8.Эволюция химических понятий

3.1 Эволюция понятия «структура» в химии

Содержание понятия «структура» ни по Берцелиусу, ни по Жерару не давало конкретных указаний для практических работ в области синтеза новых веществ. Такие конкретные указания появились на следующей ступени эволюции понятия «структура» в химии. Кекуле сформулировал основные положения теории валентности и обосновал наличие у углерода четырех единиц сродства (валентности), у азота- 3-х, у кислорода – 2-х и у водорода одной единицы. Объединение атомов в молекулу, согласно Кекуле, происходит путем замыкания свободных единиц сродства (валентности).

Комбинируя атомы разных химических элементов с их единицами сродства, можно создавать структурные формулы любого химического соединения. Это означает, что химик может запланировать синтез любого химического соединения, как уже известного, так еще никому не известного. Формульный схематизм Кекуле – прямой путь к практическим действиям по получению веществ с заданными свойствами. Однако, это далеко не полная гарантия успеха: намеченная химическая реакция может просто не пойти. Формульный схематизм Кекуле не указывает на реакционную активность реагентов. Знания о химической активности реагента имеют первостепенное значение для практики получения целевых продуктов. Эти знания дает теория химического строения А.М. Бутлерова. Теория Бутлерова потому и названа теорией химического строения, что она указывала на причины активности одних веществ и пассивности других. Именно поэтому она стала для химиков действительным руководством в практике синтеза органических веществ.

Идеи об энергетической неэквивалентности химических связей, обусловленной взаимным влиянием атомов в структуре молекулы, являются главным содержанием понятия «структура» в теории Бутлерова.

Теория химического строения Бутлерова нашла физические обоснования в квантовой механике.

Сегодня под структурой молекулы мы понимаем и пространственную, и энергетическую упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер, электронов и обладающих единой молекулярной орбиталью.

Таким образом, эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, с другой – установления характера физико-химического взаимодействия между ними. С точки зрения системного подхода, под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы.

9.Представления о химической связи

Химическая связь — это взаимодействие атомов, обуславливающее устойчивость молекулы или кристалла как целого. Химическая связь определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Современное описание химической связи проводится на основе квантовой механики 

Какова природа сил, связывающих атомы в молекуле? Ответ на этот вопрос искали с момента появления атомистической ги­потезы строения вещества. Вначале считали, что атомы механи­чески соединяются между собой с помощью крючков и петель. Затем возникла идея, что связь между атомами осуществляется силами всемирного тяготения. В начале девятнадцатого века в трудах Г. Деви и Йёнса Берцелиуса была разработана электрохи­мическая теория, суть которой сводилась к тому, что химически взаимодействующие частицы при контакте приобретают проти­воположные электрические заряды, которые обусловливают связь. Однако эта теория не смогла объяснить существование мо­лекул, образованных одинаковыми атомами (Н2, F2 и т. д.).

Электронная теория химической связи была предложена и развита американским физикохимиком Льюисом Г.Н в 1912—1916 гг[1]. Ковалентная химическая связь, по Льюису, образуется за счёт обобществления пары электронов, то есть электронная плотность распределяется между двумя атомами, в противовес господствующей в то время теории, будто один из связанных атомов несёт положительный, а другой отрицательный заряд. Льюис также предложил обозначать электроны точками у символа химического элемента. Электронная теория химической связи включает идею Льюиса, что завершённый внешний электронный слой атома содержит восемь электронов.

Электронная теория химической связи Льюиса стала основой классической теории строения в органической химии, базирующейся на представлении о парной связи между атомами, образованной дублетом электронов. Например, связь C-C в молекуле этана изображается как пара электронов, принадлежащая обоим атомам углерода

Кроме модели атома Нильс Бор предложил и модель химической связи. Согласно его модели, электроны составляющих молекулу атомов образуют вращающееся кольцо, плоскость которого перпендикулярна оси молекулы и равноудалена от ядер атомов. 

Теория валентных связей (метод валентных связей, метод валентных схем, метод локализованных электронных пар) — приближённый квантовохимический расчётный метод, основанный на представлении о том, что каждая пара атомов в молекуле удерживается вместе при помощи одной или нескольких общихэлектронных пар.

Теория валентных связей заложена в 1927 году В.Гайтлером и Ф.Лондоном на примере квантовохимического расчёта молекулы водорода. В основе теории валентных связей лежит гипотеза о том, что при образовании молекулы из атомов, последние в значительной мере сохраняют свою электронную конфигурацию, а связывание атомов достигается в результате обмена электронов между ними и спаривания спинов двух электронов, находящихся на атомных орбиталях исходных атомов. Расчёт Гайтлера — Лондона оказался весьма значительным по своим результатам в развитии квантовой химии. В подтверждение электронной октетной теории (правило октета) Г.Льюиса было показано, что химическая связь в молекуле водорода действительно осуществляется парой электронов.

Теория молекулярных орбиталей (МО) дает представление о распределении электронной плотности и объясняет свойства молекул. Предполагается, что все электроны данной молекулы (как и в атоме) распределяются по соответствующим орбиталям. Состояние электрона в атоме описывается одноэлектронной волновой функцией ψ, являющейся решением уравнения Шрёдингера.  Каждая орбиталь характеризуется своим набором квантовых чисел, отражающих свойства электронов в данном энергетическом состоянии. МО образуются при комбинировании атомных орбиталей при достаточном сближении. Совокупность МО молекулы с указанием её типа и количеством электронов на ней даёт электронную конфигурацию молекулы. Существует 3 типа молекулярных орбиталей: связывающие, разрыхляющие и несвязывающие. Электроны на связывающих молекулярных орбиталях упрочняют связь, на разрыхляющих как бы дестабилизируют (расшатывают). Молекула является устойчивой лишь в том случае, если число электронов на связывающих орбиталях превышает число электронов на разрыхляющих. Электроны, находящиеся на несвязывающих молекулярных орбиталях, участия в образовании химической связи не принимают. Из n исходных атомных орбиталей возникает n МО.