεωρία δεσμού σθένους ως υβριδισμένο $sp^2$. Αυτό δίνει σε κάθε άνθρακα τρία τροχιακά $sp^2$ στο ίδιο επίπεδο και ένα μη υβριδισμένο τροχιακό $p$ κάθετο σε αυτό το επίπεδο.

Τότε η εικόνα του δεσμού είναι η εξής:

• ένα τροχιακό $sp^2$ από τον έναν άνθρακα επικαλύπτεται μετωπικά με ένα τροχιακό $sp^2$ του άλλου άνθρακα για να σχηματίσει τον δεσμό $C-C$ $\sigma$
• τα υπόλοιπα τροχιακά $sp^2$ σε κάθε άνθρακα επικαλύπτονται με τα τροχιακά $1s$ του υδρογόνου για να σχηματίσουν τους τέσσερις δεσμούς $C-H$ $\sigma$
• τα μη υβριδισμένα τροχιακά $p$ των δύο ανθράκων επικαλύπτονται πλευρικά για να σχηματίσουν έναν δεσμό $\pi$

Άρα ο διπλός δεσμός άνθρακα-άνθρακα στο αιθένιο δεν είναι δύο ίδιοι δεσμοί. Είναι ένας δεσμός $\sigma$ και ένας δεσμός $\pi$. Αυτή είναι μια άμεση εξήγηση της θεωρίας δεσμού σθένους τόσο για τον τύπο του δεσμού όσο και για τη γεωμετρία.

Πώς εντάσσεται ο υβριδισμός

Η βασική θεωρία δεσμού σθένους μπορεί να περιγράψει απλές επικαλύψεις όπως $1s-1s$ ή $p-p$. Για πολλά μόρια, αυτό δεν αρκεί για να εξηγηθούν οι παρατηρούμενες γωνίες δεσμών.

Ο υβριδισμός επεκτείνει το μοντέλο επιτρέποντας στα τροχιακά του ίδιου ατόμου να αναμειχθούν πριν από τον σχηματισμό δεσμών. Σε αυτή την εικόνα, χαρακτηρισμοί όπως $sp$, $sp^2$ και $sp^3$ βοηθούν να εξηγηθούν οι συνηθισμένες γραμμικές, τριγωνικές επίπεδες και τετραεδρικές διατάξεις δεσμών.

Στα περισσότερα πλαίσια της χημείας πρώτου έτους, ο υβριδισμός διδάσκεται ως μέρος του ευρύτερου πλαισίου της θεωρίας δεσμού σθένους. Είναι ένα μοντέλο που χρησιμοποιείται για να εξηγεί πρότυπα δεσμών, όχι μια ξεχωριστή ανταγωνιστική θεωρία.

Θεωρία Δεσμού Σθένους έναντι Θεωρίας Μοριακών Τροχιακών

Η θεωρία δεσμού σθένους και η θεωρία μοριακών τροχιακών περιγράφουν και οι δύο τον ομοιοπολικό δεσμό, αλλά δίνουν έμφαση σε διαφορετικές εικόνες.

Η θεωρία δεσμού σθένους εστιάζει σε εντοπισμένους δεσμούς ανάμεσα σε συγκεκριμένα ζεύγη ατόμων. Η θεωρία μοριακών τροχιακών χρησιμοποιεί τροχιακά που μπορούν να εκτείνονται σε ολόκληρο το μόριο. Για πολλά εισαγωγικά προβλήματα, η θεωρία δεσμού σθένους δίνει μια γρήγορη τοπική εικόνα. Αν τα ηλεκτρόνια είναι έντονα αποεντοπισμένα, η θεωρία μοριακών τροχιακών συχνά περιγράφει πιο φυσικά την κατανομή τους.

Κανένα από τα δύο μοντέλα δεν πρέπει να θεωρείται η μόνη σωστή γλώσσα για κάθε μόριο. Το καλύτερο μοντέλο εξαρτάται από το ποιο χαρακτηριστικό προσπαθείτε να εξηγήσετε.

Συνηθισμένα λάθη

Να αντιμετωπίζεται η θεωρία σαν να είναι απλώς μια δομή Lewis με καινούριες λέξεις

Το ζητούμενο δεν είναι μόνο η γραμμή του δεσμού. Το ζητούμενο είναι η επικάλυψη τροχιακών που δημιουργεί δεσμική ηλεκτρονιακή πυκνότητα ανάμεσα στα άτομα.

Να υποτίθεται ότι κάθε μόριο περιγράφεται καλύτερα με πλήρως εντοπισμένους δεσμούς

Η θεωρία δεσμού σθένους λειτουργεί καλύτερα ως μοντέλο εντοπισμένου δεσμού. Αν ένα μόριο έχει ισχυρή αποεντόπιση, μια καθαρά τοπική εικόνα μπορεί να παραλείψει σημαντική συμπεριφορά.

Να ξεχνιέται η προϋπόθεση πίσω από έναν δεσμό $\pi$

Ένας δεσμός $\pi$ χρειάζεται παράλληλα μη υβριδισμένα τροχιακά $p$ που μπορούν να επικαλυφθούν πλευρικά. Αν αυτή η γεωμετρία δεν είναι διαθέσιμη, η συνηθισμένη εικόνα δεσμού $\pi$ δεν εφαρμόζεται.

Να αντιμετωπίζεται ο υβριδισμός ως ξεχωριστή θεωρία

Στα περισσότερα εισαγωγικά μαθήματα, ο υβριδισμός είναι μια επέκταση μέσα στη θεωρία δεσμού σθένους, όχι μια εντελώς άσχετη θεωρία.

Πότε οι χημικοί χρησιμοποιούν τη Θεωρία Δεσμού Σθένους

Η θεωρία δεσμού σθένους είναι ιδιαίτερα χρήσιμη όταν θέλετε να εξηγήσετε:

• γιατί σχηματίζεται ένας ομοιοπολικός δεσμός ανάμεσα σε δύο άτομα
• γιατί ένας δεσμός είναι δεσμός $\sigma$ ή δεσμός $\pi$
• γιατί ο δεσμός έχει κατεύθυνση
• γιατί ο υβριδισμός βοηθά να ερμηνευθούν οι γωνίες δεσμών σε πολλά συνηθισμένα μόρια

Είναι πιο πρακτική όταν ένα μόριο μπορεί να περιγραφεί αρκετά καλά με εντοπισμένους δεσμούς και μια εικόνα τύπου δομής Lewis. Γι’ αυτό εμφανίζεται τόσο συχνά στην εισαγωγική οργανική χημεία και στις συζητήσεις για τους δεσμούς.

Δοκιμάστε μια παρόμοια περίπτωση

Δοκιμάστε τη δική σας εκδοχή με το ακετυλένιο, $C_2H_2$. Ρωτήστε ποια τροχιακά επικαλύπτονται για να σχηματίσουν τον δεσμό $C-C$, πόσοι δεσμοί $\pi$ υπάρχουν και γιατί η γεωμετρία είναι γραμμική. Αν θέλετε ένα ακόμη σχετικό θέμα, εξερευνήστε στη συνέχεια τον υβριδισμό και συγκρίνετε τα $sp$, $sp^2$ και $sp^3$ ως μοντέλα δεσμού.