Eng sodda bir elektronli kimyoviy bog‘lanish bitta valent elektron hisobiga hosil bo‘ladi. Ma’lum bo‘lishicha, bitta elektron musbat zaryadlangan ikkita ionni bir butun holda ushlab tura oladi. Bir elektronli bog‘lanishda musbat zaryadlangan zarrachalarning Kulon itarish kuchlari Kulon kuchlarining bu zarrachalarni manfiy zaryadlangan elektronga tortishi bilan muvozanatlashadi. Valent elektron ikkala atom uchun umumiy bo‘lib qoladi.

Bunday kimyoviy birikmalarga quyidagi molekulyar ionlar misol bo‘ladi — H₂⁺, Li₂⁺, Na₂⁺, K₂⁺, Rb₂⁺, Cs₂⁺:

Bunday vodorodning molekulyar ionlari va ishqoriy metallarning molekulyar ionlari mavjudligi, ularda bog‘lanish bitta valent elektron hisobiga hosil bo‘lishi, kimyoviy bog‘lanish tushunchasini kengaytiradi va to‘ldiradi. Sanab o‘tilgan ionlarda elektronlarning spinlari o‘zaro ta’sirlashuvi yoki elektron bulutlarining qoplanishi haqida gap bo‘lishi mumkin emas. Yagona bog‘lovchi elektron atom yadrolari orasidagi fazoda joylashib, ularni bir butun tizimga birlashtiradi va barqaror kimyoviy tizimni hosil qiladi (1-rasm).

Oddiy kovalent kimyoviy bog‘lanish bog‘lovchi elektron juftligi orqali hosil bo‘ladi. Mavjud barcha nazariyalarda (valent bog‘lanishlar nazariyasi, molekulyar orbitallar nazariyasi, valent elektron juftliklarining itarilish nazariyasi, kimyoviy bog‘lanishning Bor modeli) bog‘lovchi elektron juftligi molekula atomlari orasidagi fazoda joylashadi. Kovalent bog‘lanishning qutbli va qutbsiz turlari farqlanadi.

Shunday kimyoviy elementlar ham borki, masalan: He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn, Og ular o‘zaro hamda boshqa atomlar bilan kimyoviy bog‘lanish hosil qilishga qodir emas, chunki boshqa atomlarning elektronlariga ehtiyoj sezmaydi: ularning tashqi elektron qavati allaqachon to‘lgan.

Qutbsiz kovalent bog‘lanish bir xil yadroli ikki atomli molekulalarda uchraydi. Bunda bog‘lovchi elektron juftligi ikkala yadrodan teng masofada joylashadi (2-rasm). Atom yadrolari orasidagi d masofani tegishli atomlarning kovalent radiuslari yig‘indisi sifatida qarash mumkin.

Oddiy ikki elektronli kovalent bog‘lanishdagi atom yadrolari orasidagi masofa eng sodda bir elektronli kimyoviy bog‘lanishdagi xuddi shunday masofadan qisqaroq bo‘ladi.

Orbital va kovalent radiuslar orasidagi farq kimyoviy bog‘lanish hosil qilayotgan atomlarning atom orbitallari qanchalik qoplanishini ifodalaydi hamda atomlarning elektron qobig‘i deformatsiyasini aks ettiradi.

Qutbli kovalent bog‘lanish turli yadroli ikki atomli molekulalarda yuzaga keladi (3-rasm). Qutbli kimyoviy bog‘lanishdagi bog‘lovchi elektron juftligi birinchi ionlanish potensiali yuqoriroq bo‘lgan atomga yaqinroq joylashadi.

Qutbli molekulalarning fazoviy tuzilishini tavsiflovchi yadrolar orasidagi d masofani taxminan tegishli atomlar kovalent radiuslarining yig‘indisi deb hisoblash mumkin

Bog‘lovchi elektron juftligining qutbli molekuladagi yadrolardan biriga siljishi elektr dipoli (elektrodinamika) paydo bo‘lishiga olib keladi (4-rasm).

