Нова ера зв’язку. Що таке 5G та як ця технологія змінює Європу

Декілька років тому у різних країнах світу почали тестувати нове покоління мобільного зв’язку 5G. Деякі категорії населення пов’язували цю технологію з різними антинаучними теоріями, враховуючи всесвітню владу, поневолення людства та навіть поширення COVID-19. Насправді, 5G, як і попередні покоління мобільного покриття, не має з цим нічого спільного. Але у нової технології все ж є свої особливості, про які ми поговорили разом з експертами ініціативи EU4Digital.

Торік на фоні розповсюдження нового коронавірусу SARS-CoV-2, який спричинив пандемію хвороби СOVID-19, у різних країнах світу з’явилися загони людей, що розповсюджували різну антинаучну маячню та нагнітали нічим необґрунтовану істерію.

Серед цієї маячні – боротьба з технологією нового покоління мобільного зв’язку 5G. Як у США, так і у різних країнах Європи, Азії та на інших континентах невеликі групи людей ініціювали акції проти впровадження 5G.

У деяких місцях та спільнотах такі акції доходили до асбурду, наприклад, – повалення базових станцій радіозв’язку, розповсюдження теорій змов про вплив Біла Гейтса та великих технокорпорацій, а також поширення “засобів захисту” від начебто шкідливих хвиль 5G у вигляді шапок з фольги.

Навіть в Україні на сайті офіційного інтернет-представництва президента, створили петицію з вимогою “Заборонити впровадження 5G через вкрай негативне його впливання на здоров’я!”, яка набрала необхідну кількість підписів для розгляду.

Разом з експертами європейської цифрової ініціативи EU4Digital спробуємо пояснити, чому розмови про негативний вплив 5G не мають наукового підґрунтя та що насправді означає ця технологія для розвитку світової економіки.

Технічна складова 5G

Якщо говорити мовою телеком-експертів, так званий “п’ять джі” – це всього лиш новий телекомунікаційний стандарт п’ятого покоління.

Технічно суть 5G полягає у забезпеченні вищої пропускної здатності та швидшої реакції мережі, у порівнянні з діючим поколінням мобільного зв’язку 4G, який набув широкого розповсюдження навіть у найглухіших частинах планети.

Консорціум 3GPP, який розробляє специфікації для мобільної телефонії, назвав радіоінтерфейс 5G “New Radio” або просто NR. Ця специфікація поділяється на дві частоти смуг, у спектрі яких буде працювати (а, точніше, вже працює) 5G: FR1 (600-6000 МГц) та FR2 (24-100 ГГц).

З точки зору пікових значень швидкості передачі інформації, які характерні для різних поколінь мобільного зв’язку, технологія 5G приблизно у 20 разів швидша за діючу 4G. Максимальне значення швидкості для 5G – 20 Гбіт/с, а для 4G ― 1 Гбіт/с.

Однак, варто зауважити, що це лише пікові значення, яких досягають інженери в лабораторних умовах і з використанням професійного обладнання. Для “простих смертних” 5G буде означати приблизну ту ж саму швидкість передачі інформації, а саме – завантаження даних на рівні 50-100 Мбіт/сек.

Так, навіть теоретична “стеля” 4G набагато вища, але прямо зараз ви можете перевірити реальну швидкість свого інтернету і, як мінімум, здивуватись.

То в чому ж суть впровадження 5G, якщо ця технологія кардинально не змінить досвід використання мобільного покриття для пересічних користувачів? Річ у тім, що новий стандарт зв’язку розроблений з використанням більш сучасних технологій, враховуючи ефективніші методи кодування та захисту сигналу.

На практиці це означає, що оператори, до прикладу, зможуть використовувати менший об’єм радіочастот для обслуговування більшої кількості користувачів. Саме тому більшість експертів з технологій передбачають, що першочерговими сферами впровадження 5G стане інтернет речей (IoT) та різні інфраструктурні проекти, враховуючи системи керування безпілотними авто, “розумні” дороги, хмарні технології, обчислення великих масивів даних тощо.

