Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

  Наряду  с уравнениями химических реакций  в химии широко используются структурные  формулы, свидетельствующие о валентностях атомов в химических соединениях. Валентностью называется способность атомов присоединять или замещать определенное число других атомов и тем самым образовывать устойчивое существование двух- и многоатомных соединений. Приведенные выше структурные формулы метана и ацетилена указывают на одновалентность водорода и четырехвалентность углерода. В отличие от водорода углерод участвует не в одной, а в четырех химических связях.

  Как уравнения химических реакций, так  и структурные формулы нуждаются  в осмыслении, они могут интерпретироваться по-разному. Именно этот аспект дела характеризует специфику химического знания наиболее адекватно его сути.

  Сторонник классической химии при анализе  химических реакций и структурных  формул использует представления об атомах, их валентностях и молекулах. Внутреннее устройство атомов ему неизвестно, а потому он вынужден удовлетвориться

фиксацией внешних сторон химических явлений. Такой подход называется феноменологическим. Имеется в виду, что рассматриваются  не причины наблюдаемых явлений (феноменов), а лишь они сами как  таковые. Недостаточность классической химии состоит в том, что в ней феноменологический подход не обосновывается динамически. Сторонник классической химии вольно или невольно культивирует феноменологический подход.

  Сторонник квантовой химии исходит из динамического  подхода: все, что происходит в химических реакциях, он объясняет взаимодействием тех частиц — протонов, нейтронов, электронов, из которых состоит вещество, и делает он это в соответствии с квантовой теорией. Используемый им метод интерпретации содержания химических процессов по своей сути является квантово-химическим. Иногда кажется, что грамотный по современным меркам химик в тех или иных своих рассуждениях обходится без квантово-химической теории. Но это только кажется, в конечном счете всегда выясняется, что без квантово-химической теории современный химик не может обойтись. Она постоянно витает перед его взором как жизненно необходимый идеал химического знания. Имея в виду необходимость более детального ознакомления читателя с квантово-химической теорией, рассмотрим последовательно строение химических элементов, их взаимодействие и, следовательно, взаимосвязь. Как выяснится, во всех случаях решающее место придется отвести теме взаимодействия.

  Строение  атомов химических элементов. Квантовые числа. Понятие орбитали. Согласно квантовой теории, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, число протонов равно атомному номеру химического элемента в таблице Менделеева. Вне ядер, но во взаимосвязи с ними находятся электроны, для уяснения природы которых используется аппарат волновых функций. В нейтрально заряженном атоме содержится одинаковое число протонов и электронов. Химические преобразования вещества могут происходить как с изменением состава ядер (эти процессы изучает радиохимия), так и без оного. Рассмотрим основные положения квантовой химии без учета ядерных превращений. Речь идет о таких химических явлениях, ход которых определяется не внутриядерными процессами, а исключительно взаимодействием электронов с ядрами атомов и друг с другом.

  Простейшим  объектом анализа квантовой химии является атом водорода, ядро которого представляет собой одиночный протон, с которым взаимодействует электрон. Поведение такой системы в основном качественно позволяет объяснить периодический закон Д.И.Менделеева. 

  Виды  химических связей.

  Взаимодействие между атомами и молекулами.

  В предыдущем разделе внимание было сосредоточено  на взаимодействии электронов с ядрами атомов. Положительно заряженные ядра атомов удерживают, как выражаются, в потенциальной яме отрицательно заряженные электроны, которые образуют квантово-механическую структуру с характерными для нее квантовыми числами. Чем больше эти числа, тем менее электроны связаны с ядром атома. Именно эти электроны являются первыми кандидатами на осуществление химических связей между атомами, молекулами, кристаллами и любыми другими химическими объектами. Итак, предмет нашего интереса смещается в сторону межатомных и межмолекулярных взаимодействий, определяющих характеристики веществ. Строго говоря, речь идет о химических взаимодействиях.

  Основными агентами химических взаимодействий являются электроны атома, обладающие наибольшей энергией. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях. В случае химических связей последние формируются в основном электромагнитными взаимодействиями. По этой причине вклад гравитационных и слабых взаимодействий в содержание химических связей не рассматривается.

  Всякая  химическая связь есть некоторая  разновидность электромагнитных взаимодействий. В соответствии с изложенным выше химическая связь предполагает взаимоотношение, взаимоотносительность атомов и молекул, их известную общность, в механизме осуществления которой главные роли призваны играть наиболее химически активные электроны. В этой связи решающее значение приобретает положение электронов относительно ядер атомов.

  Для ковалентной химической связи характерно, что электроны принадлежат всем ядрам атомов. Влияние ядер атомов на электроны таково, что оно позволило эти электроны обобщить. Если ковалентная связь образуется одинаковыми ядрами атомов, то ковалентные электроны принадлежат им в равной степени. Такое положение дел имеет место в любой двухатомной молекуле с одинаковыми ядрами (H₂, O₂). В этом случае ковалентная связь неполярна. Но атомы ядер часто обладают различными электромагнитными характеристиками, что приводит к образованию полярной ковалентной связи, когда электронное облако существенно смещено к одному из атомов.

  В случае, если совершается полный перенос  электрона с одного атома на другой, говорят уже не о ковалентной, а об ионной связи. Последняя характерна, например, для хлорида натрия NaCl.

