Особенности квантовой химии. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева с точки зрения квантовой теории. Квантово-механическая интерпретация периодического закона Менделеева. Химическая связь и валентность. Вероятностный характер химических реакций.
Аннотация к работе
Химический элемент, в свою очередь, можно определить как вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств и обозначаемый определенным символом. Соединения атомов с помощью химических связей образуют молекулы. Молекулы - наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве. Основной метод квантовой химии состоит в применении уравнения Шредингера для атомов и молекул.Величина этих порций энергии Е предполагалась связанной с частотой v излучения, переносящего энергию, коэффициентом пропорциональности h, получившим название постоянной Планка: Е = hv Эйнштейн использовал это представление для того, чтобы объяснить, почему поверхность металлов, облучаемых светом, при определенных условиях излучает электроны (именно это явление получило название фотоэлектрического эффекта). Бор применил квантовую теорию к модели атома Резерфорда, допустив при этом, что: · каждый электрон в атоме может совершать устойчивое движение без излучения энергии, · каждый электрон в атоме может переходить из одного состояния в другое, выделяя или поглощая при этом определенную порцию энергии. Электрон может перескакивать с одного уровня на другой, испуская или поглощая при этом определенное, фиксированное количество энергии - квант энергии. Согласно модели Бора, электроны в атомах вращаются вокруг ядра по круговым орбитам подобно планетам, совершающим свое движение вокруг Солнца, поэтому модель Резерфорда - Бора принято называть планетарной.Как уже отмечалось выше, атомы, соединяясь химическими связями, образуют молекулы, которые являются наименьшей частицей вещества, обладающей его химическими свойствами. (Одноатомные молекулы инертных газов, строго говоря, молекулами не являются.) Как и атомы, молекулы - это квантовые системы. Понятие о молекулярном строении вещества утвердилось в химии в середине XIX в. в связи с развитием термодинамики и теории газов, и окончательно было подтверждено экспериментами Ж.Б. Молекулы как атомные системы характеризуются составом (из атомов каких элементов они состоят), молекулярной массой и структурной формулой, указывающей последовательность химических связей атомов. Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов (обычно электронных пар) соседними атомами; иначе говоря, электроны верхнего слоя двух (и большего количества) атомов становятся общими для этих атомов (например, в молекулах Н2, О2, СО и др.).Поскольку реагенты, каждый из которых обладает разными энергиями, участвуют в хаотичном движении, то как их столкновение, результатом которого является химическая реакция, так и образование продукта реакции носят вероятностный характер и могут быть описаны некоторыми средними наиболее вероятными величинами, изменяющимися во времени с приближением каждого к своему значению, соответствующему стационарному состоянию. И, хотя реакции идут, осредненные по объему концентрации компонентов не меняются. Время t, необходимое для установления химического равновесия для конкретной обратимой реакции, зависит от температуры и давления, но наиболее сильно - от температуры, в виду экспоненциального характера взаимосвязи скорости химической реакции U и температуры T, отражаемой зависимостью Аррениуса Например, для реакции СО2 Н2 U СО Н2 О при постоянном давлении около 0,4 МПА с ростом поддерживаемой подводом теплоты извне температуры в зоне реакции от 1000 К до 1500 К время t уменьшается от 0,631· 10-6 до 0,925· 10-8 с. Представим предполагаемое изменение во времени объемной (мольной) концентрации водорода, кислорода и водяного пара в предположении отсутствия диссоциации водяного пара - реакция идет только справа налево, т.е.Создание квантово-механической теории атома имело не только фундаментальное теоретическое, но и практическое значение. Во-первых, оно придало мощный импульс развитию атомной энергетики (высвобождению атомной энергии, созданию атомных электростанций и энергетических установок). Эпоха открытия новых элементов периодической системы из их природных соединений закончилась. Ей на смену пришла эпоха искусственного получения новых элементов в лабораторных условиях, в ускорителях элементарных частиц. В период с 1940 по 1955 г. путем физического синтеза атомных ядер был получен ряд новых элементов: нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, фермий, менделевий и др.
План
Содержание
Введение
1. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева с точки зрения квантовой теории
2. Химическая связь и валентность
3. Вероятностный характер химических реакций
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Основные понятия и объекты химии - атом и молекула. Атом - наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Химический элемент, в свою очередь, можно определить как вид атомов, характеризующийся определенной совокупностью свойств и обозначаемый определенным символом. Соединения атомов с помощью химических связей образуют молекулы. Молекулы - наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами.