Як 5G впливає на здоров’я?

По-перше, варто врахувати, що розгортання всіх без вийнятку поколінь мобільного зв’язку супроводжувались сплесками радіофобії. Стандарту 5G не пощастило найбільше, оскільки його активний розвиток припав не епоху торгівельних війн у світі та згаданої вище пандемії COVID-19.

По-друге, люди з достатнім рівнем критичного мислення та доступом до інформації знають, що Всесвітня організація охорони здоров’я та національні регулятори зв’язку в різних країнах, враховуюч ЄС не підтверджують наявність негативного впливу 5G на здоров’я людей.

З огляду на те, що шкідливість будь-якого радіообладнання регулюється санітарними нормами електромагнітного випромінювання, (що вимірюється у мікроваттах на квадратний сантиметр поверхні), несертифіковані гаджети представляють значно більшу загрозу для здоров’я людини, аніж навіть найпотужніші базові станції 5G-зв’язку.

Розвиток 5G в Європі та країнах Східного партнерства

Торік під час вебінару Східних країн-партнерів (Азербайджан, Білорусь, Вірменія, Грузія, Молдова та Україна) учасники обговорили статус впровадження Регіональної угоди про спектр (РУС або RSA).

Цю Угоду почали розробляти ще в грудні 2019-го, а її головна мета – звільненні смуги частот 700 МГц і 3,4-3,8 ГГц для швидкого розгортання мереж 5G та кращого покриття послуг мобільного зв’язку нового покоління.

Очікується, що остаточна версія угоди буде погоджена і схвалена Східними країнами-партнерами під час проведення Панелі з питань Узгодження цифрових ринків пізніше цього року, а її підписання має відбутися наприкінці 2021 року.

“Угода про регіональний спектр дає змогу гармонізувати ключові смуги частот для розвитку технології 5G у регіоні Східного партнерства. Ця регіональна угода, безумовно, прискорить розвиток 5G у країнах Східного партнерства. З точки зору спектру, основними перевагами гармонізації є зменшення транскордонного втручання та спрощення процесів координації між сусідніми країнами, що дозволяє використовувати спектр 5G на всій території країни”, – пояснює заступниця начальника відділу радіо і телебачення в Органі регулювання зв’язку Литовської Республіки Йоруне Мікуленайте.

За її словами, споживачі отримають багато переваг від гармонізації спектру 5G завдяки кращому захопленню, значно вищій швидкості завантаження та застосуванні 5G у промислових рішеннях.

Які перспективи розвитку 5G?

“5G – це нове покоління технологій мобільного зв’язку, яке, на відміну від існуючих, пропонує клієнтам швидші та ефективніші можливості. Окрім швидкості, 5G означає меншу затримку, що дозволяє тисячам пристроїв як у малих, так і у великих приміщеннях під’єднуватися та працювати одночасно”, – пояснює координаторка RSA Ніно Грдзелишвілі.

5G – це не просто технологія нового покоління, переконана Грдзелишвілі, – “це технологія, яка забезпечує в 10, а в певних випадках і в 100 разів вищу швидкість з’єднання, ніж попередні покоління, залежно від послуги та продукту”.

Експертка наголошує, що окрім поліпшення якості телекомунікаційних послуг для пересічних громадян, впровадження технології 5G має трансформувати такі важливі сфери, як охорона здоров’я, освіта, бізнес, сільське господарство та інфраструктура, що, у свою чергу, зміцнює економіку будь-якої країни.

Серед найбільш розповсюджених прикладів впровадження 5G Грдзелишвілі виокремлює телемедицину, дистанційне навчання, “розумні” світлофори тощо.

Що стосується хвилювань, пов’язаних із впровадженням 5G, Ніно Грдзелишвілі пояснює: “Страхи та розбіжності думок також супроводжували процес впровадження 2G, 3G та LTE, і це стосується будь-якої нової технології. Багаторічний досвід показав, що після надання правильної інформації страхи зникають, і люди щодня використовують усі нові технології”.

