Особенности квантово-механического исследования молекул.Молекула водорода

При сближении атомов водорода возможны два исхода в зависимости от того, находятся ли волновые функции в фазе (рис. 3,а) или в противофазе (рис. 3,б). В первом случае произойдет конструктивная интерференция, во втором - деструктивная, при этом появятся две молекулярные орбитали; для одной из них характерна высокая плотность в области между ядрами (рис. 3,в), для другой - низкая (рис. 3,г) - фактически узел с нулевой амплитудой, разделяющей ядра [31, c. 243].
Таким образом, при сближении атомов водорода и их взаимодействии 1s-орбитали образуют две молекулярные орбитали, а два электрона должны заполнить какую-то одну из них. Электроны в атомах всегда стремятся занять наиболее устойчивое положение – то, в котором их энергия минимальна.

Рис. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРЕКРЫВАНИЯ 1S-ОРБИТАЛЕЙ АТОМОВ ВОДОРОДА. а - фазы волновых функций совпадают; наблюдается конструктивная интерференция, и в результате образуется молекулярная орбиталь с высокой плотностью в области между ядрами (в); б - фазы волновых функций не совпадают; возникает деструктивная интерференция, в результате образуется молекулярная орбиталь с низкой плотностью между атомами (г).

Для орбитали, изображенной на рис. 3в, есть характерной достаточно высокая плотность в области между ядрами, поэтому каждый электрон, находящийся на ней, будет большую часть времени находиться вблизи положительно заряженных ядер. Это значит, что значение его потенциальной энергии не будет достигать высоких (больших) значений. Но у орбитали, которая показана на рис. 3г, максимальная плотность будет в областях, которые расположены справа и слева относительно ядер. В таком случае энергия всех электронов, которые находящихся на этой орбитали (или переходят на нее), будет иметь большие значения.
Отсюда вывод: электроны приобретают меньшие значения энергии в тех случаях, когда они занимают орбиталь, изображенную на рисунке (в), причем эта энергия по значению меньше той, которая была бы у них при бесконечном удалении атомов друг от друга. Поскольку в данном случае имеются только два электрона, оба они могут занимать более выгодную с энергетической точки зрения орбиталь, если их спины антипараллельны (согласно принципа Паули, который гласит, что на одном энергетическом уровне не могут находится два электрона с одинаковым спиновым числом или два фермиона с одинаковым спиновым числом не могут находится в одном квантовом состоянии). Таким образом, энергия системы (из двух атомов водорода), при сближении атомов уменьшается. Отметим, что для удаления друг от друга атомов нужна такая энергия, которая равна энергии образования стабильной молекулы водорода Н2. Молекулы водорода существуют в случае локализации электронов между ядрами.
Отметим, что если два атома сближаются настолько, что их атомные орбитали (АО) начинают перекрываться, появляются две молекулярные орбитали (МО): одна связывающая, другая разрыхляющая. Если на каждой из АО находится только по одному электрону, оба они могут занять связывающую МО с меньшей энергией, чем у АО, и образовать химическую связь. Связи такого типа, называемые теперь ковалентными, были давно известны химикам (представления о ковалентной связи стали основой октетной теории связи, Г.Льюис, 1916 г.). Их образование объясняли обобществлением пары электронов взаимодействующими атомами. Согласно современным представлениям, прочность связи зависит от степени перекрывания соответствующих орбиталей.
Таким образом, связи между атомами могут образовываться при обобществлении не только двух, но также одного или трех электронов; они будут слабее обычных ковалентных связей. Это объясняется так: в случае образования одноэлектронной связи происходит уменьшение энергии только одного электрона, а в случае образования связи в результате обобществления трех электронов у двух из них энергия уменьшается, а у третьего, наоборот, увеличивается, компенсируя уменьшение энергии одного из первых двух электронов. В результате образующаяся трехэлектронная связь оказывается вдвое слабее обычной ковалентной. Обобществление одного и трех электронов происходит при образовании молекулярного иона водорода Н2 + и молекулы ННе соответственно. Вообще же связи такого типа встречаются редко, а соответствующие молекулы обладают высокой реакционной способностью [23, с. 48].
Все изложенное выше предполагает, что атомы могут образовывать столько ковалентных связей, сколько орбиталей у них занято одним электроном, однако так бывает не всегда. В принятой схеме заполнения АО вначале указывают номер оболочки, затем тип орбитали и далее, если на орбитали находится более одного электрона, - их число (верхний индекс). Так, запись 2s2 означает, что на s-орбитали второй оболочки находятся два электрона. Все атомные орбитали, кроме s, сферически несимметричны, и степень их перекрывания с АО других атомов зависит от взаимной ориентации орбиталей. Связи, образующиеся при перекрывании орбиталей по линии соединения атомов (продольном перекрывании), называются s-связями, а при поперечном перекрывании - p-связями.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
…однажды Нильс Бор, рассуждая о квантовой теории сказал: «Кто не остался в шоке от квантовой теории, тот ее не понял».
