ВВЕДЕНИЕ

В основе современных теоретических представлений химии лежит фундаментальная идея, согласно которой любые химические свойства некоторого вещества можно логически вывести из особой характеристики данного вещества, которая называется химическим строением и описывается посредством разнообразных структурных моделей. Поэтому структурные модели различных веществ составляют необходимую основу, без которой химия не могла бы существовать как наука.

Согласно атомно-молекулярному учению, свойства вещества определяются свойствами составляющих его молекул (атомов). Таким образом, можно заключить, что основой теоретической химии являются представления о строении атомов и молекул, на основе которых можно предвидеть химические свойства любого вещества. Анализ строения атомов и молекул и является основным предметом данного учебного пособия.

Проблему строения атомов и молекул можно анализировать различными способами. Например, хорошо известна "классическая теория строения молекул" (КТСМ), в которой любая молекула рассматривается как статичный объект, состоящий из нескольких атомов, связанных в единый агрегат цепью химического действия (т.е. непрерывной последовательностью бинарных химических связей). Несмотря на чрезвычайно важную роль, которую эта теория играет в химии, ее возможности ограничены, поскольку она игнорирует некоторые существенные моменты. В частности, КТСМ не учитывает того обстоятельства, что элементарные структурные фрагменты молекулы — атомы и химические связи — сами могут рассматриваться как составные объекты. Принятие такого подхода приводит к электронным структурным моделям атомов и молекул. Простейшим вариантом являются известные модели Льюиса, которые в явном виде учитывают наличие в молекуле т.н. "валентных" электронов. Более детальный характер моделей Льюиса, по сравнению с классическими аналогами, позволяет ставить и решать несколько типов новых задач, касающихся проблемы предсказания химических свойств вещества по строению составляющих его молекул.

Однако и теория Льюиса имеет ограничения, главное из которых — статичный характер используемых структурных моделей. Электроны в них считаются неподвижными и локализованными в определенных пространственных положениях. В действительности электроны в атомах и молекулах находятся под влиянием мощных электромагнитных сил и, следовательно, должны находиться в постоянном движении. Знание характера этого движения и его особенностей существенно расширяет возможности химиков в деле предвидения химических свойств атомов и молекул. Такие динамические электронные модели атомов и молекул могут быть построены только на основе методов квантовой механики и поэтому они обычно называются квантовомеханическими или, что более точно, квантовохимическими моделями. В данном пособии будут рассматриваться только такие структурные модели.

Ограниченный объем пособия не позволяет включить в него весь необходимый материал. Поэтому его нужно рассматривать как составную часть комплекса учебной литературы, включающего еще три учебные пособия, в которых подробно изложены теоретические основы квантовой механики, ее математический аппарат, описаны и проанализированы стандартные квантовомеханические модели:

1. Паничев С.А. Физические основы квантовой химии. Тюмень: Изд-во ТюмГУ. 2008.

2. Паничев С.А. Математические модели в курсах "Строение вещества и "Квантовая механика и квантовая химия". Тюмень. Изд-во ТюмГУ. 2003.

3. Паничев С.А. Физические модели в курсах "Строение вещества и "Квантовая механика и квантовая химия". Тюмень. Изд-во ТюмГУ. 2003.

Следует также иметь в виду, что предметом данного пособия является детальное рассмотрение строение только электронных оболочек атомов и молекул, поскольку именно они обусловливают основные химические свойства этих микроструктур. В то же время, существует множество вопросов, касающихся свойств атомов и молекул, обусловленных наличием в их составе атомных ядер, процессами взаимодействия атомов и молекул между собой и с окружающей средой (электромагнитным излучением, термостатом, растворителем) и др. Эти вопросы рассмотрены в пособии только конспективно. Поэтому для их систематического изучения следует обратиться к учебной литературе, список которой приведен в конце пособия.

После каждого раздела приведены вопросы для самоконтроля, которые следует внимательно проработать и самостоятельно найти ответы для них, в том числе и с использованием рекомендуемой учебной литературы. В Приложении для ряда разделов приведены типовые задачи, методы решения которых нужно освоить для успешной сдачи экзамена.

7