Координаторка RSA запевняє, що в цифрову еру мобільний інтернет став невід’ємною частиною нашого життя, тому 5G – це новий етап розвитку, який принесе значні позитивні зміни.

“RSA була ініційована Грузією в 2019 році в межах Робочої групи експертів з питань спектру Східного партнерства (EaPeReg). Ця Угода регулюватиме роботу мереж 5G відповідно до технічних параметрів та умов, що відповідають рішенням Європейської комісії, Ради та Європейського парламенту, а також сприятиме міжнародній координації з сусідніми країнами”, – говорить Ніно Грдзелишвілі.

Окрім безперебійної роботи мереж зв’язку 5G, підписання цієї угоди має налагодити тіснішу співпрацю між країнами-членами ЄС та країнами Східного партнерства.

“Станом на вересень 2020 року 5G-покриття комерційно доступне в 47 країнах завдяки 107 операторам. Технологія нового покоління вже працює у Австрії, Бельгії, Болгарії, Чехії, Данії, Фінляндії, Німеччині, Угорщині та Ірландії, а також в Італії, Латвії, Нідерландах, Польщі, Румунії, Словенії, Іспанії, Швеції, Норвегія, Великій Британії та Швейцарії”, – резюмує експертка RSA.

Для розвитку нової мобільної мережі в ЄС також оголосили більше двадцяти міст для тестування 5G, де різні служби практикують використання технології. До цих міст увійшли Барселона, Берлін, Амстердам, Барі, Лондон, Мадрид, Малага, Мілан, Стокгольм, Таллінн, Турін та 9 французьких міст.

Програма EU4Digital просуває ключові сфери цифрової економіки та суспільства відповідно до норм та практики ЄС. Програма реалізується консорціумом на чолі з EY разом із Action Global Communications та CEPS.

Метою Програми EU4Digital у сфері телекомунікацій є підтримка таких тем, як робота, пов’язана з міжнародним роумінгом, та потенційна угода про спільний міжнародний роумінг між шістьма країнами-партнерами. Вона також сприяє зміцненню незалежності національних органів регулювання електронних комунікацій, а також підтримує надання ресурсів спектру для кращої доступності та якості мобільних послуг.

Стаття підготовлена в межах Програми EU4Digital. Погляди, висловлені в статті, є виключно поглядами автора.

• Азербайджан
• Білорусь
• Вірменія
• Грузія
• Республіка Молдова
• Україна
• Правила Телекому

2.1: День 9- Властивості зв’язку; Теорія валентних зв’язків

На цьому етапі ми представили перші чотири з них, використовуючи молекулярні формули, структури Льюїса, довжини атомних радіусів/зв’язків та ентальпії зв’язків. Наприклад, в молекулі води молекулярна формула H ₂ O вказує на наявність двох атомів Н і одного атома О. Структура Льюїса, H—O—H показує, що обидва атоми Н пов’язані з атомом O. Довжина зв’язку O—H (94 pm) та ентальпія зв’язку (467 кДж/моль) підтверджують, що зв’язки міцні – розділити атоми важко.

Але є більше молекули води, ніж це. Модель з кулькою та палицею або заповненням простору показує, що кут між двома зв’язками O – H становить 104,5° – дещо більше, ніж прямий кут. Кути, більші або менші за 104,5°, призводять до більш високої енергії (нижча стабільність). В результаті форми та типу атомів у молекулі води між молекулами води виникають сильніші сили, ніж між молекулами метану (CH ₄), хоча обидва містять однакову кількість електронів.

Малюнок 1. Кульові та палиці та моделі заповнення простору молекули води, що показують кут зв’язку 104,5°.

Зі збільшенням кількості атомів у молекулі останні чотири фактори в наведеному вище списку стають все більш важливими. Про них ви дізнаєтеся протягом усього цього Підрозділу, починаючи з додаткових властивостей хімічних зв’язків у наступних розділах.

