Відповідно до сучасних уявлень, необхідною умовою для утворення хімічного зв'язку між двома атомами є перекривання хмар їх електронів. Електрон утворює зв'язок в тому напрямку, в якому розташована найбільша частина його хмари, так що при цьому здійснюється максимальне перекривання хмар двох сполучних електронів.
У разі простого зв'язку (зображуваної однієї валентної рискою) максимальне перекривання здійснюється по прямій, що з'єднує два атома (рис. 8). Така проста кова-лентная зв'язок називається # 963; -зв'язком, а електрони. її утворюють, - # 963; -Електронна.
У молекулі етану. наприклад, є сім # 963; -зв'язків
розташованих одна відносно одної під кутом 109 ° 28 '. Атоми вуглецю в таких з'єднаннях, як кажуть, знаходяться в першому валентних станів (sр 3-гібридизація).
У молекулі етилену. як це встановлено за допомогою фізичних методів дослідження, п'ять # 963; -зв'язків розташовані один щодо одного під кутом 120 ° і знаходяться в одній площині:
Однак при такому розташуванні зв'язків в етилену у кожного атома вуглецю залишається по одному неспарених електронів. Вони вже не можуть утворити між атомами вуглецю другу # 963;-зв'язок, так як це супроводжувалося б порушенням принципу Паулі. Тому такі неспарені електрони атомів вуглецю утворюють якісно інший зв'язок. Перекриття двох електронних хмар відбувається так, що вісімки цих хмар перпендикулярні площині, в якій розташовані всі шість атомів молекули етилену (рис. 9). Такий зв'язок називається π-зв'язком, а електрони. її утворюють, - π-електронами. Так як передбачається, що # 963;-зв'язку в молекулі етилену утворюються за участю гібрідізоваться електронів. а π-зв'язок - за участю «чистих» р-електронів (т. е. з чотирьох електронів кожного вуглецевого атома гібрідізоваться один s-електрон і тільки два з трьох р-електронів), то гібридизація електронів вуглецевого атома в молекулі етилену позначається як sp 2-гібридизація.
Будова молекули етилену може бути також схематично представлено, як показано на рис. 10.
У молекулі ацетилену вуглець знаходиться в третьому валентних станів. У цій молекулі всі чотири атома розташовані на одній прямій і кути між # 963; -зв'язків становлять 180 ° (sp-гібридизація). Електронні хмари двох π-зв'язків розташовані уздовж пересічних взаємно-перпендикулярних площин (рис. 11). Таким чином, згідно з викладеним вище наочним уявленням, дві вуглець-вуглецеві зв'язки в молекулі етилену і три - в молекулі ацетилену за своїм електронною будовою не однакові. До сих пір, однак, не відомо ніяких хімічних або фізичних експериментальних фактів, які могли б підтвердити цю різницю. Той факт, що вуглецеві атоми. пов'язані подвійними зв'язками. здатні легко приєднувати тільки два атома водню. галоида і т. п. так що одна з вуглець-вуглецевих зв'язків зберігається, легко узгоджується також і з припущенням, що обидві вуглець-вуглецеві зв'язки однакові. Справді, якщо за однією з таких однакових вуглець-вуглецевих зв'язків приєднуються, наприклад, два атоми водню. то в результаті цього характер другої залишилася вуглець-вуглецевого зв'язку може змінитися іона. відрізняючись від двох наявних кратних зв'язків у вихідному з'єднанні, може бути міцніше, ніж кожна з них. На основі такого припущення можна пояснити, чому подвійна зв'язок легко приєднує тільки два, а потрійна - тільки чотири еквівалента.
Нерівноцінність зв'язків могла б бути встановлена фізичними методами дослідження, з яких важливе значення має, наприклад, визначення енергії зв'язків С-С, С = С і С≡С Значення енергії цих зв'язків складають відповідно 79,3; 140,5; 196,7 ккал / моль (середні значення). Як видно, при утворенні другої зв'язку між вуглецевими атомами загальна енергія зв'язку між двома атомами не стає вдвічі більшою, а зростає лише на 61,2 ккал / моль; звідси робиться висновок, що π-зв'язок слабше # 963;-зв'язку. Ще менше збільшується енергія зв'язку між атомами вуглецю при виникненні третього зв'язку (на 56,2 ккал / моль).
Однак і з цих даних все ж не можна зробити однозначного висновку про нерівноцінність # 963; - і π-зв'язків. Строго кажучи, наведений хід зростання енергії зв'язків між двома атомами може свідчити про відмінність # 963; - і π-зв'язків тільки в тому випадку, якщо попередньо зробити припущення, що енергія простий зв'язку С-С принаймні істотно не змінюється, якщо поруч з нею виникає друга зв'язок (при переході С-С ----- > С = С), а потім і третя. Без такого попереднього допущення можна аргументувати відмінність # 963; - і π-зв'язків наведеними величинами енергії їх утворення.
У тих випадках, коли зв'язок здійснюється між атомами. розрізняються по електронегативності. вона поляризована, т. е. електрони. її утворюють, зміщені в бік більш електронегативного атома. При цьому поляризація π-зв'язку завжди більше поляризації # 963;-зв'язку, связизающей ті ж атоми. Разом з тим при такій поляризації електрони не переходять цілком з електронної оболонки одного атома в оболонку іншого.
Поляризована π-зв'язок може бути розглянута на прикладі карбонільної групи> С = О. На підставі експериментальних досліджень дипольних моментів великого числа альдегідів і кетонів відомо, що дипольний момент карбонільної групи становить приблизно 2,7 D. Відомо також, що дипольний момент # 963;-зв'язку С-О (на основан.іі дослідження простих ефірів) дорівнює 1,2 D. Якби поляризація π-зв'язку була такого ж порядку, то для карбонільної групи варто було б очікувати дипольного моменту. рівного 1,2 + 1,2 = 2,4 D. Однак дипольний момент карбонільної групи в дійсності перевищує цю величину, а отже, π-зв'язок поляризована в більшій мірі, ніж # 963;-зв'язок С-О. Якщо, з іншого боку, припустити, що π-зв'язок поляризована до межі і, отже, в карбонільної групи є Семиполярний зв'язок
то в такому випадку слід було б очікувати дипольного моменту порядку 5,7D (# 956; = 4,774 · 10 -10 ел.-ст. од. x 1,2 · 10 -8 см = 5,7288D). Отже, в карбонільної групи є лише часткова поляризація π-зв'язку. Зазвичай це зображують наступним чином:
Вигнута стрілка вказує напрямок зміщення я-електро-тронів, т. Е. Напрям поляризації π-зв'язку.
В результаті такої поляризації (а також частково і поляризації # 963;-зв'язку) атом вуглецю набуває певний (неповний) позитивний заряд, а атом кисню - деякий негативний заряд:
Наявність цих зарядів багато в чому визначає хімічну поведінку карбонільних сполук (протягом реакцій приєднання. Заміщення та ін.).