К XIX веку человечество знало уже достаточно, чтобы обработать и проанализировать результаты различных исследований о сути природы химической связи. Таким образом, XIX век стал ключевым для развития теории строения химической связи. Различными учеными были предложены несколько концепций, которые бы объясняли природу связи в рамках имеющихся тогда научных объяснений и исследований.
Одной из первых была выдвинута концепция электрохимического дуализма, выработанная Берцелиусом (шведский химик, ему принадлежат таблицы относительных атомных масс около 50 элементов, разработки в области органической химии, открыл церий, торий и селен). В основе теории лежал уже известный в то время закон Кулона, согласно которому модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними. Согласно концепции, все элементы располагаются в ряд в порядке уменьшения их электроотрицательных свойств, причем ряд начинается с кислорода, а не фтора, который к тому времени еще не был выделен в свободном состоянии; завершается ряд щелочными металлами. Наиболее электроотрицательные элементы обладают избыточным минусовым зарядом, а сам атом – полярный. Таким образом, атомы переориентируются в пространстве друг друга противоположными полюсами, при этом заряд частично нейтрализуется. Нейтрализация заряда приводит к выделению избыточной энергии – химическая связь образована. Теория дала начало научного подхода к объяснению явления химической связи, но не была достаточно логично обоснованной, потому что не могла объяснить возникновение сил, которые бы заставили атомы объединяться.
Следующая теория разрабатывалась группой талантливых органиков в середине XIX века (Кекуле, Бутлеров, Куллер) и получила название «концепция валентности». Основу теории положил Кекуле, объяснив понятие кратной связи на примере бензола. Со временем теория расширилась и на неорганические соединения вследствие открытия периодического закона Д. И. Менделеева. Заключительным этапом концепции была теория химического строения Бутлерова (все физические и химические свойства соединений зависят не только от качественного и количественного состава, но и от пространственной структуры соединения).
Следующая теория – ионная концепция - появилась уже в начале XX века и принадлежала Косселю. Связана она с открытием электрона Томсона, что способствовало формированию представлений о природе межатомных сил. Было принято считать, что атом – электронейтральная частица, а образование связи между несколькими атомами проходит в два этапа:
- отделение электрона от атома и его переход на другой атом: образование двух заряженных частиц – аниона и катиона;
- объединение двух противоположно заряженных частиц в нейтральную молекулу.
Число отданных/принятых электронов принято считать валентностью.
Концепция электронных пар, разработанная Льюисом, начиналась с объяснения ковалентной связи. Черту в структурных формулах соответствует одной электронной паре, которая является общей для двух атомов, потому как находится в оболочке обоих из них. В рамках концепции были классифицированы виды химической связи, а главным достижением ее было понимание, что не все электроны участвуют в образовании связи, то есть, было понимание всей сложности и многоступенчатости строения электронных уровней.
Последней и использующейся до сих пор была орбитальная теория химической связи, тесно связанная с квантовой химией. Согласно теории, связь образуется в результате электростатических взаимодействий электронных плотностей атомов, а также электростатических взаимодействий электронной плотности одного атома с ядром другого.
Нельзя сказать, что какая-либо из теорий возникновения химической связи была явно ошибочной и ненужной: все они были результатом долгой работы и гениальнейших умозаключений. Эволюция поздних теорий обусловлена как различными открытиями в физике и химии, так и научно-техническим прогрессом. То есть, последние концепции представляют собой результат работы огромного количества талантливых ученых.
Возможно, спустя сотни лет откроется новая правда о химических структурах, и наши теории также канут в лету, но сейчас орбитальная концепция принимается за истинную и используется для различных квантово-химических расчетах.