D9.2 Полярність Бонда

Якщо два атоми, що утворюють ковалентний зв’язок, ідентичні, як у H ₂ або Cl ₂, то електрони в зв’язку повинні ділитися порівну між двома атомами. У чистому ковалентному зв’язку спільні електрони мають однакову ймовірність знаходження поблизу кожного ядра.

З іншого боку, якщо два атоми різні, вони можуть мати різні атракціони для спільних електронів. Коли зв’язкові електрони притягуються одним атомом більше, ніж інший атом, зв’язок називається полярним ковалентним зв’язком. Наприклад, в HCl атом Cl притягує зв’язкову пару електронів більше, ніж атом Н, а електронна щільність зв’язку H—Cl зміщується в бік атома хлору. Розрахунки квантової механіки показують, що атом хлору, який має 17 протонів, має електронну щільність, еквівалентну 17,28 електронів і, отже, частковий негативний заряд, δ — = −0,28. Атом водню має частковий позитивний заряд, δ + = +0,28.

Малюнок 2. Електронна щільність зв’язку в HCl зміщується до ядра хлору, роблячи молекулу полярною. Червоний колір являє собою ділянки поверхні молекули, які більш привабливі для позитивного заряду біля молекули (більш негативного); сині ділянки менш привабливі для зовнішнього позитивного заряду (більше позитивного).

Це нерівномірний розподіл електронної щільності на двох зв’язаних атомах виробляє зв’язковий дипольний момент, величина якого представлена μ (грецька буква mu). Дипольний момент дорівнює:

де Q – величина часткових зарядів (для HCl це в 0,28 рази більше заряду електрона) і r – відстань між зарядами (довжина зв’язку). Дипольні моменти зв’язку вимірюються в одиницях дебе (D); 1 D = 3,336 × 10 -30 кулонівський метр.

Дипольний момент зв’язку має як напрямок, так і величину і може бути представлений у вигляді вектора (рис. 3). Дипольний вектор малюється як стрілка, з наконечником стрілки вказує на частково негативний кінець, а невеликий знак + на частково позитивному кінці. Довжина стрілки пропорційна величині дипольного моменту.

Малюнок 3. (а) Бонд-дипольний момент зв’язку C-H. (б) Бонд-дипольний момент зв’язку B-F.

Запит \(\PageIndex\)

D9.3 Електронегативність

Полярність ковалентного зв’язку визначається різницею між електронегативністю зв’язаних атомів. Електронегативність (EN) – це тенденція атома в молекулі притягувати зв’язкову електронну щільність. Таким чином, у зв’язку більш електронегативним атомом є атом з δ − зарядом.

Чим більша різниця в електронегативності між двома зв’язаними атомами, тим більший зсув електронної щільності в зв’язку в бік більш електронегативного атома. Більша різниця електронегативності, більша Δ (EN), дає більші часткові заряди на атомах. Значення електронегативності для більшості елементів наведені в періодичній таблиці в Діяльності 1; вони також наведені в таблиці в додатку.

Запит \(\PageIndex\)

Електронегативність, спорідненість електронів та енергія іонізації

Ці три властивості пов’язані з атомом, що набирається/втрачає електрони. Спорідненість електронів та енергія іонізації є експериментально вимірюваними фізичними величинами.

Електронна спорідненість (ЕА) – це зміна енергії, коли ізольований атом газової фази набуває електрона; воно зазвичай виражається в кДж/моль.

Енергія іонізації (IE) – це енергія, яка повинна бути передана ізольованому атому газової фази для видалення електрона; вона також зазвичай виражається в кДж/моль.

Електронегативність описує, наскільки сильно атом притягує електронну щільність у зв’язку. Він обчислюється, не вимірюється, має довільну відносну шкалу, і не має одиниць.

