ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Актуальные проблемы и направления химической науки из "Химия и совместимость" Современную химию можно представить в виде огромного дерева, которое интенсивно развивается, обрастая все новыми ветвями. Даже простое перечисление всех химических ветвей с формулировками предмета их изучения заняло бы слишком много места. Поэтому ограничимся лишь некоторыми разделами и направлениями химической науки, которые имеют фундаментальное значение и открывают перспективы для развития народного хозяйства. Выбор этих разделов и направлений кажется нам не более произвольным, чем любых других. [c.18] Фундаментальные химические законы, открытые в прошлом столетии, не были по-настояш,ему осмыслены до появления квантовой химии. Развитие последней позволило раскрыть природу химической связи, механизмы взаимного влияния атомов и меж-молекулярного взаимодействия. Электронные и квантовомеханические представления содействовали прогрессу в области синтеза новых химических соединений. [c.18] В основе всех химических превращений лежат физические процессы, связанные с изменением состояний электронных оболочек атомов, ионов, комплексов, молекул. Квантовая химия основывается на идеях и методах квантовой механики, которые в концентрированном виде выражаются уравнением Шредингера. [c.18] Решение этого уравнения, учитывающего как кинетическую энергию всех частиц, так и их попарные электростатические взаимодействия, позволяет получить полную энергию частицы и волновую функцию или вектор состояния. Эти параметры, в свою очередь, дают возможность рассчитать любое реальное свойство атомов, ионов или молекул. [c.18] В квантовой химии исследуют электронное строение атомов и молекул. Электронная конфигурация атомов и молекул определяет не только химические, но также оптические, электрофизические и даже механические свойства, причем носителями этих свойств являются валентные электроны. Например, твердость веществ обусловлена сопротивлением электронных облаков сжатию, а энергия, затрачиваемая на их деформацию, приводит к увеличению энергии электронов. [c.18] Методы квантовой механики ПОЗВОЛЯЮТ рассчитать все физические константы, характеризующие свойства веществ, исходя из четырех фундаментальных величин заряда ё и массы т электрона, постоянной Планка А и массы ядер атомов, которые образуют соединение. При одинаковых условиях из одних и тех же частиц всегда образуется одно и то же вещество именно с такой, а не иной структурой, поскольку каждому состоянию электронной волновой функции отвечает строго определенная пространственная конфигурация. Атомы удерживаются в определенном порядке химическими связями — силами квантовомеханического взаимодействия. Причем при образовании любой комбинации атомов наиболее вероятной является та, которая соответствует минимуму энергии. [c.19] Для молекул, включающих атомы тяжелых элементов, электроны внутренних оболочек учитывают не явно, а с помощью эффективного потенциала электронов внешних валентных оболочек. Такие приближения не позволяют оценить полные энергии молекул, однако их часто бывает достаточно для определения энергий переходов между валентными уровнями, потенциалов ионизации и других характеристик. [c.19] В годы зарождения этого раздела науки использовались приближенные полуэмпирические методы. Движение электронов в химических системах рассматривалось только при фиксированном положении ядер (адиабатическое приближение). Изучались молекулы самых легких элементов — водорода, гелия. Решение уравнения Шредингера даже в этом случае связано с трудоемкими расчетами. К тому же последующее определение основных физико-химических параметров молекул ввиду сложного характера связи параметров с волновой функцией представляет непростую задачу. Успехи вычислительной техники в последние десятилетия существенно повлияли на методы и направление квантовохимических исследований. Появилась возможность рассчитывать и качественно оценивать строение, физические свойства, спектры довольно крупных молекул (в составе которых примерно 30 электронов), Это особенно ценно для исследования нестабильных активных частиц и комплексов. [c.20] В настоящее время развивается квантовая теория движения ядер в системах при химических реакциях, при явлениях фотовозбуждения и распада веществ, становятся более разнообразными объекты квантовохимических исследований от процессов в химических лазерах и электрической проводимости молекулярных кристаллов до сложных механизмов функционирования биологических систем. [c.20] При более точных приближениях полную электронную волновую функцию представляют в виде линейной комбинации функций отдельных электронных конфигураций. Вероятность нахождения электрона в каждой точке пространства считается уже зависимой от положения остальных электронов. [c.20] Учет корреляции электронов существенно уточняет результаты квантовохимических расчетов, особенно для молекул с большим количеством электронов. Электронная корреляция очень существенна при близких расстояниях между молекулами, т. е. при их взаимодействии в ходе превращений. [c.20] Особенное значение квантовохимические расчеты приобретают в тех случаях, когда современный эксперимент либо недоступен, либо слишком дорог. Например, для реакций в низкотемпературной плазме, в космическом пространстве, при многих нестабильных состояниях веществ, возникающих в плазме лазерного луча, такие расчеты могут дать знание вероятностей прохождения химической реакции по тому или иному пути. [c.20] Здесь наряду с обычными присутствуют мостиковые лиганды СО, связанные бдновременно с двумя атомами железа. Мостиковые лиганды характерны также для нестабильных ионов органи-чбских соединений. [c.21] Квантовая химия может дать в будущем более рациональные для экспериментаторов и специалистов, занимающихся синтезом, способы описания молекул. [c.22] Химическая физика опирается на фундамент квантовой механики и изучает механизмы молекулярных столкновений, перераспределение энергии внутри молекул, а также связанные с внутримолекулярными физическими процессами кинетические химические эффекты. Основные понятия и представления химической физики стали формироваться в первой четверти XX в., когда было обнаружено, что при фотохимическом взаимодействии хлора и водорода на каждый поглощенный квант энергии света образуются не одна, а сотни тысяч молекул хлороводорода. Чтобы объяснить это явление, М. Боденштейн использовал понятие о радикалах — осколках молекул или несвязанных атомов, имеющих свободную валентность и обладающих реакционной способностью значительно большей, чем валентно насыщенные молекулы. [c.22] Молекула имееч четное число электронов. При реакции с радикалом получается конечный продукт, и наряду с этим образуется радикал, так как общее число электронов у двух вступивших в контакт частиц нечетное. Новый свободный радикал, соударяясь с другой молекулой, образует электронейтральную молекулу продукта и соответственно еще один радикал и т. д., пока не встретятся два радикала с разной валентностью. Тогда цепочка превращений (цепная реакция) прерывается, происходит обрыв цепи. [c.22] Позднее Н. Н. Семенов доказал, что в таких цепных реакциях (радикал-молекула) на каждом этапе могут образовываться не один новый радикал, а несколько. Происходит разветвление реакции. Если условия ее протекания делают более вероятным такое разветвление, нежели обрыв цепи, то число радикалов и продуктов реакции нарастает по экспоненте, лавинообразно. [c.23] что некоторые химические реакции не подчиняются открытым еще в прошлом веке кинетическим зависимостям, что даже в случае простейших реакций превращения идут сложным путем через промежуточные соединения, указывали еще Я. Вант-Гофф и С. Аррениус. Позднее оказалось, что для большинства реакций характерно образование активных промежуточных частиц — свободных атомов, ионов, радикалов, возбужденных молекул. [c.23] При этом концентрация свободных атомов и водорода быстро нарастает и превышает равновесную на шесть —восемь порядков ( ). [c.23] Вернуться к основной статье