Vegyértékkötés-elmélet

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A vegyértékkötés-elmélet vagy röviden VB-elmélet a molekulapálya-elmélet mellett az egyik alapvető kémiai elmélet, amely a kvantummechanika módszereit alkalmazza a kémiai kötés leírására. Központi tárgyát az képezi, hogy a molekulaképződés során a különálló atomok atompályái hogyan kombinálódnak az egyes kémiai kötések kialakulásához. Ezzel szemben a molekulapálya-elméletben az egész molekulára kiterjedő pályák szerepelnek.[1]

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

1916-ban vetette fel G. N. Lewis, hogy a kémiai kötés a kötőelektronok közötti kölcsönhatás révén jön létre, ami a molekulák Lewis-féle szerkezetével ábrázolható. 1927-ben állították fel a Heitler–London-elméletet, amely elsőként tette lehetővé, hogy kvantummechanikai alapokon kiszámítsák a H2 hidrogénmolekula kötési sajátságait. Pontosabban Walter Heitler azt állapította meg, hogy hogyan lehet a Schrödinger-hullámegyenletet (1925) felhasználni arra, hogy kimutassuk a kovalens kötés képződését a két hidrogénatom hullámfüggvényének pozitív, negatív és kicserélődési tagokkal történő kombinálásával. Ezután felhívta munkatársát, Fritz Londont, akivel az elmélet részleteit az éjszaka folyamán kidolgozták.[2] Később Linus Pauling Lewis kötőpárelmélete és a Heitler–London elmélet felhasználásával megalkotta a VB-elmélet két másik fontos fogalmát: a rezonanciát (1928) és a hibridpályák elméletét (1930). Charles Coulson, a Valence című, 1952-ben megjelent híres könyv szerzője szerint ez az időszak jelenti a „modern vegyértékkötés-elmélet” kezdetét, szemben a korábbi vegyértékkötési-elméletekkel, melyek alapvetően a vegyérték hullámmechanika előtti fogalmakat használó elektronelméletei voltak. Az 1950-es években a szovjet kémikusok részéről sok kritika érte a rezonancia elméletét, melyet tökéletlennek tartottak.[3]

Az elmélet[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A vegyértékkötés-elmélet szerint kovalens kötés két atom között a két atom félig betöltött, egy párosítatlan elektront tartalmazó vegyértékpályáinak átfedésével jön létre. A vegyértékkötés szerkezet hasonló a Lewis szerkezethez, de ha nem lehetséges egyetlen Lewis szerkezetet felírni, akkor több vegyértékkötés szerkezetet használnak. Minden ilyen VB szerkezet egy adott Lewis szerkezetet ábrázol. A vegyértékkötés szerkezetek ezen kombinációja a rezonancia-elmélet legfőbb pontja. A vegyértékkötés-elmélet szerint a kémiai kötést az abban részt vevő atomok atompályáinak átfedése hozza létre. Az átfedés következtében az elektronok a legnagyobb valószínűséggel a kötés körüli térrészben tartózkodnak. A vegyértékkötés-elméletet jellemzően könnyebb alapállapotú molekulákra alkalmazni.

Az átfedő atompályák különbözőek lehetnek. Az átfedő pályáknak két típusa van: szigma és pi. Szigma-kötés jön létre, ha a két megosztott elektron pályái fej-fej átfedésben vannak. Pi-kötés keletkezik, ha két egymással párhuzamos pálya között van átfedés. Például két s-pályán levő elektron között szigma-kötés alakul ki, mivel két gömbnek mindig van közös tengelye. A kötésrend tekintetében az egyszeres kötésben egy szigma-kötés van, a kettős kötések egy szigma- és egy pi-kötésből állnak, a hármas kötésben pedig egy szigma- és két pi-kötés található. A kötést kialakító atompályák hibridpályák is lehetnek. A kötést létesítő atompályák sokszor több lehetséges pályatípus jellegzetességeivel is rendelkeznek. A kötéshez megfelelő típusú (karakterű) atompálya előállítására szolgáló módszer neve hibridizáció.