Запит \(\PageIndex\)

Електронегативність та тип зв’язку

Різниця в електронегативності, Δ (EN), двох зв’язаних атомів забезпечує грубу оцінку полярності зв’язку, а отже, і типу зв’язку. Коли Δ (EN) дуже малий (або нуль), зв’язок є ковалентним і неполярним. Коли Δ (EN) великий, зв’язок є полярним ковалентним або іонним. (У з’єднаній парі іонів, таких як Na+ Cl − , відбувається майже повний перенесення валентних електронів від одного атома до іншого для отримання позитивного іона та негативного іона. Іони Na+ і Cl − утворюють диполь з δ + приблизно рівним +1 і δ − приблизно −1.)

Δ (EN) охоплює безперервну шкалу і служить загальним орієнтиром; немає остаточного відсічення, яке визначає тип зв’язку. Наприклад, HF має Δ (EN) = 1,8 і вважається полярної ковалентної молекулою. З іншого боку, NaI має Δ (EN) 1,7, але утворює іонну сполуку. Розглядаючи ковалентний або іонний характер зв’язку, слід також враховувати типи задіяних атомів та їх відносні положення в таблиці Менделєєва. Зв’язки між двома неметалами зазвичай описуються як ковалентні; зв’язок між металом і неметалом часто є іонним.

Деякі сполуки містять як ковалентні, так і іонні зв’язки. Наприклад, нітрат калію, KNO ₃, містить катіон K + та багатоатомний NO ₃ − аніон, який має ковалентні зв’язки між N та O.

Вправа 1: Різниця полярності та електронегативності

Вправа 2: Полярність зв’язку та електронегативність

D9.4 Офіційна плата

Корисно розглянути, як валентні електрони розподіляються в молекулі. Формальний заряд, заряд атома мав би, якби електронна щільність в зв’язках була однаково розподілена між атомами, є одним із способів зробити це. Для кожного атома в структурі Льюїса половина електронів в зв’язках присвоюється атому, а всі електрони однієї пари (які не поділяються з іншими атомами) призначаються атому.

Формальний заряд атома обчислюється як різниця між його кількістю валентних електронів (в незв’язаному вільному атомі) і присвоєним йому кількістю електронів в молекулі:

формальний заряд = число валентності e— [кількість одиничної пари e+ ½ (кількість облігаційної пари e)]

• Якщо присвоєне число електронів дорівнює числу валентних електронів, атом має нульовий формальний заряд.
• Якщо присвоєне число електронів перевищує кількість валентних електронів, атом має негативний формальний заряд.
• Якщо присвоєне число електронів менше числа валентних електронів, атом має позитивний формальний заряд.

Оскільки формальний заряд підраховує всі валентні електрони в молекулі, сума формальних зарядів усіх атомів у молекулі або іоні повинна дорівнювати фактичному заряду молекули або іона.

Формальний заряд для будь-якого даного атома не такий, як його фактичний частковий заряд, наприклад, розрахований у розділі D9.2 вище. Це пов’язано з тим, що розрахунки формального заряду припускають, що всі ковалентні зв’язки є неполярними, що рідко буває, за винятком гомоядерних молекул.

Вправа 3: Формальний заряд від структури Льюїса

Вправа 4: Формальний заряд від структури Льюїса

Використання формального заряду для прогнозування найбільш ймовірної структури Льюїса

Хоча формальні заряди не зображують справжнього розподілу електронної густини всередині молекули, вони, тим не менш, враховують розташування електронів у структурі Льюїса в одиницях цілого електрона. Тому, якщо наступні кроки для малювання структур Льюїса призводять до більш ніж одного можливого розташування електронів та/або атомів для даної молекули, формальні заряди можуть допомогти вирішити, яке розташування, ймовірно, буде найбільш стабільним, а отже, і найбільш імовірною структурою Льюїса для даної молекули.

• Для незарядженої молекули краща структура Льюїса, в якій всі атоми мають формальний заряд нуля.
• Чим менше атомів з ненульовими формальними зарядами, тим краще.
• Чим менше величина формальних зарядів, тим краще.
• Менш імовірна структура Льюїса з формальними зарядами одного знака (обидва + або обидва −) на сусідніх атомах.
• Переважними є структури Льюїса з негативними формальними зарядами на більш електронегативних атомах.