Musbat va manfiy zaryadlarning og‘irlik markazlari orasidagi masofa dipol uzunligi deyiladi. Molekulaning qutbliligi, bog‘lanish qutbliligi kabi, dipol momenti μ bilan baholanadi. Bu kattalik dipol uzunligi l bilan elektron zaryadi kattaligining ko‘paytmasiga teng:

Ko‘p karrali kovalent bog‘lanishlar to‘yinmagan organik birikmalarda, ya’ni qo‘sh va uch karrali kimyoviy bog‘lanishlar mavjud bo‘lgan birikmalarda uchraydi. To‘yinmagan birikmalarning tabiatini tushuntirish uchun L. Poling quyidagi tushunchalarni kiritdi: sigma- va π-bog‘lanishlar, gibridlanish (atom orbitallariga oid).

Polingning ikkita s- va ikkita p-elektron uchun gibridlanish modeli kimyoviy bog‘lanishlarning yo‘nalganligini, xususan, metanning tetraedrik konfiguratsiyasini tushuntirishga imkon berdi. Etilenning tuzilishini tushuntirish uchun uglerod atomidagi to‘rtta teng qiymatli sp³-elektrondan bittasi, ya’ni uglerod atomining bitta p-elektroni qo‘shimcha π-bog‘lanish hosil qilish uchun ajratiladi. Bunda qolgan uchta sp²-gibrid orbital bir tekislikda bir-biriga 120° burchak ostida joylashib, asosiy bog‘lanishlarni hosil qiladi. Natijada, masalan, yassi etilen molekulasi shakllanadi (5-rasm).

Atsetilen molekulasida esa (Polingga ko‘ra) gibridlanishda faqat bitta s- va bitta p-orbital qatnashadi. Natijada bir-biriga nisbatan 180° burchak ostida qarama-qarshi yo‘nalgan ikkita sp-orbital hosil bo‘ladi. Uglerod atomlarining ikkita «sof» p-orbitallari o‘zaro perpendikulyar tekisliklarda juft-juft bo‘lib qoplanadi va chiziqli atsetilen molekulasining ikkita π-bog‘lanishini hosil qiladi (6-rasm).

L. Polingning qarashlari uning «Kimyoviy bog‘lanish tabiati» nomli kitobida o‘z aksini topgan. Bu kitob uzoq yillar davomida kimyogarlarning asosiy qo‘llanmasiga aylangan. 1954-yilda L. Poling kimyo bo‘yicha Nobel mukofotiga «Kimyoviy bog‘lanish tabiatini tadqiq etgani va bu tadqiqotlarni murakkab birikmalar tuzilishini aniqlashda qo‘llagani uchun» degan ta’rif bilan sazovor bo‘lgan.

Biroq atom orbitallarining tanlab gibridlanishining fizik ma’nosi noma’lumligicha qolgan: gibridlanish fizik voqelik sifatida talqin qilib bo‘lmaydigan algebraik almashtirishlardan iborat edi.

Laynus Poling to‘yinmagan birikmalar molekulalarida orbitallarning tanlab gibridlanishini istisno etib, egri kimyoviy bog‘lanish nazariyasini yaratish orqali bog‘lanish tavsifini takomillashtirishga urindi. Kekule xotirasiga bag‘ishlangan nazariy organik kimyo simpoziumidagi ma’ruzasida (London, 1958-yil sentabr) L. Poling qo‘sh bog‘lanishni ikkita bir xil egri kimyoviy bog‘lanish, uch bog‘lanishni esa uchta egri kimyoviy bog‘lanish yig‘indisi sifatida tavsiflashning yangi usulini taklif qildi. Ushbu simpoziumda L. Poling qat’iy ravishda shunday degan:

Ba’zi kimyogarlar qo‘sh yoki uch bog‘lanish va tutash tizimlarni egri bog‘lanishlar orqali tasvirlash o‘rniga σ,π-usulda tavsiflash nihoyatda muhim yangilik bo‘lgan, deb hisoblashlari mumkin... Men esa σ,π-tavsif egri bog‘lanishlar yordamidagi tavsifdan kamroq qoniqarli ekanini, bu yangilik faqat vaqtinchalik bo‘lib, tez orada yo‘qolishini ta’kidlayman.

