Министерство образования и науки Российской Федерации

Балтийский государственный технический университет «Военмех»

А.А. Фатина

Задания по квантовой химии

Практическое пособие

Санкт-Петербург

2017

УДК

К44

Фатина, А.А.

Задания по квантовой химии: практическое пособие /А.А. Фатина; Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2017. – с.

Практическое пособие, соответствующее учебной программе по курсу «Химия», содержит материал по истории развития представлений об атоме и зарождению квантовой механики. Пособие содержит задания по квантовой химии и методические указания для их решения. Дополнительно приводятся задачи для самостоятельного решения.

Предназначено для бакалавров технических специальностей

Р е ц е н з е н т: проф. Кафедры технологии лесотехнических продуктов, химии древесины и физической химии СПбГЛТУ им. С.М. Кирова д.х.н. Д.Н. Ведерников

Утверждено

редакционно-издательским

советом университета

 Фатина А.А.

 БГТУ, 2017

Утверждение закона возможно

только при помощи вывода из него

следствий, без него невозможных

и не ожидаемых, и оправдания тех

следствий в опытной проверке"

Д.И.Менделеев

Атомистические теории древнего мира

С давних времен лучшие умы человечества задумывались об объяснения природы физического мира. Существовали разные взгляды о строения материи, которые условно можно разделить на атомизм и континуализм. Атомистические воззрения предполагают дискретность всего сущего, существование мельчайших, неделимых частиц, образующих материю. Континуум предполагает, что материя непрерывна, а предметы могут быть делимы до бесконечности. Большинство научных течений древности придерживалось идеи существования четырёх начал всех вещей (элементов) – земли, воды, огня (света) и воздуха (ветра).

Согласно дошедшим до нашего времени источникам, учение о дискретном строение веществ стало складываться в V-VI веках до н.э. в Древней Греции и ряде философских школ Индии.

Философы Древней Индии считали материальные вещи, пространство и время делимыми на вечные, тончайшие частички. Разные школы индийской мысли частицам мироздания приписывали различные свойства и способы соединения их в материальные предметы. Например, как бесконечно тонкие, точечные, количество которых одной точке пространства может оказаться в сколь угодно велико. Или как пространственные, непроницаемые и неделимые, способные образовывать группы из нескольких частиц.

Наиболее цельная атомистическая теория была разработана в философской школе Вайшешика. Атомы (ану, параману) представляют собой предельно малую сферическую частичку. Атомы Вайшешики непространственны, не имеют внутренней и внешней стороны, обладают особыми качествами, которые проецируются на воспринимаемые объекты. Они характеризуются вкусом, цветом, осязаемостью (температурой), тяжестью, скоростью и текучестью, а также качествами отдаленности и близости. Свойства веществ зависят от качеств образующих их атомов. Параману делятся на четыре типа: атомы земли (обладающие, кроме всего, качеством запаха); атомы воды (имеющие качество вязкости); атомы света и воздуха. Индийская философия предполагала, что атомы движутся и соединяются в осязаемые субстанции по воле божественной сущности с помощью эфира (акаши).

Современная наука не пришла к единому мнению о приоритете в авторстве атомистической теории. Возник ли атомизм в Древней Греции, а затем распространился на Восток. Или греческий философ Демокрит, путешествуя, вдохновился идеями индийских мудрецов и создал на их основе собственную теорию. Возможно, индийский и европейский атомизм возникли и разрабатывались независимо.

Атомы Демокрита представляют собой, скорее, твердые частички, разнообразной формы – результат предельного деления любой вещи. Теория Демокрита исключает божественное начало ­­– все есть лишь атомы и пустота. Атомы едины, неделимы, неизменны, неуничтожимы, непроницаемы и бесчисленны, а пустота бесконечна. Атомы Демокрита различаются размером и формой, что является причиной разнообразия свойств воспринимаемых объектов. Разница в строении поверхности атомов (одни имеют загнутые выступы, другие углубления; одни имеют ровную поверхность, другие – шероховатую)приводят к различию в агрегатном состоянии вещества, цвету и возможности к образованию связей. В отличии от параману античные атомы не обладают цветом, запахом, вкусом, они имеют форму и протяжение, могут двигаться и занимать различное положение, благодаря чему приобретают свойства, воспринимаемые органами чувств.

Современник Демокрита греческий мыслитель Платон представлял четыре стихии состоящими из правильных многогранников: земля, по его мнению, состоит из кубов; огонь – из тетраэдров; воздух – из октаэдров; вода – из икосаэдров; додекаэдр ­– «бог определил для Вселенной и прибегнул к нему в качестве образца» (рис.1).

Рисунок 1. Правильные многогранники – платоновы тела, которые согласно Платону лежат в основе мироздания.

Атомы Платона (многогранники) не представляли собой неделимые частицы. Они образованы из треугольников – равносторонних и/или прямоугольных, равнобедренных. Однако, треугольники не являются мельчайшими частицами материи, так как они непространственные. Чтобы получить частицы материи, треугольники должны объединиться в объемные фигуры. Материя, в которой существуют эти геометрические фигуры и тела, представляют собой некий математический континуум (неопределенный и бесконечно делимый).

Правильные многогранники являются исключительно симметричными объектами. Мысль о том, что в основе правдоподобного описания законов природы должна лежать симметрия – гениальное прозрение Платона.

Теория индийского атомизма была известна в Древнем Китае, но не получила большого распространения. В Китае господствовала философия континуализма, противоположная атомизму. Китайские мудрецы говорили: «Если от палки ежедневно отнимать половину, то не изведешь ее и за 10000 поколений».

Различие взглядов на природу вещей зачастую связывают с разницей в структуре языка. В Индии и Греции буквы – первоэлементы письменности, атомы ­– основа мироздания. Непрерывность материи в Древнем Китае коррелирует с иероглифическим письмом. Иероглифы являются полноценными словами, а не суммой первичных письменных знаков, они первичны, как буквы в алфавитном письме.

Сторонником бесконечной делимости материи был Аристотель. Под материей он понимал бесформенное, хаотическое, пассивное начало. Данные нам в ощущении вещи, согласно Аристотелю, образуются при взаимодействии материи с формой. Основой всего сущего древнегреческий философ считал не дискретные частицы или математические формы, а «первоматерию», которая не имеет ни формы, ни свойств и качеств. Соединяясь с простейшими формами (сухость, влажность, теплота, холод), она образует первые элементы: огонь, воздух, воду и землю. Первоэлементы являют собой материю, могут мешиваться между собой и, принимая форму, становиться телами (рис.2).

Рисунок 2. Образование первоэлементов из первоматерии, путем соединения с простейшими формами, по Аристотелю.

При взаимодействии с формой смешанных в различных сочетаниях и пропорциях первоэлементов происходит образование тел с различными свойствами. Первоэлементы–одно из состояний первоматерии, поэтому возможно их взаимное превращение. Идея Аристотеля о взаимопревращаемости элементов стало позднее теоретической основой концепции алхимии о возможности получения одного металла из другого.

Учение Аристотеля о материи и формах оказало огромное влияние на дальнейшее развитие европейской науки. Атомизм практически был забыт до начала XVII века.