Квантовая механика — теоретическая основа современной химии
Значение квантовой механики состоит в том, что она радикально преобразовала систему химического знания, подняла эту систему с уровня эмпирического знания на теоретический уровень, выступила в качестве теоретического базиса современной химической картины мира.
Основные понятия и объекты химии — атом и молекула. Атом — наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Химический элемент - вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств и обозначаемый определенным символом. Соединения атомов с помощью химических связей образуют молекулы. Молекулы — наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами.
Атомов известно более 100 видов, а молекул - свыше 18 млн. (почти все виды атомов, взаимодействуя друг с другом, способны объединяться в молекулы, молекулы могут содержать разное число атомов).
Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве, такие последовательности и пространственные расположения при одном и том же составе атомов могут быть различными.
Квантовая химия - это область современной химии, в которой принципы и понятия квантовой механики и статистической физики применяются к изучению атомов, молекул и других химических объектов и процессов. Основной метод квантовой химии состоит в применении уравнения Шрёдингера для атомов и молекул. При этом учитываются все виды энергии составляющих систему частиц (кинетическая, энергия взаимодействия атомных ядер и электронов, энергия взаимодействия с внешними полями).
|
|
|
Решение такого уравнения определяет значения волновых функций, дает знание полной энергии системы и ее состояний, их зависимость от пространственных координат, спиновых характеристик частиц и др. Все это позволяет определить количественные характеристики системы (атома, молекулы и др.). Но точные решения возможны лишь для простейшей системы — атома водорода. Для теоретического описания более сложных систем применяются приближенные методы и трудоемкие вычисления.
Важным достижением квантовой механики явилось создание квантовой теории строения атома. Эксперименты показали, что атомы (размер примерно 10-8 см) состоят из тяжелого, обладающего положительным электрическим зарядом ядра (примерно 10-13 см) и окружающих его отрицательно заряженных легких электронов (-е), образующих определенным образом расположенные оболочки атома. Заряд ядра определяется количеством протонов (имеющих заряд +е) в нем.
Масса атома определяется массой его ядра, так как масса электрона почти в 2000 раз меньше массы протона (и нейтрона). Впрочем, масса ядра у одного и того же элемента может отличаться за счет изменения числа нейтронов в ядре. Ядра с разным числом нейтронов, а значит и различным массовым числом, называются изотопами.
|
|
|
Являясь микрообъектом, атом подчиняется квантово-механическим закономерностям. В основном состоянии атом может находиться сколь угодно долго, обладая способностью поглощать фотоны.
Поглощение фотонов переводит его в возбужденное состояние, при котором он может или еще поглощать фотоны, или испускать их. Время жизни атома в возбужденном состоянии ограниченно. Получение или приобретение энергии атомом может происходить не только за счет взаимодействия с фотонами, квантами света, но и за счет взаимодействия или столкновения с другими частицами, в том числе электронами (в молекулах, газах, твердых телах и др.).
Атом как квантово-механическая система подчиняется принципу квантово-волнового дуализма. Это значит, что движение его электронов можно рассматривать и как движение материальной точки по траектории, и как сложный волновой колебательный процесс. При возбужденных состояниях электронное облако распределяется на большом удалении от ядра. Слабее всего связаны с ядром электроны самой внешней оболочки, которые и играют роль при межатомном взаимодействии и образовании молекул
|
|
|
Особенность многоэлектронных атомов (за исключением атома водорода, имеющего лишь один электрон) состоит в том, что между электронами существуют силы взаимного отталкивания, которые существенно уменьшают прочность связи электронов с ядром. Чем больше электронов в атоме и чем дальше они находятся от ядра, тем меньше у них энергия отрыва от атома, которая приводит к превращению атома в ион.
Важную роль играют закономерности распределения электронов по слоям вокруг ядра, которые подчиняются принципу Паули. «В каждом квантовом состоянии (определяемом четырьмя квантовыми числами — главным квантовым числом, орбитальным квантовым числом, магнитным орбитальным квантовым числом, спином) не может находиться больше одного электрона». Иначе говоря, любые два электрона должны различаться хотя бы одним квантовым числом.