Polingning yangi nazariyasida barcha bog‘lovchi elektronlar bir xil qiymatga ega bo‘lib, molekula yadrolarini tutashtiruvchi chiziqdan teng masofada joylashadi. Polingning egri kimyoviy bog‘lanish nazariyasi to‘lqin funksiyasining statistik talqini — M. Born tomonidan ilgari surilgan yondashuvni va elektronlarning Kulon itarilishini hisobga oladi. Shunday qilib, fizik mazmun yuzaga keldi: kimyoviy bog‘lanish tabiati yadrolar va elektronlarning elektr o‘zaro ta’siri bilan to‘liq belgilanadi. Bog‘lovchi elektronlar qancha ko‘p bo‘lsa, yadrolar orasidagi masofa shuncha qisqa va uglerod atomlari orasidagi kimyoviy bog‘lanish shuncha mustahkam bo‘ladi.

Amerikalik fizik-kimyogar Uilyam Lipskomb kimyoviy bog‘lanish haqidagi tasavvurlarni yanada rivojlantirib, ikki elektronli uch markazli bog‘lanishlar nazariyasini hamda ayrim bor gidridlari (boranlar) tuzilishini oldindan bashorat qilish imkonini beradigan topologik nazariyani ishlab chiqdi.

Uch markazli kimyoviy bog‘lanishda elektron juftligi uchta atom yadrosi uchun umumiy bo‘ladi. Uch markazli bog‘lanishning eng sodda vakili — vodorodning molekulyar ioni H₃⁺da elektron juftligi uchta protonni bir butun holda ushlab turadi.

Diboran molekulasida to‘rtta oddiy B-H kovalent bog‘lanish va ikkita ikki elektronli uch markazli bog‘lanish mavjud (7-rasm). Oddiy B-H kovalent bog‘lanishda yadrolar orasidagi masofa 1,19 Å, uch markazli B-H-B bog‘lanishida esa 1,31 Å. Uch markazli B-H-B bog‘lanish burchagi (φ) 83° ga teng. Diboran molekulasidagi ikkita uch markazli bog‘lanishning birlashishi bor atomlari yadrolarini d_B-B = 2 · 1,31 · sin φ/2 = 1,736 Å masofada ushlab turishga imkon beradi. Bog‘lovchi vodorod atomlari yadrolari to‘rtta oddiy B-H kovalent bog‘lanish joylashgan tekislikdan h = 1,31 · cos φ/2 = 0,981 Å masofada joylashadi.

Uch markazli bog‘lanishlar faqat ikkita bor va bitta vodorod atomidan tashkil topgan uchburchakda emas, balki uchta bor atomi orasida ham hosil bo‘lishi mumkin. Masalan, karkasli boranlarda (pentaboran — B₅H₉, dekaboran — B₁₀H₄ va boshqalar). Bunday tuzilmalarda odatiy (chekka) va uch markazli bog‘lanish tarkibiga kiruvchi (ko‘prik hosil qiluvchi) vodorod atomlari, shuningdek, bor atomlaridan tuzilgan uchburchaklar mavjud.

Ko‘prik hosil qiluvchi vodorod atomlari qatnashgan ikki elektronli uch markazli bog‘lanishlarga ega boranlarning mavjudligi valentlik haqidagi klassik ta’limotga zid edi. Ilgari doimo bir valentli hisoblangan vodorod atomi ikkita bor atomi bilan bir xil bog‘lanishlar hosil qilib, rasman ikki valentli elementga aylandi. U. Lipskombning boranlar tuzilishini aniqlashga bag‘ishlangan ishlari kimyoviy bog‘lanish haqidagi tasavvurlarni kengaytirdi. Nobel qo‘mitasi Uilyam Nann Lipskombni 1976-yilda «Kimyoviy bog‘lanish muammolarini oydinlashtirgan boranlar (borgidridlar) tuzilishini o‘rgangani uchun» kimyo bo‘yicha mukofot bilan taqdirladi.