Современные ученые признают, что квантовую теорию понимают всего несколько человек – это те люди, которые посвятили ей всю жизнь. Остальные могут рассчитывать лишь на иллюзию понимания. Одна из главных причин непонимания правил квантовой механики – это отсутствие проявления и применения этих правил в повседневной жизни. В реальной жизни мы часто встречаемся с практическими примерами действия законов ньютоновской (классической) механики, но даже сильные квантовые взаимодействия микроскопических частиц скрыты от нашего глаза.
Изучение современного состояния фундаментальных разделов физики показывает, что происходит трансформация оснований физико-математического знания: появляются новые теоретические концепции, идеи, проблемы, задачи, гипотезы, не решаемые в рамках обычных, классических, методов и подходов. Отметим, что важными и перспективными направлениями в квантовой физике являются те, что основываются на факте постоянного расширения границ области действительности, вовлечения в круг исследований качественно новых объектов; которые характеризуются развитием и внедрением нанотехнологий. Они все имеют основой такие междисциплинарные исследования, в основе которых лежат квантово-механические эффекты. Большинство современных физических и технических достижений основаны на специфических законах квантовой механики. Квантово-механические законы лежат в основе работы лазеров, ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д.
Таким образом, квантовая физика с точки зрения практического применения результатов, является наиболее успешной научно-исследовательской программой. Квантовая механика представляет собой первое теоретическое построение, объясняющее на основе исходных принципов все виды объединений атомов, фактически встречающиеся в природе. Даже все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Оказалось, что именно сближение всех других наук с квантовой физикой является наиболее эффективным шагом в развитии наук. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила объяснить многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников; только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть).
Ученые, исследователи квантовой физики сформировали новую информационно-технологическую парадигму, определяющуюся как NBIC-конвергенцию (абревиатура по предметным областям: N – «нано»; B – «био»; I – «инфо»; C – «когно»); это процесс, использующий все современные достижения нанотехнологий.
Подготовка специалистов в области квантовой физики имеет широкую фундаментальную составляющую. Так как научная мысль не стоит на месте, то в недалёком будущем нас ждут новые открытия, которые так же войдут в противоречие с существующими принципами квантовой механики и возникнет более общая теория мироздания, в которой квантовая механика займёт своё достойное место как один их разделов, характеризующий бесконечность разнообразия и взаимодействия материи, энергии, пространства и времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Банкер Ф. Симметрия молекул и молекулярная спектроскопия. — М.: Мир. 1981. — 452 с.
2. Волькенштейн М.В., Ельяшевич М.А., Степанов Б.И. Колебания молекул. — M.: ГИТЛ, 1949. Гл. 28. – 187 с.
3. Волькенштейн М.В. Строение и физические свойства молекул. — М.: Изд. АН СССР, 1955, – 640 с.
4. Годнев И.Н. Вычисление термодинамических функций по молекулярным данным. — М.: ГОНТИ, 1956. – 157 с.
5. Мидзусима С. Строение молекул и внутреннее вращение. — М.: ил., 1957. — 264 с.
6. Волькенштейн М.В. Конфигурационная статистика полимерных цепей. — М.: Изд. АН СССР, 1959. – 253 с.
7. Илиел Э., Аллинджер Н., Энжиал С., Моррисон Г.  Конформационный  анализ. — М.: Мир, 1969. – 241 с.
8. Введение в фотохимию органических соединений. /Под ред. Т.О. Беккера. — Л.: Химия, 1976. – 132 с.
9. Внутреннее вращение молекул. / Под ред. В.Дж. Орвилл-Томаса. — М.: Мир, 1977. — 512 с.
10. Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул. — М.: Мир, 1982. – 175 с.
11. Наумов В.А., Катаева О.Н. Молекулярное строение органических соединений кислорода и серы в газовой фазе. —М.: Наука, 1990. – 189 с.
12. Наумов В.А., Хаген К. Внутреннее вращение, конформации и молекулярные структуры газообразных соединений со связями (О)С—С. Строение дихлор-метилфенилкетона. //Ж. орган, химии. — 1999. — Т. 35. № 3. — С. 356-367.