В соответствии с этим принципом электроны заполняют электронные слои и оболочки строго определенным образом:
в первом, наиболее близком к ядру, слое может быть только два электрона;
|
|
|
во втором и третьем - 8 (в оболочках - 2 и 6),
в четвертом и пятом — 18 (в оболочках — 2,6,10),
в шестом и седьмом — 32 (в оболочках — 2,6,10,14).
Чем выше слой, тем слабее его электроны связаны с ядром, легче его покидают, в большей мере подвергаются внешним воздействиям и склонны к установлению (химических) связей с другими атомами, образуя при этом молекулы. В химических связях участвуют электроны внешних оболочек. Именно число электронов на внешней оболочке определяет химическую активность элемента. Порядок заполнения электронных слоев задает структуру периодической системы Менделеева: число химических элементов в периоде равно числу элементов в слое.
Создание квантово-механической теории атома имело не только фундаментальное теоретическое, но и практическое значение.
- оно придало мощный импульс развитию атомной энергетики (высвобождению атомной энергии, созданию атомных электростанций и энергетических установок).
- оно стало стимулом для работ по искусственному расширению человеком знания мира атомов.
Современная атомная физика нашла решение проблемы, которая столетиями волновала умы алхимиков — трансмутации веществ (т.е. химических элементов), и в частности получения золота. Эта задача вполне решаема в ускорителях элементарных частиц. Но такая «добыча» золота неизмеримо дороже его обычной добычи из «кладовых природы».
Молекула как система атомов. Понятие химической связи и ее типы. Важная часть квантовой химии — теория молекулярного строения вещества.
Понятие о молекулярном строении вещества было подтверждено экспериментами Ж.Б. Перрена, проводившимися над явлением броуновского движения (беспорядочного движения малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванного движением ударов молекул окружающей среды) в 1906 г.
Молекулы характеризуются составом (из атомов каких элементов они состоят), молекулярной массой и структурной формулой, указывающей последовательность химических связей атомов. Размеры молекул определяются их массой и структурой и у больших молекул могут достигать 10-5 см.
Некоторые молекулы, обладая одинаковым составом, различаются расположением атомов, последовательностью химических связей - называются изомерами и изображаются разными структурными формулами. Их химические свойства также различны. В любом случае расположение атомов в молекуле всегда симметрично.
Молекула — это сложная, находящаяся в постоянном движении квантовая система. Атомы входят в состав молекулы и в то же время совершают непрерывные колебательные движения. В многоатомной молекуле колебания различных атомов зависят друг от друга, и каждое характеризуется своей частотой. Сами молекулы как целое совершают и поступательные, и вращательные движения.
Состояние молекулы описывается уравнением Шрёдингера. Решение этого уравнения обычно распадается на два уравнения - для электронов и для ядер. Решение для электронов позволяет определять уровни энергии электронов, которых значительно больше, чем уровней энергии составляющих молекулу атомов.
При решении уравнения Шрёдингера для электронов учитываются электростатические взаимодействия электронов с ядрами, друг с другом, а также кинетическая энергия ядер и электронов. Решения уравнения Шрёдингера для ядер дает возможность охарактеризовать колебательные и вращательные движения молекул как целого.
Важным понятием квантовой теории молекул является понятие химической связи. Химическая связь — это та связь между атомами, которая приводит к образованию молекул. Для возникновения химической связи необходимо образование молекулы из атомов, что возможно тогда, когда внутренняя энергия молекулы оказывается ниже суммарной энергии этих атомов в изолированном состоянии. А понижение энергии системы означает повышение ее устойчивости.
Химическая связь устанавливается исключительно за счет электромагнитного взаимодействия электронов и ядер, входящих в молекулу атомов. Выделяют два основных типа химических связей — ионную и ковалентную.
Ионная связь образуется за счет переноса электронов с одного атома на другой и образования при этом положительных и отрицательных ионов, которые связываются друг с другом электростатически (например, КСl).
Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов (обычно электронных пар) соседними атомами (например, в молекулах Н2, О2, СО и др.).
В металлах преобладает металлическая связь. Она реализуется за счет большой концентрации в кристаллах, свободных электронов («электронный газ»), которые удерживают положительные ионы на определенных расстояниях друг от друга, осуществляя коллективное взаимодействие атомов. Такие связи изучают в физике твердого тела.
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 35; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!