1951-yilda T. Kili va P. Poson ditsiklopentadienilni sintez qilish jarayonida kutilmaganda mutlaqo yangi temirorganik birikmani oldilar. Ilgari noma’lum bo‘lgan, nihoyatda barqaror sariq-to‘q sariq rangli kristall temir birikmasining olinishi darhol katta qiziqish uyg‘otdi.

E. Fisher va J. Uilkinson bir-biridan mustaqil ravishda yangi birikma tuzilishini aniqladi: ikki siklopentadienil halqasi o‘zaro parallel, qatlamlar yoki «sendvich» shaklida joylashgan bo‘lib, ularning markaziy oralig‘ida temir atomi mavjud (8-rasm). «Ferrosen» nomini R. Vudvord (aniqrog‘i, uning guruhidagi J. Uayting) taklif qilgan. Bu nom birikmada temir atomi va o‘nta uglerod atomi borligini ifodalaydi (nemischa zehn — o‘n).

Ferrosen molekulasidagi o‘nta C-Fe bog‘lanishining barchasi teng qiymatli bo‘lib, Fe-C yadrolari orasidagi masofa 2,04 Å. Ferrosen molekulasining barcha uglerod atomlari tuzilishi va kimyoviy xossalari bo‘yicha ekvivalentdir; har bir C-C bog‘lanish uzunligi 1,40—1,41 Å (taqqoslash uchun, benzolda C-C bog‘lanish uzunligi 1,39 Å). Temir atomi atrofida 36 elektronli qobiq hosil bo‘ladi.

1973-yilda Ernst Otto Fisher va Jeffri Uilkinson kimyo bo‘yicha Nobel mukofotiga quyidagi ta’rif bilan sazovor bo‘ldilar: «Metallorganik, ya’ni sendvich birikmalar sohasida bir-biridan mustaqil ravishda olib borgan kashshoflik ishlari uchun». Shvetsiya Qirollik fanlar akademiyasi a’zosi Ingvar Lindkvist laureatlarni taqdim etish chog‘idagi nutqida shunday degan: «sendvich birikmalarda^[ingl.] mavjud bo‘lgan bog‘lanish va tuzilishlarning yangi tamoyillarini kashf etish hamda isbotlash katta yutuqdir. Ularning amaliy ahamiyatini hozircha oldindan aytib bo‘lmaydi».

Bugungi kunga kelib ko‘plab metallarning ditsiklopentadienil hosilalari olingan. O‘tish metallari hosilalari ferrosen bilan bir xil tuzilish va bog‘lanish tabiatiga ega. Lantanoidlar esa sendvichsimon emas, balki uch nurli yulduzga o‘xshash tuzilma hosil qiladi. Demak, La, Ce, Pr va Nd atomlari o‘n besh markazli kimyoviy bog‘lanish hosil qiladi.

Ferrosendan ko‘p o‘tmay dibenzolxrom ham olindi (9-rasm). Xuddi shu usulda dibenzolmolibden va dibenzolvanadiy ham sintez qilindi. Bu turdagi barcha birikmalarda metall atomlari oltita a’zoli ikkita halqani bir butun holda ushlab turadi. Mazkur birikmalardagi barcha 12 ta metall–uglerod bog‘lanishi bir xil.

Uran atomi sakkiz a’zoli ikkita halqani tutib turadigan uranosen [bis(siklooktatetraen)uran] ham sintez qilingan (10-rasm). Uranosendagi barcha 16 ta uran–uglerod bog‘lanishi bir xil. Uranosen UCl₄ ning siklooktatetraen va kaliy aralashmasi bilan tetrahidrofuranda minus 30 °C haroratda o‘zaro ta’sirlashuvi natijasida olinadi.

Dispersiyaviy tortishish (London kuchlari) atomlararo o‘zaro ta’sirni va ishqoriy metall atomlaridan bir xil yadroli ikki atomli molekulalar hosil bo‘lishini ta’minlaydi.