Для прикладу розглянемо ці три можливі структури Льюїса вуглекислого газу, СО ₂:

Всі структури мають октети на кожному атомі, але структура зліва краще, оскільки всі атоми мають нульовий формальний заряд. Структура праворуч найменш імовірна через більші формальні звинувачення.

Вправа 5: Формальне звинувачення та структура Льюїса

D9.5 Резонансні структури

В єдиній структурі Льюїса пара електронів може бути зображена лише як поділена між двома атомами або локалізована на один атом. Однак, як згадувалося в розділі D6.3, молекулярні орбіталі багатоатомної молекули часто охоплюють всю молекулу. Наприклад, такі делокалізовані розподіли електронів в π зв’язках можуть мати прямий вплив на молекулярні властивості і хімічну реакційну здатність. Тому важливо вміти використовувати структури Льюїса для позначення електронної делокалізації.

Наприклад, дві структури Льюїса можуть бути намальовані для нітритного аніону, NO ₂ – , обидві з яких відповідають рекомендаціям щодо найкращої структури Льюїса для NO ₂:

Зверніть увагу, що в цих двох структурах Льюїса кожен з трьох атомів знаходиться в одному положенні. Різниця полягає в розташуванні електронів. Іншими словами, ці дві структури Льюїса передають думку про те, що π зв’язок може бути між лівим O і центральним N або між центральним N і правим O.

Якби молекула NO ₂ була правильно описана будь-якою з структур Льюїса, ми очікували б, що одна N-O зв’язок буде довшою за іншу. Однак експерименти показують, що обидві зв’язки в NO ₂ − мають однакову довжину. Більше того, облігації довші за подвійний зв’язок N = O і коротші, ніж N-O одинарний зв’язок. Отже, жодна структура Льюїса не є правильним зображенням фактичної молекули, а найкраще зображення NO ₂ – це середнє значення цих двох структур Льюїса.

Коли фактичний розподіл електронів є середньозваженим набором структур Льюїса, ці структури Льюїса називаються резонансними структурами. Фактична електронна структура молекули (середнє значення резонансних форм) називається резонансним гібридом. Двоголова стрілка між структурами Льюїса вказує на те, що зображуються резонансні структури:

Молекула не коливається між резонансними структурами; скоріше, фактична електронна структура завжди є середньозваженим резонансними структурами. Іншими словами, єдиної структури Льюїса недостатньо для правильного представлення молекули (недолік простої діаграми), а набір резонансних структур (резонансний гібрид) – краще уявлення про розподіл електронної густини в молекулі.

У конкретному випадку NO ₂, дві резонансні структури вище необхідні для правильного зображення двох електронів π-зв’язку, які делокалізовані над всією молекулою (натисніть на зображення нижче для поворотного 3D вигляду π молекулярної орбіти, зайнятої цими двома електронами):

Карбонатний аніон, CO ₃ 2 − , дає ще один приклад недостатності єдиної структури Льюїса та необхідності набору резонансних структур:

Експерименти показують, що всі три зв’язку C—O абсолютно однакові. Іншими словами, два електрони в π зв’язку делокалізовані по всій молекулі, на відміну від того, щоб бути лише між одним атомом кисню та атомом вуглецю.

Підсумовуючи, в єдиній структурі Льюїса зв’язок (σ або π) завжди знаходиться між двома атомами. Отже, дві або більше структур Льюїса необхідні для правильного опису молекули з делокалізованими електронами (поширюються на три або більше атомів). При малюванні набору резонансних структур:

• Кожна резонансна структура повинна мати однакову кількість електронів.
  • Загальний формальний заряд є корисним інструментом для перевірки кількості електронів.
  • Структура скелета молекули залишається однаковою у всіх резонансних структурах.
  • Однак ви можете намалювати набір резонансних структур в будь-якому ракурсі. Наприклад, ви також можете намалювати резонансні структури CO ₃ 2 як
  • Двоголові стрілки між структурами Льюїса повідомляють, що намальоване – це сукупність резонансних структур.

