תאוריית הקשר הערכי

בכימיה, תאוריית הקשר הערכי (Valence bond theory) היא אחת משתי תאוריות מדעיות בסיסיות, כאשר השנייה היא תאוריית האורביטלים המולקולריים, שפותחו כדי להסביר קשרים כימיים באמצעות מכניקת הקוונטים. תאוריה זו מסבירה כיצד האורביטלים של אטומים שונים מתחברים יחד ליצירת קשרים כימיים כאשר נוצרת מולקולה. להבדיל, תאוריית האורביטלים המולקולריים מתארת את האורביטלים כשייכים לכל המולקולה. ב-1916 ניסח גילברט ניוטון לואיס את הרעיון כי קשרים כימיים נוצרים על ידי אינטראקציה של שני אלקטרונים משותפים, והציע לשם כך הצגה של מולקולות באמצעות מבנה לואיס. ב-1927 ולטר הייטלר ופריץ לונדון ניסחו תאוריה שאפשרה לראשונה חישוב של תכונות קשרים של מולקולת H2 בהסתמך על שיקולים של מכניקת הקוונטים. הייטלר קבע כיצד להשתמש במשוואת הגל של שרדינגר (1925) כדי להראות כיצד פונקציות הגל של שני אטומי מימן מתחברות יחד ליצירת קשר קוולנטי. מאוחר יותר השתמש לינוס פאולינג ברעיונות של לואיס יחד עם התאוריה של הייטלר-לונדון ופיתח שני מושגים נוספים בתאוריית הקשר הערכי: רזוננס (1928) והכלאה אורביטלית (1930). על פי תאוריה זו קשר קוולנטי נוצר בין שני אטומים על ידי חפיפה של אורביטלי ערכיות אטומים חצי מלאים של כל אחד מהאטומים המכילים אלקטרון לא מזווג יחיד. מבנה קשר ערכיות זהה למבנה לואיס, אך כשלא ניתן לכתוב מבנה לואיס יחיד, נעשה שימוש במספר מבנים של קשרי ערכיות. כל אחד ממבנים אלו מייצג מבנה לואיס ספציפי. שילוב זה של מבני קשרי ערכיות הוא הנקודה המרכזית בתאוריית הרזוננס. על פי תאוריית הקשר הערכי האורביטלים האטומים החופפים של האטומים המשתתפים יוצרים קשר כימי. בגלל החפיפה, ההסתברות המרבית היא שהאלקטרונים יימצאו באזור הקשר. תאוריית האורביטלים הערכיים רואה את הקשרים כאורביטלים הקשורים באופן חלש (חפיפה מעטה). האורביטלים האטומיים החופפים עשויים להיות שונים. שני הסוגים של אורביטלים אטומים חופפים הם סיגמא ופי. קשרי סיגמא קורים כאשר האורביטלים של שני אלקטרונים משותפים חופפים ראש אל ראש. קשרי פאי נוצרים כאשר שני אורביטלים חופפים צד אל צד. במושגים של סדר קשר, בקשרים יחידים יש קשר סיגמא אחד, קשרים כפולים מורכבים מקשר סיגמא וקשר פאי, וקשרים משולשים מכילים קשר סיגמא ושני קשרי פאי. האורביטלים האטומים של הקשר עשויים לעבור הכלאה. תאוריית הקשר הערכי משלימה את תאוריית האורביטלים המולקולריים, שבניגוד אליה לא מניחה כי זוגות אלקטרונים הם מקומיים בין שני אטומים ספציפיים במולקולה אלא הם מתפזרים בקבוצות של אורביטלים מולקולריים אשר יכולים להתפרש על המולקולה כולה. תאוריית האורביטלים המולקולריים מסוגלת לנבא תכונות מגנטיות בצורה ישירה, בעוד שתאוריית הקשר הערכי מביאה תוצאות דומות אך בצורה מסובכת יותר. המתמטיקה עליה מסתמכת תאוריית הקשר הערכי מורכבת יותר ומגבילה את התאוריה למולקולות קטנות, אולם תאוריית הקשר הערכי מספקת תמונה מדויקת בהרבה של ארגון מחדש של מטען אלקטרוני שקורה כאשר קשרים נשברים ונוצרים במהלך תגובה כימית. בפרט תאוריית הקשר הערכי מנבאת בהצלחה את התפרקות של מולקולות דו אטומיות בעלות אטומים זהים לאטומים נפרדים, בעוד שתאוריית האורביטלים המולקריים מנבאת את ההתפרקות לתערובת של אטומים ויונים. היבט חשוב של תאוריית הקשר הערכי הוא התנאי לחפיפה מקסימלית אשר מובילה ליצירת הקשרים החזקים ביותר האפשריים. תאוריה זו משמשת להסבר יצירת הקשר הקוולנטי במולקולות רבות. לדוגמה במקרה של מוקולת F2 קשר הF - F נוצר על ידי חפיפה של אורביטלי pz של שני אטומי ה- F, כל אחד מכיל אלקטרון לא מזווג. מאחר שטבעה של חפיפת האורביטלים שונה ב H2 וב F2, חוזק הקשר ואורכו שונים בין מוקלות H2 לF2‏. במולקולת HF הקשר הקוולנטי נוצר על ידי חפיפה של האורביטל הראשון של H והאורביטל 2pz של F, כל אחד מכיל אלקטרון לא מזווג. שיתוף האלקטרונים בין H ו-F מוביל לקשר קוולנטי ב HF‏.