Metall–metall kovalent bog‘lanishining hosil bo‘lishi o‘zaro ta’sirlashayotgan atomlar elektron qobiqlarining deformatsiyasi bilan kechadi: valent elektronlar bog‘lovchi elektron juftligini hosil qiladi, bu juftlikning elektron zichligi yangi molekula yadrolari orasidagi fazoda to‘planadi. Ishqoriy metallarning bir xil yadroli ikki atomli molekulalariga xos xususiyat — kovalent bog‘lanishning uzunligi katta (vodorod molekulasidagi bog‘lanishdan 3,6–5,8 marta uzun) va uni uzish energiyasining past bo‘lishidir.

Elektron juftliklarining itarilish nazariyasida elektron juftligi orbitali radiusi r_e bilan kovalent kimyoviy bog‘lanish uzunligi d o‘rtasidagi nisbat muhim deb hisoblanadi (11-rasm). D. I. Mendeleyev jadvalidagi har bir davr elementlari uchun elektron juftligining ma’lum radiusi (Å) mavjud:

— neongacha bo‘lgan elementlar uchun 0,6;

— argongacha bo‘lgan elementlar uchun 0,75;

— ksenongacha bo‘lgan elementlar uchun 0,75.

r_e va d o‘rtasidagi ko‘rsatilgan nisbat molekulada elektr zaryadlari notekis taqsimlanishini belgilaydi: molekulaning o‘rta qismida bog‘lovchi elektron juftligining manfiy elektr zaryadi, chetlarida esa ikkita atom o‘zagining musbat elektr zaryadlari to‘planadi.

Elektr zaryadlarining notekis taqsimlanishi molekulalarning orientatsion kuchlar (Van-der-Vaals kuchlari) hisobiga o‘zaro ta’sirlashishi uchun sharoit yaratadi. Ishqoriy metall molekulalari qarama-qarshi ishorali elektr zaryadlari yonma-yon keladigan tarzda yo‘nalishga intiladi. Natijada molekulalar orasida tortishish kuchlari paydo bo‘ladi. Bu kuchlar tufayli ishqoriy metall molekulalari yaqinlashib, bir-biriga nisbatan mustahkamroq tortiladi. Ayni vaqtda qo‘shni molekulalarning yaqinroq joylashgan qutblari ta’sirida ularning har biri ma’lum darajada deformatsiyalanadi (12-rasm).

Aslida, dastlabki ikki atomli molekulaning bog‘lovchi elektronlari ishqoriy metall molekulalaridagi musbat zaryadlangan to‘rtta atom o‘zagining elektr maydoniga tushib, atom orbital radiusidan ajraladi va erkin holatga o‘tadi.

Bunda bog‘lovchi elektron juftligi endi oltita kationdan iborat tizim uchun umumiy bo‘lib qoladi. Metall kristall panjarasining shakllanishi klaster bosqichida boshlanadi. Ishqoriy metallar kristall panjarasida deformatsiyalangan yassi oktaedr — kvadrat bipiramida shaklidagi bog‘lovchi bo‘g‘in tuzilishi aniq ko‘rinadi. Uning balandligi va asos qirralari translyatsion panjara doimiysi a_w ga teng (13-rasm).

Ishqoriy metall kristalining translyatsion panjara doimiysi a_w qiymati shu metall kovalent bog‘lanishining molekuladagi uzunligidan ancha katta. Shu sababli metalldagi elektronlar erkin holatda bo‘ladi, deb hisoblanadi:

Metallardagi erkin elektronlarning xossalari bilan bog‘liq matematik tasavvur odatda «Fermi sirti» bilan tenglashtiriladi. Uni elektronlar joylashadigan va metallning asosiy xususiyati — elektr tokini o‘tkazishni ta’minlaydigan geometrik o‘rin sifatida qarash kerak.

