Бурное развитие химии в наши дни с неизбежностью диктует необходимость пересмотра традиционных учебных курсов. Отличительная черта современного этапа развития химии — проникновение в нее идей, методов и, если можно так сказать, «образа мышления» наиболее фундаментальной теории современного естествознания — квантовой механики. Если ранее каждая из областей химии— неорганическая, органическая, физическая — были в значительной мере изолированными дисциплинами, использующими свои, локальные концепции и представления, то в настоящее время появляется возможность общею теоретического подхода к химии. Очевидно, что теоретическим базисом такого подхода должна быть квантовая химия.
Таким образом, вопрос создания учебных пособий, излагающих теоретические основы химии и пригодных для начальной стадии обучения в высшей школе, не требует пояснений. Именно к таким учебным пособиям и можно отнести предлагаемую читателям книгу В. Хабердитцла. Реформа университетских программ обучения в ГДР стимулировала создание учебников нового типа, таких, как «Anorganikurro, «Organikum»*, «Analytikum»**. Хотя данную книгу можно рассматривать как теоретическое дополнение к «Неорга-никуму», фактически она представляет собой самостоятельное оригинальное учебное пособие.
Главное достоинство книги заключается в достаточно строгом и систематизированном теоретическом подходе к химическим явлениям и объектам на основе самых современных представлений. Автор смело отбрасывает устаревшие, хотя и привычные (поскольку они переходят ил учебника в учебник) концепции, например планетарную модель Бора, и вводит новейшие теории даже на этой, начальной стадии обучения. При этом удачно найдено решение сложнейшей методической альтернативы: В. Хабсрдишлу удалось добиться простоты изложения (с привлечением минимального математического аппарата) и избежать вульгаризации при относительно малом объеме книги. Таким образом, педагогическая ценность данной книги несомненна.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие....................... 5
Предисловие автора .................... 7
Часть J. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
1. Атомистическая структура материи........... 9
1.1. Ззкон сохранения массы.............. 9
1.2. Закон постоянных и кратных отношений..... 10
1.3. Закон Гей-Люссака, Гумбольта и Авогадро. Химические уравнения.................. 11
1.4. Идеальные газы, уравнение состояния, определение молекулярных весов................ 12
1.5. Идеальное тверлое тело.............. 15
2. Кинетическая теория материи............. 18
2.1. Молярная теплоемкость идеальных газов..... 21
2.2. Число соударений и средняя длина свободного пробега, диффузия и теплопроводность......... 23
2.3. Молярная теплоемкость идеальных твердых тел . 25
3. Основы квантовой теории ............... 26
3.1. Классическая физика и атомарная структура материи ......................... 26
3.2. Квант действия, квантовая теория молярной теплоемкости ....................... 27
3.3. Фотоэлектрический эффект. Фотоны........ 28
3.4. Электроны.................... 30
3.5. Квантовая теория и классическая физика..... 32
3.6. Элементарное изложение основных положений квантовой механики ................ 33
4. Элементарные частицы и атомное ядро........ 3S
4.1. Элементарные частицы............... 37
4.1.1. Обзор некоторых важнейших элементарных
ч астиц....................... 38
A. Лептоны и мезоны.............. 38
Б. Барионы (тяжелые частицы)......... 39
B. Гипероны и Х-мезоны (сверхтяжелые частицы) 40
4.2. Атомное ядро................... 40
4.3. Радиоактивность, ядерные реакции......... 41
4.4. Стабильные и нестабильные нуклиды....... 43
5. Электронные оболочки атомов............. 46
5.1. Основные состояния атома: экспериментальные обоснования.................... 46
5.1.1. Опыты по электронному облучению...... 47
5.1.2. Рентгеновские спектры............ 48
5.1.3. Оптические спектры............. 50
5.2. Атомы водорода, основное состояние....... 53
5.3. Атом водорода, возбужденные состояния...... 57
5.4. Момент количества движения. Атом водорода в магнитном поле.................... 60
5.5. Электронные конфигурации, атомные состояния, периодическая система................ 62
5.6. Границы применимости одноэлектронной модели, атомы и молекулы................. 7()
6. Формы проявления химической связи......... 71
6.1. Уровни энергии и структура молекул ...... 7!
