3. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МОЛЕКУЛ

*

3.1. ЧТО ОТНОСЯТ К МОЛЕКУЛАМ?

*

3.2. ПОНЯТИЕ О КВАНТОВОЙ ХИМИИ И КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МОЛЕКУЛЫ

*

3.3. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ

*

3.4. МЕТОД МО ЛКАО

*

3.5. СМЕШЕНИЕ АТОМНЫХ ОРБИТАЛЕЙ ОДНОГО АТОМА ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

*

3.6. КОВАЛЕНТНОСТЬ АТОМОВ

*

3.7. СТРУКТУРА МОЛЕКУЛ С КОВАЛЕНТНЫМИ СВЯЗЯМИ

*

3.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ

*

3.9. ПОЛЯРНОСТЬ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ. ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ

*

3.10. ИОННАЯ СВЯЗЬ

*

3.11. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЛЕКУЛ. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Свойства атома определяются, главным образом, строением его электронных оболочек. Но для химии не менее важен другой вопрос - как образуются и чем определяются свойства мельчайших образований вещества - молекул?

3.1. Что относят к молекулам?

Молекулами считаются мельчайшие частицы вещества, определяющие его свойства. Однако, свойства вещества связаны как со свойствами отдельных молекул, так и их объединений - целых ансамблей. В газообразном и жидком состоянии определяющим часто является молекулярное строение вещества, в твердой фазе и для химии полимеров уже необходимо знать характер взаимодействия отдельных молекул между собой.

С физической точки зрения молекула - это некоторая совокупность атомов, которая обладает рядом характерных отличительных свойств. При этом следует иметь в виду, что:

1. Характерные свойства молекулы - такие свойства, которые позволяют ее идентифицировать. К ним относятся качественный и количественный состав, пространственное расположение атомов, энергия взаимодействия атомов и др. Структура молекулы является обобщением этих и других свойств. Под понятием структура молекулы подразумевается геометрическое расположение атомов в молекуле (так называемое молекулярное строение) и распределение электронной плотности между этими атомами, а также энергетические параметры (электронное строение). Таким образом, структура молекулы слагается из молекулярной и электронной структур. Молекулярная и электронная структура - две взаимосвязанные характеристики молекулы. Тем не менее, рассмотрение каждого из этих двух аспектов в отдельности оказывается целесообразным. Следует иметь в виду, что основная информация о геометрическом строении молекул в настоящее время получается из экспериментальных данных, а понимание электронной структуры возможно лишь с привлечением той или иной теории электронного строения.

2. Число атомов в вышеупомянутой совокупности не ограничено. Молекулы газов могут содержать 1 атом (вещество Ar), два атома (O2), небольшое число атомов (S8), много атомов (молекула вещества “найлон” содержит до 10000 атомов) и очень большое количество атомов (алмаз - практически представляет молекулу-кристалл).

3. Молекула не обязательно должна существовать при н.у.

4. Объединение атомов в молекулу происходит за счет образования химических связей. Этот процесс сопровождается понижением энергии системы, причем эта энергия выделяется в виде теплоты.

3.2. Понятие о квантовой химии и квантовомеханическая модель молекулы

В соответствии с современным развитием науки, сведения об электронном строении молекул можно получить, решив уравнение Шредингера для молекулярной системы. Возникающая при этом трудность заключается в том, что точное решение данного уравнения возможно лишь для одноэлектронной задачи. В молекулах, обычно интересующих химиков, содержится до 100 и более электронов. Поэтому суть возможных теоретических методов исследования строения молекул заключается в выборе приближенного способа решения указанного уравнения.

Приближенные способы решения уравнения Шредингера для систем, состоящих из многих ядер и электронов, интерпретация полученных решений в удобных и общепринятых терминах, изучение свойств молекул и прогнозирование свойств новых веществ и материалов является объектом изучения специального раздела химии - квантовой химии.

Наиболее широко известны два основных подхода к расчету молекулярных систем - методы валентных связей (метод ВС) и молекулярных орбиталей (метод МО). Данная концепция соответствует обширным экспериментальным данным о локализованном характере обычных химических связей. Метод МО, представляющий собой распространение оболочечной модели атома на случай молекулы, приводит к описанию электронной структуры в терминах делокализованных одноэлектронных волновых функций.

При исследовании многочисленных химических проблем доминирующее положение занял метод МО. Это связано, в первую очередь, с тем, что метод МО очень удобен для того, чтобы можно было переложить на “плечи” компьютера неизбежную громадную вычислительную работу, и во вторую очередь, с появлением и широким распространением ЭВМ высокой производительности.

Принципиально важно то, что метод МО является естественным следствием представлений об атомных орбиталях (АО) в атомах, перенесенных на случай молекулы. Метод МО точнее и правильно описывает свойства многих систем, для которых метод ВС оказывается неприемлемым.