13. Годунов И.А., Яковлев H.H. Экспериментальные исследования структуры и конфор-маций молекул карбонильных соединений в основных и низших возбужденных электронных состояниях. //Ж. структ. химии. — 1995. — Т. 36. № 2. — С. 269-285.
14. Годунов И.А., Яковлев Н.Н. Исследование структуры и  конформаций  молекул методом электронно-колебательной спектроскопии. // Ж. физ. химии. — 1993. — Т. 67. №2, — С. 351-360.
15. Годунов И.А., Абраменков А.В., Куднч А.В. Потенциальные функции инверсии молекул карбонильных соединений в низших возбужденных электронных состояниях. // Ж. физ. химии. — 1999. — Т. 73. № 11. — С. 223-225.
16. Годунов И.А., Абраменков А.В., Яковлев Н.Н. Определение потенциальных функций инверсии молекул по экспериментальным данным: современное состояние и проблемы. // Ж. структ. химии. — 1998. — Т. 39. №. 5. — Р. 947-961.
17. Годунов И.А., Яковлев Н.Н., Аверина Е.Б. Si—So-Вибронный спектр и строение молекулы фтораля в Si-состоянии. // Изв. АН. Сер. хим. — 1998. — № 2. — С. 294-299.
18. Clouthier D.J., Ramsay D.A. The Spectroscopy of Formaldehyde and Thioformaldehyde. // Ann. Rev. Phys. Chem. — 1983. — V. 34. — P. 31-58.
19. Bruna P.J., Hachey M.R.J., Grein F. Benchmark Ab Initio Calculations of Formaldehyde, H2CO. // J. Mol. Struct. (Theochem.). — 1997. — V. 400. — P. 177-221.
20. Yakovlev N.N., Godunov I.A. The a3A"<—X'A' electronic spectra of acetaldehyde-h4 and -d4. // Can. J. Chem. — 1992. — V. 70. — P. 931-934.158
21. Герцберг Г. Электронные спектры и строение многоатомных молекул. — М.: Мир, 1969. —772 с.
22. Lucazeau G., Sandorfy С. On the Far-Ultraviolet Spectra of Some Simple Aldehydes. // J. Mol. Spectr. — 1970. — V. 35. N. 2. — P. 214-231.
23. Heath B.A., Robin M.B., Kuebler N.A., Fisanick G.J., Eichelberger T.S. Multiphoton Ionization Spectroscopy of Acetaldehyde in Its Lowest Ridberg State. // J. Chem. Phys. — 1980,—V. 72.N. 10, —P. 5565-5570.
24. Munoz-Caro С., Nino A., Moule D.C. Theoretical Determination of the Torsion-Wagging Structure of the Si<—S0 Electronic Spectrum of Acetaldehyde. // Chem. Phys. — 1994. — V. 186. —P. 221-231.
25. Папп JI.B., Хаврюченко В.Д., Шманько И.И., Шманько М.И. Полное силовое поле монохлорацетальдегида. // Укр. хим. журн. — 1990. — Т. 56. № 2. — С. 177-180.
26. Пб.Папп JI.B., Хаврюченко В.Д., Шманько И.И., Шманько М.И. Колебательные спектры и квантовохимический расчет силового поля дихлорацетальдегида. // Укр. хим. журн.1990. — Т. 56. № 6. — С. 633-636.
27. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Электронное строение и свойства малых молекул. // Современные проблемы квантовой химии. Строение и свойства молекул. —J1.: Наука. 1986. С. 3-77.
28. Степанов Н.Ф., Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химия. — М.: Изд-во МГУ. 1991. — 364 с.
29. Пупышев В.И., Дементьев А.И., Степанов Н.Ф. Особенности описания потенциальных поверхностей ограниченным вариантом метода ССП. // Структура и свойства молекул. Межвузовский сборник научных трудов. ИХТИ: Иваново. 1988. С. 6-11.
30. Пупышев В.И., Дементьев А.И., Степанов Н.Ф., Симкин Б.Я. Симметрия молекулярных орбиталей. // Строение молекул (экспериментальные и расчетно-теоретические работы). Под ред. Ю.А. Пентина и П.А. Акишина. М.: Изд-во МГУ. 1986. С. 150-168.
31. Травень В.Ф. Электронная структура и свойства органических молекул. — М.: Химия. 1989. —384 с.
32. Яковлев Н.Н., Михайлов М.Н., Годунов И.А. SiSo-Вибронный спектр и строение молекулы хлораля в Si-состоянии. // Ж. структ. химии. — 1998. — Т. 39. № 3. — С. 507-513.













24