 Сравните: НС1 и Nа⁺С1^-. Во втором случае притяжение электрона к ядру атома хлора столь велико, что он покидает ядро атома натрия. Положительные и отрицательные ионы связаны между собой в основном за счет электростатических сил притяжения.

  Отметим также, что активнейшими агентами химических реакций, происходящих в электролитах, являются положительные (катионы) и  отрицательные (анионы) ионы. По определению, они присутствуют в жидких и твердых электролитах в заметных концентрациях. Молекулы распадаются на ионы под действием молекул растворителя. Как известно, при прохождении через электролит электрического тока на опущенных в него электродах выделяются вещества, входящие в состав электролита. Описанное явление, электролиз, позволяет получать чистые вещества и покрывать предметы тонкими слоями этих веществ (никелирование, хромирование и т.д.)

  В газах преобладает ковалентная  связь, в жидкостях — ковалентная  и ионная, в твердых телах —  ковалентная, ионная и металлическая.

  В металлах положительно заряженные ионы погружены в электронный «рой», принадлежащий всему металлу. Этот рой электронов образуется за счет отрыва части электронов с внешней  оболочки атомов. Рой электронов находится  в потенциальной яме, выступающей как притяжение положительно заряженных атомов металла. Поведение электронов металлов осуществляется в полном соответствии с законами квантовой механики. Для интерпретации поведения электронов используется представление о зонах. Зоны заполняются электронами. Зона, полностью заполненная электронами, называется валентной. Зона, незаполненная электронами, называется зоной проводимости. Энергетические условия в металлах таковы, что часть электронов попадает в зону проводимости. Именно по этой причине металлы обладают высокой электрической и тепловой проводимостью, равно как и целым рядом других специфических свойств.

  В полупроводниках и диэлектриках валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной для электронов зоной. Ее ширина у проводников менее, а у диэлектриков более 4 эВ

  До  сих пор рассматривались межатомные взаимодействия. Переходим к рассмотрению типов межмолекулярных взаимодействий

  Ван-дер-ваальсовы  силы (табл. 12), впервые рассмотренные голландским ученым И. Ван-дер-Ваальсом, действуют между

Таблица 12. Основные типы химических взаимодействий и связей

электрически  нейтральными молекулами, а также  атомами. В любой нейтральной молекуле возникают флуктуации электрического поля. Молекула выступает при этом как совокупность мгновенных диполей, которые индуцируют диполи у соседних молекул. Этот процесс характерен как для неполярных, так и для полярных молекул. Молекулы последнего типа к тому же изначально являются диполями, которые превращают своих полярных соседей в индуцированные диполи. Ван-дер-ваальсовы силы — это по преимуществу силы притяжения между электрическими диполями. При сильном сближении молекул из-за взаимодействия электронов, заполняющих оболочки, возникают силы отталкивания. Энергия ван-дер-ваальсового взаимодействия

очень мала, тем не менее ее приходится учитывать  при расчете химических характеристик  вещества.

  При образовании комплексных молекулярных соединений важное значение имеет особая разновидность донорно-акцепторного взаимодействия, которое приводит к образованию ковалентной связи: пара неподеленных электронов одной молекулы становится общей для молекулярного комплекса. 

  В межмолекулярных взаимодействиях важнейшее значение имеет водородная связь, которая образуется вследствие взаимодействия положительно поляризованного водорода молекулы А-H c электроотрицательным атомом B в составе молекулы B-R:

A-H +B-R =A-H B-R

Где обозначает водородную связь. Положительно поляризованный атом водорода способен глубоко внедрятся в электронную оболочку соседнего отрицательно поляризованного атома. Это обстоятельство объясняет широкую распространенность в природе водородных связей, в том числе в веществах, ответственных за феномен жизни (спирали нуклеиновых кислот, белки). Итак, все химические связи образуются в результате осуществления определенных электромагнитных взаимодействий (см. табл. 12).

  Как свидетельствует многовековой путь развития химии, все вещества, одни в большей, другие в меньшей степени, обладают способностью участвовать в химических взаимодействиях. Иначе говоря, все вещества обладают способностью участвовать в химических реакциях, т.е. им присуща реакционная способность. В переводе с латинского реакция есть ответное действие. Реакционная способность данного вещества не есть нечто абсолютное, она относительна, ибо зависит от того контрагента, с которым вещество вступает в химическое взаимодействие.

  Химия — это наука о химических взаимодействиях, т.е. химических реакциях и способах их осуществления. В этой связи важнейшее  значение имеет регуляция реакционной  способности веществ, в том числе  посредством использования ингибиторов и катализаторов (биологические катализаторы называются ферментами). Ингибиторы замедляют, а катализаторы ускоряют ход химических реакций.

Резюме

  • Классическая химия в концептуальном отношении реализует феноменологический подход. Ей неведомы динамические основы химических процессов и взаимопревращений.

  • Неклассическая, квантовая химия  реализует динамический подход. Она  рассматривает причины химических процессов и делает это на основе квантовой теории поля и квантовой  механики. Основополагающее понятие  квантовой химии — химическое взаимодействие.

  • В химических процессах, как правило, участвует много частиц, поведение  которых при современном уровне развития науки не может быть рассмотрено  и рассчитано в деталях. В этой связи химики, не отказываясь от квантовых представлений, вынуждены придавать им адаптированный к специфике химических процессов вид. Дальнейшее развитие химии, надо полагать, потребует совершенствования методов квантово-химических расчетов.