6.1.1. Вращательные спектры............. 71
6.1.2. Вращатсльно-колебательные спектры....... 78
6.1.3. Спектры электронных переходов....... 80
6.1.4. Спектры растворов.............. 81
6.1.5. Спектры комбинационного рассеяния (спектры КР) 82 6-1.6. Спектры ядерного магнитного резонанса (спектры ЯМР)................... 84
6.1.7, Дифракционные методы............ 90
6.2. Химическая связь. Молекула водорода....... 92
6.2.1. Обменное вырождение............ 92
6.2.2. Учет электростатического взаимодействия ... 95
6.2.3. Связь при помощи электронных пар..... 100
6.2.4. Молекулярные состояния (метод МО)..... Ю1
6.3. Молекулы с преимущественно ковалентными связями 103
6.3.1. Валентность, валентный угол, гибридизация . . 104
6.3.2. Кратные связи....."........... 109
6.3.3. Мезомерия.................. Ill
6.3.4. Применение метода МО........... 113
6.3.5. Полярные молекулы, дипольпые моменты ... 118
6.3.6. Электроотрицательность, ионный характер связи ....................... 121
6.3.7. Атомные и молекулярные решетки, межмолекулярные силы.................. 126
6.4. Ионы в кристаллических структурах........ 129
6.4.1. Применение рентгеновских лучей для исследования структуры................ 130
* 6.4.2. Энергия кристаллической решетки...... 135
6.4.3. Ионные радиусы и типы кристаллических решеток ....................... 140
6.4.4. Переходы к другим типам кристаллических решеток ...................... 142
6.5. Ионы в поле лигандов.............. 144
6.5.1. Симметрия молекул............. 145
6.5.2. Комплексные соединения: основы экспериментальных исследований.............. 152
6.5.3. Основные положения магнетохимии...... 153
6.5.4. Мессбауэровская спектроскопия........ 157
6.5.5. Дисперсия оптического вращения (ДОВ) и круговой дихроизм (КД).............. '58
6.5.6. Электростатическая теория комплексов .... 160
6.5.7. Ковалентные связи в комплексах....... 166
6.6, Связи в металлах................. 169
6.6.1. Связи в металлах и металлические решетки, ферро-и антиферромагнетизм.......... 169
6.6.2. Электронный газ............... 170
6.6.3. Зонная модель (одноэлектронная модель металла) ...................... 172
6.6.4. Смешанные кристаллы и интерметалличсскис
фазы..................... 175
6.6.5. Общий обзор типов связей в твердых телах . . 176
Часть II ВВЕДЕНИЕ В КВЛНТОВОХИМИЧЕСКИЕРАСЧЕТЫ
1. Нормировка и ортогонализация функций состояния . . 180
2. Одноэлектронный атом, функции водорода....... 184
2.1, Угловая составляющая.............. 185
j_ 2.2. Радиальная составляющая............. 188
2.3. Переход к многоэлектронным атомам....... 190
3. Многоэлектронные атомы: модель ССП......... 191
3.1. Слейтеровскне функции.............. 194
3.2. Введение атомарных единиц............ 196
4. Введение в рассмотрение иона H? методом МО .... 197
4.1. Запрет пересечения................ 203
4.2. Максимальное перекрывание ............ 205
4.3. Теорема вириала, баланс энергии при образовании молекулы..................... 206
5. Антисимметрия и конфигурации на примере молекулыН2. Сравнение методов МО и ВС............. 208
5.1. Рассмотрение молекулы Н2 в методе МО, конфигурационное взаимодействие............... 210
5.2. Рассмотрение молекулы Н2 в рамках метода ВС, ионные состояния..................... 212
5.3. Сравнение методов МО и ВС........... 214
5.4. Перспективы развития............... 216
6. Модель МОХ (метод МО Хюккеля)........... 222
6.1. Введение, этилен................. 222
1234
6.2. Бутадиен (С—С—С—С), молекулярные диаграммы 224
6.2.1. Альтернантные и неальтернантные системы . . 227
6.2.2. Порядок связи и плотность заряда..... 228
6.3. Упражнения к теории Хюккеля.......... 230
6.3.1. Определение вековых определителей, корней и
собственных векторов для аллильного радикала
и соответствующих катион- и анион-радикалов 230
6.3.2. Определение дииолыюго момента метиленцикло-лропена.................... 232
6.3.3. Построение матриц Хюккеля......... 235
6.4. Усовершенствования и расширение подхода МОХ . 236
6.4.1. Учет интегралов перекрывания........ 236
6.4.2. Вариации аир.............. 239
6.4.3. Связь дт и Ртп с Ва и S0......... 240
6.4.4. Распространение метода МОХ на другие систе-
мы...................... 242
7. Модель свободного электрона в методе МО (модель СЭ) . 244
7.1. Модель МО и зонная модель, электронный газ . . . 244
7.2. Модель СЭ: применение в органической химии . . 245
7.3. Модель СЭ и металлическая связь........ 253
8. Некоторые корреляции с экспериментом........ 258
8.1. Межатомные расстояния.............. 258
8.2. Дипольпые моменты................ 261
8.3. Электронные спектры............... 26)
8.4. Предварительные замечания к моделям, описывающим кинетику р еакций................. 264
8.5. Спиновые плотности................ 267
ПРИЛОЖЕНИЯ
П. I. Собственные значения и коэффициенты линейных комбинаций в теории МОХ для некоторых соединений . . . 275
Результаты машинных расчетов............ 275
Табличные издания.................. 277
П.2. Таблицы характеров важнейших точечных групп . . , 280
П.З. Список рекомендуемой литературы.......... 284
Вводные работы и квантосохимические монографии . . 284
Теория групп и квантовая механика......... 2S5
Теория поля лигандов................. 286
Теоретическая органическая химия.......... 287
Предметный указатель .................. 288