A VB-elmélet napjainkban[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A vegyértékkötés-elmélet napjainkban kiegészíti a molekulapálya-elméletet (MO-elmélet), amely nem ragaszkodik a vegyértékkötés azon elképzeléséhez, mely szerint a molekulában az elektronpárok két meghatározott atom között találhatók, hanem úgy tekinti, hogy az elektronok molekulapályákon helyezkednek el, melyek az egész molekulára kiterjedhetnek. Az MO-elmélet közvetlenül meg tudja magyarázni a mágneses tulajdonságokat, ezzel szemben a vegyértékkötés-elmélet hasonló eredményt csak bonyolultabb úton tud adni. A vegyértékkötés-elmélet a molekulák aromaticitását (aromás sajátságát) a Kekule, Dewar és esetleges ionos határszerkezetek közötti rezonanciaként értelmezi, míg a molekulapálya-elmélet ezt a π-elektronok delokalizációjával írja le. A VB-elmélet matematikai formalizmusa is bonyolultabb, ami a VB-elméletet a viszonylag kisebb molekulák leírására korlátozza. Ugyanakkor a VB-elmélet sokkal pontosabb képet ad arról, hogy az elektromos töltés átrendeződése hogyan megy végbe a kémiai reakciók során, amikor kötések szakadnak fel és új kötések jönnek létre. A vegyértékkötés-elmélet például helyesen adja meg a homonukleáris kétatomos molekulák két különálló atomra történő disszociációját, míg az egyszerű molekulapálya-elmélet atomok és ionok keverékére történő disszociációt jósol.

Az utóbbi időben több kutatócsoport is kidolgozta azt az elméletet, melyet gyakran modern vegyértékkötés-elméletnek hívnak. Ebben az elméletben az egymással átfedő atompályákat átfedő vegyértékkötés-pályákkal helyettesítik, melyek nagyszámú bázisfüggvényre terjednek ki – ezek mindegyike lehet egy atomra centrált, ami a klasszikus vegyértékkötés képét adja, vagy lehetnek a molekula összes atomjára centráltak. Az e módszerrel számított energiák versenyképesebbek az olyan energiaértékekkel, melyeket az elektronkorreláció Hartree-Fock referencia hullámfüggvényen alapuló bevezetésével számítanak ki. A legutóbbi leírást Shaik és Hiberty adta.[4]

A vegyértékkötés-elmélet alkalmazásai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A VB-elmélet egyik fontos vonása a maximális átfedés feltétele, melynek révén a lehető legerősebb kötés alakul ki. Az elméletet számos molekula kötésének leírására használják.

Például a F2 molekulában a F–F kötés a két F atom – egy-egy párosítatlan elektront tartalmazó – pz pályáinak átfedésével jön létre. Mivel az átfedésbe került pályák különbő tulajdonságúak a H2 és F2 molekulákban, ezért a kötés erőssége és a kötéshossz eltérő a H 2 és F2 molekulák esetén.

A HF molekulában a kovalens kötés az egy-egy párosítatlan elektront tartalmazó H 1s és F 2pz pályák átfedésével jön létre. Az elektronok H és F atomok közötti kölcsönös megosztása eredményeként a HF-ban kovalens kötés jön létre.

Hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ez a szócikk részben vagy egészben a Valence bond theory című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.

  1. Murrel, J. N., S. F. Tedder. The Chemical Bond. John Wiley & Sons (1985. április 19.). ISBN 0-471-90759-6 
  2. Walter Heitler - Key participants in the development of Linus Pauling's The Nature of the Chemical Bond.
  3. I. Hargittai, When Resonance Made Waves, The Chemical Intelligencer 1, 34 (1995))
  4. Shaik, Sason S., Phillipe C. Hiberty. A Chemist's Guide to Valence Bond Theory. New Jersey: Wiley-Interscience (2008. április 19.). ISBN 978-0-470-03735-5