  У NO ₂, дві основні резонансні структури однаково сприяють резонансному гібриду. Аналогічно, три основні резонансні структури CO ₃ 2 − однаково сприяють резонансному гібриду. Однак деякі структури в резонансному гібриді можуть бути важливішими за інші. Для прикладу розглянемо ці три резонансні структури ціанатного іона (OCN — ):

  Атоми в кожній резонансній структурі мають повний октет, але вони відрізняються своїми формальними зарядами. Це означає, що певні електронні механізми можуть бути трохи більш стабільними, ніж інші, і, отже, вони не сприяють однаково резонансному гібриду.

  З правил формального заряду ми можемо оцінити, що резонансна структура праворуч сприятиме найменшому; що розташування електронів є найменш стабільним з трьох. Резонансна структура зліва сприятиме більшому, ніж середня структура, оскільки вона має -1 формальний заряд на більш електронегативному атомі O. (Для OCN – розрахунки квантової механіки високого рівня показують, що ліва структура вносить 61% в резонансний гібрид, середня структура – 30%, а права резонансна структура вносить лише 4%.)

  D9.6 Ароматичні молекули

  Бензол, С ₆ Н ₆, є представником великої кількості ароматичних сполук. Ці сполуки містять кільцеві структури і проявляють зв’язок, який необхідно описати за допомогою резонансних структур. Резонансними структурами для бензолу є:

  Усі шість зв’язків C-C еквівалентні та мають довжину зв’язків, які є проміжними між одиничним зв’язком C – C та подвійним зв’язком C = C.

  Хімічна реакційна здатність ароматичних сполук відрізняється від реактивності алкенів. Наприклад, ароматичні сполуки не піддаються реакціям приєднання. Натомість за допомогою каталізатора вони можуть зазнати реакції заміщення, коли один з атомів водню замінюється замінником: іншим атомом або групою атомів. Реакція заміщення залишає недоторканими делокалізовані подвійні зв’язки.

  D9.7 Теорія валентних зв’язків

  Структури Льюїса – це легкі для малювання, площинні зображення зв’язку в молекулах. Вони допомагають нам розібратися і подумати про те, які атоми пов’язані з якими і чи є зв’язки одиничними або множинними. Однак за замовчуванням вони не представляють 3D-геометрію молекули, ані молекулярні орбіталі (MoS), які визначають розподіли електронної щільності.

  Ви, напевно, використовували VSEPR для прогнозування 3D-форм молекул. VSEPR включає підрахунок електронних областей (пар) навколо центрального атома, припускаючи, що електронні області відштовхуються і залишаються якомога далі один від одного, і зв’язування кінцевих атомів з електронними областями. VSEPR часто добре прогнозує розташування зв’язків навколо атома, і це нормально використовувати його для прогнозування ідеалізованих лінійних, тригональних плоских і тетраедричних розташування зв’язків, з якими ви зіткнетеся в цьому курсі, але VSEPR має значні обмеження:

  • VSEPR мало або зовсім не має основи в сучасній квантовій теорії; ви щойно витратили значний час на вивчення квантової теорії, і ми хочемо, щоб ви могли використовувати цей досвід.
  • Часто важко застосувати VSEPR до молекул, описаних двома і більше резонансними структурами (тобто молекулами з делокалізованими електронами). Таким чином, VSEPR ускладнює розуміння багатьох молекулярних структур – наприклад, структур білкових молекул.
  • VSEPR припускає, що самотні пари займають більше місця, ніж пари зв’язків, але немає ніяких доказів, експериментальних чи теоретичних, щоб підтвердити це припущення; насправді є деякі докази протилежного.
  • VSEPR передбачає, що всі одинокі пари рівнозначні, але є експериментальні докази того, що вони не є. Наприклад, дві одинокі пари в молекулі води не мають однакової енергії іонізації і не мають еквівалентних розподілів ймовірностей (Journal of Chemical Education1987, Vol. 64, с. 124-128.).
  • VSEPR часто не може пояснити відносні кути зв’язку. Наприклад, чому кут H-P-H в PH ₃ 93,5°, тоді як кут H-N-H в NH ₃ становить 107,5°? (Якщо зменшення кута зв’язку від чотиригранного кута 109,5° до 107,5° для NH ₃ пов’язано з «жирнішою» самотньою парою, чому кут зменшується набагато більше для більшого атома Р? «Товстіша» самотня пара повинна бути рідше відштовхуватися від інших зв’язків, оскільки вони знаходяться далі один від одного.)

