Донорно-акцепторний механізм утворення хімічного зв’язку передбачає перенос заряду між акцептором і донором без створення між ними спільної хімічного зв’язку. Також можлива передача неподіленої пари електронів до акцептору від донора, в результаті утворюється зв’язок.

Утворення солей амонію

Розглянемо донорно-акцепторний механізм на прикладі солей амонію. Почнемо зі взаємодії аміаку (NH3) і трифториду бору (BF3). В процесі реакції відбувається виділення 171,4 кДж/моль енергії. Взаємодія протікає по рівнянню:

NH3 + BF3 = NH3BF3

З чотирьох орбіталей, наявних у атома бора, три заповнені електронами, отже, є одна вакантна орбіталь. В молекулі аміаку чотири орбіталі азоту укомплектовані електронами, причому три з них за обмінним механізмом доповнені електронами водню. Одна орбіталь має електронну пару, яка належить тільки атому азоту. Її називають неподіленої електронної парою. Саме завдяки їй можливе донорно-акцепторний механізм.

З’єднання між аміаком і трифторидом бору можливо завдяки тому, що вакантна електронна пара аміаку розміщується на вільної орбіталі фтористого бору.

Це донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку. Атом азоту збільшує валентність завдяки використанню неподіленої пари електронів для додаткової зв’язку. Бор підвищує валентність допомогою розташування на орбіталі додаткових електронів.

Таким чином, валентність цих хімічних елементів характеризується і неспаренными електронами, і неподеленными електронними парами, і вільними орбіталей на зовнішньому енергетичному рівні.

Визначення

Донором у даному прикладі виступає атом азоту, який віддає свою електронну пару на утворення хімічного зв’язку. Акцептором є бор, володіє вакантної орбиталью, що приймає електронну пару.

Процес супроводиться зменшенням потенціальної енергії системи, виділенням еквівалентної кількості енергії. Питання, що стосуються механізму утворення даного виду ковалентного зв’язку, включені в курс шкільної програми з хімії, вони пропонуються у підсумкових тестах випускникам середньої загальноосвітньої школи.

Освіта катіона амонію

Ковалентний зв’язок, утворена за донорно акцепторної механізму, характерна для солей амонію. Зупинимося докладніше на її особливостях. Отже, саме за донорно-акцепторної механізму утворена зв’язок між атомами азоту і водню в реакції:

NH3 + H+= NH4+

В якості акцептора виступає порожня орбіталь катіони водню. Азот в катионе амонію проявляє валентність 4. Освіта зв’язку відбувається і завдяки парі електронів, які до початку взаємодії належали азоту.

Це зв’язок ковалентний за донорно-акцепторної механізму. У результаті взаємодії утворюється катіон амонію, який по іонному механізму буде об’єднуватися з аніонами, що містяться в кислоті.

Утворення чадного газу

Донорно-акцепторний механізм можна розглянути на прикладі молекули СО. У атома вуглецю на зовнішньому енергетичному рівні розташовуються два неспарених електрона. Таку ж кількість неспарених електронів є і у атома кисню. В результаті між атомами утворюється подвійний зв’язок.

За рахунок пари електронів кисню і порожній орбіталі вуглецю, для одержання зв’язку використовується донорно-акцепторний механізм.

Молекула азотної кислоти

Завдяки наявності трьох неспарених електронів атом азоту в даному з’єднанні утворює три варіанти зв’язків: з киснем подвійну, одинарну з киснем гідроксильної групи. За донорно-акцепторної механізму утворена зв’язок між ще одним атомом кисню і азоту.

Неспарені електрони розміщуються на одній орбіталі, при цьому одна звільняється.

Також можна припустити, що атомом азоту відданий кисню електрон. Перетворившись на катіон амонію, має 4 неспарені електрони, він утримує аніон завдяки сил електростатичної взаємодії.

Властивості зв’язку

В якості донора виступають молекули, в складі яких є атоми N, O, F, Cl, пов’язані з атомами інших хімічних елементів. Акцептором виступає частинка, що має вакантні електронні рівні. Наприклад, це можуть бути представники d-родин, які мають незаповнені d-орбіталі.

В молекулі аміаку для утворення зв’язку задіяні три неспарених електрона атома азоту, і з 1s-електрону у трьох атомів водню. Зв’язку знаходяться вздовж трьох осей р-орбіталей. Молекула має варіант правильної піраміди, у кутах якої розташовуються атоми водню, а у вершині — азот азоту. Кут між зв’язками становить 107 градусів. Аналогічні за формою молекули утворюють з воднем наступні елементи: сурма, миш’як, фосфор.

Властивості ковалентного зв’язку, яка утворюється за донорно-акцепторної механізму, не відрізняються від характеристик зв’язку, сформованої за обмінним механізмом. В якості донорів можуть виступати атоми азоту, сірки, фосфору, кисню, які володіють неподеленными електронними парами на валентних осях невеликого розміру.

Функцію акцептора виконують катіони водню, частина р-металів, наприклад, алюміній, утворюючи іон AlH4-.

Також акцепторами виступають d-елементи, у яких є незаповнена енергетична осередок у зовнішньому електронному шарі.

Відзначимо, що на даний механізм утворення зв’язку поширюються всі основні характеристики: насичуваність, довжина, кратність.

Особливості органічних сполук

Взаємодія за обмінним механізмом можливо для органічних донорів. Зокрема, серед них можна відзначити π-донорів, типовим прикладом яких є тетракис(диметиламіно)этилене (ТДАЭ), органічні акцептори (фулерени), хинодиметаны з акцепторними замісниками.

При хімічному взаємодії подібних сполук створюється комплекс з переносом заряду. У ньому заряджений позитивно донор з негативно зарядженим акцептором взаємодіють завдяки силам електростатичної природи. Значення мають системи, у яких перенос заряду в основному електронному стані відбувається частково, а у випадку з фото збудження спостерігається повна його передача.

Такі системи, донорно-акцепторні діади, тріади, всередині яких між акцептором і донором є мостиковая група, що дозволяє підвищувати тривалість стану з перенесенням електричного заряду, застосовуються для отримання пристроїв, що перетворюють сонячну енергію. Подібне явище, пов’язане з перенесенням заряду в будь-яких його формах, застосовується в багатьох біологічних процесах.

Саме тому так докладно розглядаються особливості протікання взаємодій за донорно-акцепторної механізму в органічних сполуках, аналізуються можливості прискорення (уповільнення) подібних процесів, варіанти введення додаткових речовин (каталізаторів).

Підведемо деякі підсумки

Донорно-акцепторное взаємодія є одним з найважливіших проявів ковалентного полярного хімічного зв’язку. Йому приділяється суттєва увага в неорганічної, аналітичної, органічної хімії.

Наприклад, саме з точки зору донорно-акцепторної механізму пояснюється утворення ковалентних локалізованих зв’язків у молекулярних іонах координаційних (комплексних) сполук. Зв’язок у них створюється завдяки неподіленої пари електронів ліганду і вільної орбіталі комплексоутворювача. Також донорно-акцепторний механізм пояснює формування проміжних продуктів. Зокрема, це створення комплексів з переносом заряду.

Існує модель донорно-акцепторної механізму лише в рамках уявлень про валентності як про можливості локалізації щільності електронів в процесі формування ковалентних зв’язків. Саме цей механізм є основою утворення різноманітних комплексних сполук. Така взаємодія необхідна для кислотно-основних перетворень, що стосуються перенесення іона водню (акцептора), утворення наноструктур.