Powstawanie wiązań pomiędzy atomami można wyjaśnić zgodnie z zasadami mechaniki kwantowejmechanika kwantowamechaniki kwantowej. Teoria kwantowa oparta na obliczeniach matematycznych zakłada, że wiązanie kowalencyjne powstaje w wyniku nakładania się orbitali atomowychorbital atomowy/molekularnyorbitali atomowych. Powstający charakterystyczny rozkład gęstości elektronowej – orbital molekularny – określany jest jako wiązanie $\mathit{\sigma }$ (czyt. sigma) lub wiązanie $\mathit{\pi }$ (czyt. pi), w zależności od sposobu nakładania się orbitali.

W atomie mogą występować orbitale $s$, $p$, $d$, $f$. Zgodnie z kwantową teorią wiązań chemicznych, orbital molekularny (cząsteczkowy) powstaje w wyniku zbliżenia i nałożenia się orbitali atomowych, które posiadają podobną energię i jednakową symetrię względem osi łączącej dwa jądra atomowe.

Cząsteczka wodoru (${\text{H}}_2$) powstaje poprzez nałożenie się chmur elektronowych dwóch atomów wodoru. Elektron w atomie wodoru znajduje się na orbitalu $1s$. W wyniku zbliżania się do siebie obu chmur następuje ich nakładanie i zlanie w jedną chmurę, która obejmuje oba atomy. W taki sposób powstaje orbital molekularny $\sigma$ $s—s$ obsadzony dwoma elektronami.

Z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku cząsteczki fluoru. Cząsteczka fluoru (${\text{F}}_2$) powstaje poprzez nałożenie się chmur elektronowych dwóch atomów fluoru. Niesparowany elektron, zdolny do utworzenia wiązania pojedynczego, znajduje się w atomie fluoru na orbitalu $2p_z$. W wyniku zbliżania się do siebie obu chmur, następuje ich nakładanie. Powstaje jedna chmura elektronowa i tworzy się orbital molekularny $\sigma$ $p—p$ obsadzony dwoma elektronami i o kształcie innym niż orbital $\sigma$ $s—s$.

Rozpatrzmy zatem powstawanie wiązania typu $\sigma$ w kwasie fluorowodorowym ($\text{HF}$). Elektron w atomie fluoru znajduje się na orbitalu $2p_z$, a elektron w atomie wodoru – na orbitalu $1s$. Cząsteczka $\text{HF}$ powstaje poprzez nałożenie się chmur elektronowych dwóch atomów (fluoru i wodoru). W wyniku zbliżania się do siebie obu chmur, następuje ich nakładanie. Tworzy się jedna chmura obejmująca oba atomy. W taki sposób powstaje orbital molekularny $\sigma$ $s—p$, obsadzony dwoma elektronami.

Warto zauważyć, że wiązania σsigma tworzone są nie tylko przez orbitale atomowe, ale też przez orbitale zhybrydyzwoane, np. $sp$, $s{p}^2$ czy $s{p}^3$, co ma miejsce chociażby w przypadku związków organicznych.

Wiązanie pojedyncze węgiel–węgiel w etanie powstaje poprzez nakładanie się pary orbitali zhybrydyzowanychorbitale zhybrydyzowaneorbitali zhybrydyzowanych $s{p}^3$ atomów węgla. W ten sposób otrzymujemy pojedyncze wiązanie $\sigma$ typu $s{p}^3—s{p}^3$. Wiązanie to ma długość $\mathrm{1,54}$ $\mathrm{\AA }$. Z kolei wiązania $\sigma$, pomiędzy atomem węgla a atomem wodoru, powstają przez nakładanie się orbitalu typu $s{p}^3$ atomu węgla z orbitalem typu $1s$ wodoru.

Ćwiczenie 1

Ile wiązań σsigma występuje w cząsteczce etanu?

R1UzYzAcdMkhW

Cząsteczka etanu. Na rysunku jest wzór strukturalny cząsteczki etanu. Dwa atomy węgla połączone są ze sobą wiązaniem pojedynczym. Do każdego atomu węgla przyłączone są $3$ atomy wodoru za pomocą wiązań pojedynczych. Wiązania dla każdego węgla tworzą szkielet tetraedru. Cała cząsteczka etanu jest strukturą przestrzenną, nie płaską. Każdy z trzech atomów wodoru połączony jest z atomem węgla wiązaniem przedstawionym za pomocą pojedynczej, jednolitej kreski, jednolitej kreski w kształcie stożka oraz kreski w kształcie stożka składającej się z $4$ poziomych, mniejszych kresek oddzielonych od siebie.

RgBqaL9glxPOH

Możliwe odpowiedzi: 1. $7$, 2. $1$, 3. $6$, 4. $3$

• 7
• 1
• 6
• 3

Wiązania chemiczne można podzielić, biorąc pod uwagę liczbę elektronów, które łączą atomy. Wyróżniamy zatem:

• wiązania pojedyncze – utworzone przez dwa elektrony – które są wiązaniami typu $\sigma$;

• wiązania wielokrotne (podwójne i potrójne) – utworzone przez więcej niż dwa elektrony – w których zawsze jedno z wiązań jest typu $\sigma$, a pozostałe (jedno lub dwa wiązania) to wiązania typu $\pi$. Istotna różnica pomiędzy wiązaniem typu $\sigma$ oraz wiązaniem typu $\pi$ to siła, z jaką wiążą się ze sobą atomy. Orbitale molekularne typu $\sigma$ tworzą wiązania silniejsze od wiązań typu $\pi$. Warto dodać, że wiązania typu $\pi$ powstają poprzez boczne nakładanie się orbitali atomowych, ale o tym dokładniej w innej części e‑podręcznika.

Podsumowanie

Wiązanie $\mathit{\sigma }$ jest wiązaniem utworzonym przez elektrony, które opisują kilka rodzajów orbitali molekularnych. Dla przykładu :

• orbital molekularny $s—s$ – powstający poprzez czołowe nałożenie się dwóch orbitali $s$ (o kształcie sferycznym), występuje w cząsteczce ${\text{H}}_2$.

• orbital molekularny $s—p$ – powstający poprzez czołowe przenikanie się jednego orbitalu $s$ oraz jednego orbitalu $p$, występuje w cząsteczce $\text{HF}$. Wiązanie $\sigma$, które tworzy ten typ orbitalu molekularnego, jest powszechne w związkach wodoru z pierwiastkami $15$, $16$ i $17$ grupy układu okresowego.

• orbital molekularny $p_z—p_z$ – powstający poprzez czołowe przenikanie się dwóch orbitali $p$, tworzy wiązanie $\sigma$ w cząsteczce ${\text{F}}_2$.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2010.

Czerwiński A., Czerwińska A., Jeziorna M., Kańska M., Chemia 3. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego, technikum, Warszawa 2004.

Encyklopedia PWN

Pazdro K., Zbiór zadań z chemii dla szkół ponadgimnazjalnych, Warszawa 2003.

Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2013.