Возникновение квантовой химии

Представления о природе химической связи.

На протяжении всего XIX века химия, основанная на атомно-молекулярной теории, не могла дать никаких объяснений природе связи между атомами. Понятие валентности, при всей плодотворности его применения, оставалось сугубо эмпирическим. Лишь после открытия делимости атома и установления природы электрона как составной части атома возникли реальные предпосылки для разработки первых теорий химической связи.

Рихард Вильгельм Генрих Абегг (1869-1910) и Гвидо Бодлендер (1856-1904) в 1899 г. высказывают идею о сродстве атомов к электрону – способности атомов присоединять электрон. На основе этих представлений Абегг в 1904 г. разрабатывает теорию электровалентности. Валентностью, по мнению Абегга, обладают ионы, и величина валентности равна заряду иона. Каждый элемент характеризуется двумя максимальными валентностями – положительной и отрицательной, сумма которых равна восьми. В 1908 г. Уильям Рамзай высказывает идею о связи атомов посредством общего электрона. Иоганнес Штарк (1874-1957) в 1915 г. вводит понятие о валентных электронах: согласно Штарку, валентность атома определяется числом поверхностных электронов. Представления Штарка о валентных электронах и модель атома Резерфорда-Бора легли в основу новых теорий химической связи. Представления об электровалентности или полярной валентности развивает немецкий физик Вальтер Коссель (1888-1956). Коссель в 1916 г. излагает теорию, основанную на модели атома Бора и представлении об особой стабильности двух- или восьмиэлектронных оболочек инертных газов. Реакционная способность атома, по Косселю, определяется его стремлением приобрести такую электронную конфигурацию.

В 1916 американский химик Джилберт Ньютон Льюис (1875-1946) предлагает теорию кубического атома. Образование связи между одинаковыми атомами Льюис объяснил возможностью обобществления валентных электронов. Льюис предложил также способ изображения связей, в котором каждый валентный электрон обозначается точкой (формулы Льюиса). Аналогичные взгляды высказал Ирвинг Ленгмюр (1881-1957), который, однако, отбросил идею о стационарном кубическом расположении внешних электронов в атоме. Ленгмюр предположил существование трёх типов валентности: положительной, отрицательной и ковалентности.

Опираясь на теории Косселя и Льюиса-Ленгмюра, в 1923 г. датский химик Йоханнес Николаус Брёнстед (1879-1947) и Томас Мартин Лаури (1874-1936) разрабатывают протонную, а Джилберт Льюис – электронную теории кислот и оснований.

После создания Альбертом Эйнштейном фотонной теории света (1905) и выведения им статистических законов электронных переходов в атоме (1917) в физике обостряется проблема волна-частица. Разрешение этого противоречия предложил в 1924 г. французский физик Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль (1892-1987), приписавший волновые свойства частице. Распространив идею о двойственной природе света на вещество, де Бройль предположил наличие у материальных частиц волновых свойств, однозначно связанных с массой и энергией. Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, немецкий физик Эрвин Шрёдингер (1887-1961) в 1926 г. вывел основное уравнение т.н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. В том же 1926 г. другой немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901-1976) разрабатывает свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от сформулированного Бором принципа соответствия.

Изначально волновая и матричная механики имели принципиальные различия в подходах. У Шрёдингера частица выступает как чисто волновое образование, т.е. частица есть место волны, в котором сосредоточена наибольшая энергия волны. Интерпретация Шрёдингера представляла собой, по сути, попытку создать более или менее наглядные модели в духе классической физики. Гейзенберг же сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с которым точность определения координаты частицы обратно пропорциональна точности определения её скорости. Таким образом, квантовая механика фиксирует корпускулярно-волновой дуализм – в одних случаях удобнее частицы считать волнами, в других, наоборот, волны частицами.

Квантово-механический подход к строению атома привёл к созданию принципиально новых представлений о природе химической связи. Уже в 1927 г. Вальтер Гейтлер (1904-1981) и Фриц Лондон (1900-1954) начинают разрабатывать квантовомеханическую теорию химической связи и выполняют приближённый расчет молекулы водорода. Распространение метода Гейтлера-Лондона на многоатомные молекулы приводит к созданию метода валентных связей, который создают в 1928-1931 гг. Лайнус Карл Полинг (1901-1994) и Джон Кларк Слэтер (1900-1976). В 1928 г. Полинг предлагает теорию резонанса и идею гибридизации атомных орбиталей, в 1932 г. – новое количественное понятие электроотрицательности, шкалу электроотрицательностей, выражает зависимость между электроотрицательностью и энергией химической связи.

Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон Малликен (1896-1986) и Джон Эдвард Леннард-Джонс (1894-1954) в 1929 г. создают основы метода молекулярных орбиталей. В основу ММО заложено представление о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Молекула, таким образом, состоит не из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и движущимися в их поле электронами. Хундом создаётся также современная классификация химических связей; в 1931 г. он приходит к выводу о существовании двух основных типов химических связей – простой, или σ-связи, и π-связи.

Дата добавления: 2014-01-04