Фундаментальные понятия химии

     2.1 Статистическая модель Дж.Дж. Томсона

     2.2 Опыт Резерфорда. Планетарная модель  атома

     2.3 Закон Мозли

     2.4 Постулаты Нильса Бора. Модель  атома водорода

     3.  Зарождение и становление квантовой механики

     В 1916 г. немецкий физик и математик Арнольд Зоммерфельдна основе положения о корпускулярно-волновом дуализме электрона рассчитал две орбиты для атома водорода, одна из которых была круговая, а вторая - эллиптическая. Выполненные исследования не только пролили новый свет на сложную природу атома, но и положили начало новому важному направлению в науке. Из исследований Планка, Эйнштейна, Бора и Зоммерфельда вытекала явная несостоятельность принципов классической физики при описании поведения субатомных частиц.

     Решающий  шаг в развитии нового раздела  физики произошел в 1925 г., когда Луи  де Бройль (рис. 18) углубил представления  о корпускулярно - волновом дуализме.

     Квантовая механика представляет собой раздел теоретической физики, который устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы или системы частиц, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.

     Де  Бройль, являясь одним из основоположников квантовой механики, предложил рассматривать  электрон как стоячую волну, которая  должна умещаться на круговой орбите целое число раз. Наличие волновых свойств у электрона экспериментально было подтверждено работами Клинтона Джозефа Дэвиссона и Лестера Халберта Джермера⁴.

     Становление квантовой механики является важнейшим  этапом в развитии естествознания XX века. Ее законы составляют фундамент  изучения строения вещества. Они позволили  выяснить сложное строение атома, установить природу атомных спектров, объяснить внутреннее строение Периодической системы элементов, понять строение молекул, изучать свойства вещества. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Она позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоемкости газов и твердых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как сверхпроводимость, ферромагнетизм, сверхтекучесть, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.

     Ряд крупнейших технических достижений XX века основан по существу на специфических  законах квантовой механики. Например, квантово- механические законы лежат  в основе работы плазменных ускорителей, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т. д. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих).

     В настоящее время без ее теоретических  основ и математического аппарата невозможно развитие таких областей науки, как физика твердого тела, квантовая  химия, квантовая электроника, атомная  физика, нелинейная оптика и теория атомного ядра. Создание квантовой теории свидетельствует об исключительной силе человеческого разума, сумевшего обнаружить в кажущемся хаосе микроявлений поразительные по своей общности и красоте закономерности.

      2. Молекула

     Моле́кула (новолат. molecula, уменьшительное от лат. «moles» — масса) — наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами^[1].

     Молекула  – микрочастица, образованная из двух или более атомов, способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав (количественный и качественный) входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать молекулу от других, в том числе от молекул того же состава.

     Молекула  состоит из двух или более атомов, характеризуется количеством входящих в неё атомных ядер и электронов, а также определённой структурой.

     Обычно  подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены); заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (то есть с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) — радикалами.

     Молекулы, образованные сотнями или тысячами атомов, называются макромолекулами. Особенности  строения молекул определяют физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

     К веществам, сохраняющим молекулярную структуру в твердом состоянии, относятся, например, вода, оксид углерода (IV), многие органические вещества. Они характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Большинство же твердых (кристаллических) неорганических веществ состоят не из молекул, а из других частиц (ионов, атомов) и существуют в виде макротел (кристалл хлорида натрия, кусок меди и т. д.).

     Состав  молекул сложных веществ выражается при помощи химических формул. 

     История становления понятия

     На  международном съезде химиков в  г. Карлсруе (Германия) в 1860 г. были приняты определения понятий молекулы и атома. Молекула — наименьшая частица химического вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Из молекул (по современным представлениям) состоят лишь вещества, находящиеся в парообразном и газообразном состоянии^[1]. 

     Классическая  теория химического  строения

     Шаро-стержневая модель молекулы диборана B₂H₆. Атомы бора показаны розовым, водорода — серым. Центральные «мостиковые» атомы одновалентного водорода образуют с соседними атомами бора трёхцентровые связи

     Пространственная  структура молекулы диборана. 
Длины связей показаны серым, валентные углы — цветным. 
Диэдральный угол между плоскостями периферических и мостиковых троек ядер H-B-H составляет 90°

     В классической теории химического строения молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами.

     Молекула  данного вещества имеет постоянный состав, то есть одинаковое количество атомов, объединённых главными взаимодействиями — химическими связями, при этом химическая индивидуальность молекулы определяется именно совокупностью и конфигурацией химических связей, то есть валентными взаимодействиями между входящими в её состав атомами, обеспечивающими её стабильность и основные свойства в достаточно широком диапазоне внешних условий. Невалентные взаимодействия (например, водородные связи), которые зачастую могут существенно влиять на свойства молекул и вещества, образуемого ими, в качества критерия индивидуальности молекулы не учитываются.