Ishqoriy metall bug‘larining kondensatsiyalanishini gazlar, masalan, vodorod kondensatsiyalanishi bilan taqqoslaganda metallar xossasining o‘ziga xosligi ko‘rinadi. Vodorod kondensatsiyalanganda kuchsiz molekulalararo ta’sirlar kuzatilsa, metall bug‘lari kondensatsiyalanganda kimyoviy reaksiyalarga xos jarayonlar sodir bo‘ladi. Metall bug‘ining kondensatsiyasi bir necha bosqichda kechadi va quyidagicha ifodalanadi: erkin atom → kovalent bog‘lanishli ikki atomli molekula → metall klasteri → metall bog‘lanishli yaxlit metall.

1935-yilda Yujin Vigner va Hillard Hantington metall vodorod mavjud bo‘lishi mumkinligini bashorat qildilar. Haqiqatan ham, molekulyar vodorodga xos kovalent bog‘lanish metall bog‘lanishga aylanishi mumkin. Bunday o‘tish qattiq vodorodda yuqori bosim ostida kuzatiladi (14-rasm).

Kovalent bog‘lanishning ion bog‘lanishga aylanishi qutbli kovalent bog‘lanishli turli yadroli ikki atomli molekulalar, masalan, ishqoriy metall galogenidlari gazsimon holatdan qattiq holatga o‘tganda kuzatiladi.

Ishqoriy metall atomlari tegishli galogenidni hosil qilishda yagona tashqi elektronini berib, aniq ifodalangan musbat elektr zaryadiga ega bo‘ladi. Manfiy elektr zaryadi galogen atomida to‘planadi. Ishqoriy metall galogenidlari molekulalari amalda elektr dipollaridir.

Qutbli kovalent bog‘lanish elektr dipolining kuch chiziqlari taqsimlanishi 4-rasmda ko‘rsatilgan. Molekulalar yetarlicha yaqinlashganda kuch chiziqlari qutbli molekulalarni o‘zaro yo‘naltiradi: dipollarning bir xil zaryadlangan uchlari (qutblari) bir-birini itaradi, qarama-qarshi zaryadlangan uchlari esa tortadi. Natijada molekulalar orasida ularning doimiy dipollari o‘zaro ta’siriga bog‘liq tortishish kuchlari — orientatsion kuchlar.

Ishqoriy metall galogenidlari molekulalarining o‘zaro ta’siri ularning dimerlanishi bilan kechadi. Dimer molekulani elektr kvadrupoli sifatida qarash mumkin (15-rasm). Hozirgi vaqtda ishqoriy metall galogenidlari dimerlarining asosiy xususiyatlari (kimyoviy bog‘lanish uzunliklari va bog‘lanishlar orasidagi valent burchaklari) ma’lum.

Kondensatsiya jarayonida orientatsion kuchlar ta’siri kuchayadi, molekulalararo o‘zaro ta’sir natijasida klasterlar, so‘ng esa qattiq modda hosil bo‘ladi. Ishqoriy metall galogenidlari oddiy kubik va hajm markazlashgan kubik panjarali kristallarni hosil qiladi.

Ishqoriy metall galogenidlarining kristall panjara turi va translyatsion panjara doimiysi.

Kristallanish davomida atomlararo masofa yanada ortadi. Natijada elektron ishqoriy metall atomining orbital radiusidan ajralib, galogen atomiga o‘tadi va tegishli ionlar hosil bo‘ladi. Ionlarning kuch maydonlari fazoda barcha yo‘nalishlarga bir tekis taqsimlanadi. Shu sababli ishqoriy metallar kristallarida har bir ionning kuch maydoni ion bog‘lanishning soddalashtirilgan tasviridagi kabi faqat bitta qarama-qarshi zaryadli ion bilan cheklanmaydi (Na⁺Cl^-).

Ionli birikmalar kristallarida Na⁺Cl⁻ va Cs⁺Cl⁻ kabi sodda ikki ionli molekulalar tushunchasi o‘z ma’nosini yo‘qotadi, chunki ishqoriy metall ioni (koordinatsiyalangan holda oltita xlor ioni (natriy xlorid kristalida) yoki sakkizta xlor ioni (seziy xlorid kristalida) bilan bog‘langan. Bunda kristallardagi barcha ionlararo masofalar bir xil. Butun kristall ulkan molekuladan iborat.