Атомов известно лишь немногим более 100 видов, т.е. столько, сколько химических элементов. А вот молекул - свыше 18 млн. Столь богатое разнообразие определяется двумя обстоятельствами. Во-первых, тем, что почти все виды атомов, взаимодействуя друг с другом, способны объединяться в молекулы. И, во-вторых, тем, что молекулы могут содержать разное число атомов. Так, молекулы благородных газов одноатомны, молекулы таких веществ, как водород, азот, - двухатомны, воды - трехатомны и т.д. Молекулы наиболее сложных веществ - высших белков и нуклеиновых кислот - построены из такого количества атомов, которое измеряется сотнями тысяч (макромолекулы). Атомы в молекуле связаны между собой в определенной последовательности и определенным образом расположены в пространстве. Важно и то, что такие последовательности и пространственные расположения при одном и том же составе атомов могут быть различными. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных химических веществ очень велико.
Квантовая химия - это область современной химии, в которой принципы и понятия квантовой механики и статистической физики применяются к изучению атомов, молекул и других химических объектов и процессов. Основной метод квантовой химии состоит в применении уравнения Шредингера для атомов и молекул. При этом учитываются все виды энергии составляющих систему частиц (кинетическая, энергия взаимодействия атомных ядер и электронов, энергия взаимодействия с внешними полями). Решение такого уравнения определяет значения волновых функций ?, дает знание полной энергии системы и ее состояний, их зависимость от пространственных координат, спиновых характеристик частиц и др. Все это позволяет в принципе определить количественные характеристики системы (атома, молекулы и др.). Вместе с тем математическая сторона здесь достаточно сложная, поэтому точные решения возможны лишь для простейшей системы - атома водорода. Для теоретического описания более сложных систем применяются приближенные методы и трудоемкие вычисления. Применение ЭВМ позволило получать расчеты атомных, молекулярных систем, систем активированных комплексов и др. с точностью, вполне достаточной для предсказания важнейших их характеристик - спектров, геометрического строения, физических и химических свойств. В последние десятилетия квантовые подходы в химии позволили решить еще более сложные задачи, прежде всего связанные с анализом систем, изменяющихся во времени (в ходе химических реакций, распада, поглощения и испускания света и др.).
Объектом исследования современной химии являются фрагменты белка, ДНК, кластерные системы, кристаллические структуры, полимеры. Все эти системы характеризуются неисчислимо большим количеством электронов, а это, в свою очередь, накладывает сильные ограничения на ресурсоемкость современных процедур расчета. С учетом этого единственно применимыми оказываются методы теории функционала плотности (со столь громоздкими системами могут справиться еще и методы молекулярной механики, характеризующиеся, впрочем, куда более низкой точностью). Поэтому в ближайшие годы (или даже десятилетия) приоритет сохранится за методами теории функционала плотности, хотя не исключено появление методов, в основе которых лежат совершенно иные принципы.
Вывод
Создание квантово-механической теории атома имело не только фундаментальное теоретическое, но и практическое значение. Во-первых, оно придало мощный импульс развитию атомной энергетики (высвобождению атомной энергии, созданию атомных электростанций и энергетических установок). Во-вторых, оно стало стимулом для работ по искусственному расширению человеком границ мира атомов. Эпоха открытия новых элементов периодической системы из их природных соединений закончилась. Ей на смену пришла эпоха искусственного получения новых элементов в лабораторных условиях, в ускорителях элементарных частиц. Так, во времена Менделеева было известно 60 с небольшим элементов. В 1930-е гг. периодическая система заканчивалась ураном (порядковый номер в системе - 92). В период с 1940 по 1955 г. путем физического синтеза атомных ядер был получен ряд новых элементов: нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, фермий, менделевий и др. Впоследствии было синтезировано еще 11 новых элементов. В настоящее время периодическая система насчитывает 114 элементов. Ядра с зарядом большим, чем 110е, крайне нестабильны. Вместе с тем вопрос об абсолютно полном списке элементов остается открытым. Есть основания для продолжения этого списка: возможно существование "островков стабильности" для элементов с порядковыми номерами свыше 120-ти.
Квантовая механика позволяет вычислить полную энергию молекул как функцию длин связей, а также валентных и диэдральных углов. Вторая производная энергии по внутренней координате дает кривизну и силовые постоянные. Теорема Гельмана-Фейнмана позволяет вычислить эти параметры. Теорема представляет еще и философский интерес, поскольку через нее вводится понятие силы в квантовую механику, и, тем самым, восстанавливается связь между классическими и квантовыми величинами.
Список литературы
1. Бабушкин А.Б. Современные концепции естествознания. - СПБ.: Издательство "Лань", 2007. - 400 с.
2. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания. - М: Инфра-М, 2008 - 279 с.
3. Дубнищева Т.Я. - Концепции современного естествознания. - М.: ИКЦ "Маркетинг", Новосибирск: ООО "Издательство ЮКЭА", 2007. - 832 с.
4. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания. - М.: ИТК "Дашков и К°", 2008. - 378 с.
5. Вайскопф В. Наука и удивительное (как человек понимает природу). - М.: Наука, 2009. - 279 с.
6. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. - М.: Наука, 2006. - 255 с.