     Центральным положением классической теории является положение о химической связи, при этом допускается наличие не только двухцентровых связей, объединяющих пары атомов, но и наличие многоцентровых (обычно трёхцентровых, иногда — четырёхцентровых) связей с «мостиковыми» атомами — как, например, мостиковых атомов водорода в боранах, природа химической связи в классической теории не рассматривается — учитываются лишь такие интегральные характеристики, как валентные углы, диэдральные углы (углы между плоскостями, образованными тройками ядер), длины связей и их энергии.

     Таким образом, молекула в классической теории представляется динамической системой, в которой атомы рассматриваются  как материальные точки и в  которой атомы и связанные  группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно некоторой равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы и рассматривается как система гармонических осцилляторов. 

     Квантохимическая  теория химического  строения

     В квантохимической теории химического  строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, является её электронная и пространственная (стехиометрическая) конфигурации. При этом в качестве электронной конфигурации, определяющей свойства молекулы принимается конфигурация с наименьшей энергией, то есть основное энергетическое состояние. 

3.  Структура

     Термин  структу́ра (от лат. «structūra» — строение) имеет целый спектр значений, встречающихся в различных областях человеческого знания и практике. В общем, философском значении структура есть известная Кантовская непостигаемая "вещь в себе". В естествознании структура есть внутреннее устройство чего-либо, скрытое внешней формой предмета. Внутреннее устройство связано с категориями целого и его частей.

     Характер  любой системы, как известно, зависит  не только от ее строения и состава  ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходится заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия элементов химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействий их элементов.

     В качестве первичной химической системы  рассматривалась при этом молекула, и поэтому когда речь заходила о структуре веществ, то имелась  в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью определенных химических экспериментов. По мнению известного шведского химика Й. Берцелиуса (1779— 1848), структура молекулы имеет дуалистический характер, так как связана с взаимодействием разноименно заряженных атомов или атомных групп. Так, например, любая соль, образуемая основанием и кислотой, имеет положительный и отрицательный электрические заряды. Но дуалистическая гипотеза структуры молекулы подверглась серьезной критике. Она, например, не могла объяснить многочисленные примеры строения молекул, которые образуют прочные связи со своими атомами. Поэтому еще французский химик Ш. Жерар (1816— 1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер представлений, развитых Берцелиусом. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность, или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали фактических указаний, как применить их на практике для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.

     Такую попытку раскрытия структуры  молекул и синтеза новых веществ  осуществил известный немецкий химик  Ф. Кекуле (1829— 1896). Он стал связывать  структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его химического сродства. Известно, что некоторые элементы обладают определенной валентностью (от лат. valentia — сила, способность) образовывать соединения с другими элементами. Валентность как раз и определяет, с каким числом атомов способен соединяться атом данного элемента. Например, атом водорода способен соединяться с одним атомом другого элемента, атом кислорода— с двумя атомами, атом азота — с тремя атомами, а углерода — с четырьмя. Соответственно этому различают одновалентные, двух-, трех- и четырехвалентные элементы. Следовательно, валентность любого элемента может быть определена как число атомов одновалентного элемента, с которыми может взаимодействовать один атом данного элемента. Так, например, один атом кислорода, соединясь с двумя атомами водорода, образует воду, Н₂О, и поэтому является двухвалентным элементом, а азот в соединении NH₃ (аммиак) — трехвалентен. Однако такое представление о валентности нуждается в дальнейшем уточнении, так как существуют химические соединения, содержащие в своем составе ионы. Некоторые атомы, из которых они возникли, обладают способностью отдавать электроны, а другие — присоединять электроны. В результате этого полученные из них соединения обладают ионной валентностью. Существует, однако, еще большее количество соединений, которые характеризуются тем, что двум атомам одновременно принадлежит пара электронов. Связь подобного рода называется ковалентной связью, а открывший ее электронную структуру американский химик Д.Н. Льюис считает ее чисто химической связью.

     На  основе представлений о химическом сродстве, или валентности, и возникли те структурные формулы, которыми с  незначительными видоизменениями  пользуются при изучении химии, особенно органической, в школе. В этих формулах элементы связываются друг с другом, как отмечено выше, по числу единиц их сродства, или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это и составляет важнейшую задачу химической науки.

     Крупный шаг в эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического  строения А.М. Бутлерова (1828—1886), который хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи Бутлерова в свое время не только нашли широкое применение в практике химического синтеза, но и получили прочное обоснование в современной квантовой химии.