На главную 41. Квантовая химия и понятие структуры в химии

Самой трудной задачей в структурной химии был вопрос о природе сил, действующих между атомами и веществами в химических реакциях. Химическое сродство – вариант этой родственной связи. После работ Ньютона сродство пытались объяснить силами всемирного тяготения. Химическое сродство трактовалось как притяжение между частицами веществ, аналогичное всемирному тяготению. В начале XIX века модным стало электричество. С его помощью пытались объяснить самые различные явления, в том числе и механизм химического взаимодействия. Именно таким образом пытался объяснить химическое взаимодействие Берцелиус – электрическим взаимодействием противоположно заряженных атомов.
Химики не могли не заметить неравноценности всех связей в молекуле вещества – на это указывала хотя бы способность многих веществ распадаться в растворе на ионы. Но чем отличаются ионы по характеру сил, было невозможно решить методами химии. Разгадки пришли из физики. Открытие радиоактивности, распад атомов, открытие электрона, появление теории Бора дали ключ и к разгадке химических сил. Первые электронные представления указывали на то, что ответственными за образование химической связи являются внешние валентные электроны атомов. Таким образом, классическая валентность была истолкована как электровалентность, а химическая связь как такое перераспределение валентных электронов между взаимодействующими атомами, которое обеспечивает последним устойчивый октет внешней электронной оболочки. Этот исключительно важный вывод впервые за всю историю химии открывал путь к познанию тайны химического сродства. Поставленная химией перед электронной теорией задача физического обоснования самого факта существования молекул была решена в рамках квантовой механики.
Уже с конца 1920-х годов прошлого века появились такие электронные модели, которые вкладывали в понятие структуры молекул и электронные представления, и энергетическую неэквивалентность связей. Это были теории электронных смещений – мезомерии, электронной таутомерии, электронного резонанса. Строго говоря, именно с этих теорий начинается квантовая химия как самостоятельный раздел химии.
Современная теория химического строения базируется на аппарате квантовой химии и на обобщении экспериментальных данных. Вклад квантовой химии в современную структурную химию состоит в следующем. Сегодня любая химическая частица рассматривается как единая квантово-механическая система, образование и существование которой обусловлено понижением энергии при переходе от атомов к соединениям. Методы квантовой химии позволяют получать достаточно надежную информацию об электронном строении и предсказывать физико-химические свойства как существующих конкретных молекул, так и предполагаемых.
В отличие от понятия унитарной системы Жерара квантовая химия не накладывает жестких ограничений ни на состав, ни на тип химической частицы. Тем самым развитие квантовой химии положило конец монополии односторонних взглядов на молекулу как на единственную форму существования химических соединений и тем самым привело к расширению объектной базы структурных исследований. Объектами могут быть и молекулы, и макротело, и монокристалл, сольватный комплекс или поверхностное соединение и др.
Очень важен вклад современной квантовой химии в трактовку энергетической неравноценности связей в частице, который был зафиксирован еще Бутлеровым. Так как элементарные частицы проявляют и волновые, и корпускулярные свойства, то в любой химической частице валентные электроны находятся не в определенных дискретных точках пространства, а образуют континуум, непрерывное волновое поле с различной электронной плотностью в различных его частях. Перераспределение электронной плотности в результате взаимного влияния ядер и является причиной эффекта энергетической неравноценности связей, который и был замечен еще Бутлеровым.
Расширение объектного поля химических исследований и трактовка всех объектов как единых квантово-механических систем положило конец антиномии структура – динамика. Оправдалось предположение Бутлерова, Меншуткина, Менделеева и других химиков, что частицы – не мертвые образования, в них и вне реакции происходят обменные и иные виды движений.