  З цих причин VSEPR – це модель, яка має обмежену застосовність. У цьому курсі ми будемо використовувати кращу модель – теорію валентних зв’язків – яка узгоджується з сучасною квантовою теорією, робить більш точні та всеосяжні прогнози, ніж VSEPR, і є кращою основою для розуміння більш просунутих тем зв’язку. Якщо ви хочете, можна використовувати VSEPR для прогнозування ідеалізованих форм, але застосування ідей, представлених у цьому розділі та розділах D10.1 – D10.6, дозволить вам краще описати структури з делокалізованими електронами та точніше прогнозувати кути зв’язку.

  Теорія валентних зв’язків – це модель, яка фокусується на утворенні окремих хімічних зв’язків, таких як утворення зв’язку σ між двома атомами всередині багатоатомної молекули. Як і молекулярна орбітальна теорія, теорія валентних зв’язків стосується того, як атомні орбіталі (AoS) змінюються і поєднуються, коли молекула утворюється, але замість того, щоб утворювати MoS, які охоплюють всю молекулу, теорія валентних зв’язків поєднує валентні орбіталі кожного атома окремо, так що комбінація дає більш міцний зв’язок в конкретні напрямки. Отже, теорія валентних зв’язків дозволяє нам виводити ідеалізовані 3D-геометрії для молекул, засновані лише на їхніх структурах Льюїса, без необхідності виконувати будь-які обчислення.

  Теорія валентних зв’язків використовує ступінь орбітального перекриття, щоб зробити висновок про сильні сторони хімічних зв’язків: більше перекриття призводить до зв’язків, які є сильнішими, а отже, молекули, яка є більш стабільною. Для даного атома в молекулі перекриття орбіталів на інших атомах може бути більшим, коли деякі або всі АО атома утворюють гібридні орбіталі. Гібридні орбіталі – це комбінації валентних атомних орбіталей, які підкреслюють концентрацію електронної густини в конкретних напрямках. Більша електронна щільність гібридної орбіти в певному напрямку забезпечує більшу перекриття з орбіталлю з іншого атома при формуванні зв’язку σ.

  Для прикладу того, як працює орбітальна гібридизація, розглянемо об’єднання одного 2 с АТ з єдиним 2 р АТ, обидва на одному атомі (рис. 4). 2 s AO сферично симетричний, тому він має однакову фазу (математичний знак) з обох боків ядра, але 2 p AO змінює знак у ядра. Таким чином, з одного боку ядра 2 s і 2p AoS знаходяться в фазі, а з іншого боку вони поза фазою.

  Малюнок 4. Формування sp гібридних орбіталей. Коли 2s AO та 2p AO на одному і тому ж атомі додаються (зверху), гібридна орбіталь sp, яка формується, вказує вправо – область, де обидва AoS мають позитивну фазу. Коли 2p AO віднімається від 2s AO (знизу), гібридна орбітальна sp формується точки зліва – сторона, де дві хвильові функції мають протилежну фазу.

  Якщо ми додамо два AoS, нова гібридна орбітальна буде більшою на тій стороні, де AoS перебувають у фазі, і меншою на іншій стороні, де AoS знаходяться поза фазою. Якщо ми віднімемо їх, результуюча гібридна орбіта буде більшою на тій стороні, де AoS знаходяться поза фазою, і меншою, де вони перебувають у фазі. Отже, з одного 2 s AO та одного 2 p AO ми можемо отримати дві sp гібридні орбіталі.

  Діяльність 3: Орбітальна гібридизація