CC BY
92
УДК 530(091); 378.14
М. Ф. Каримов (к.ф.-м.н., проф., зав. каф.)
Начала электронной теории химической связи и их научное и дидактическое значение
Бирская государственная социально-педагогическая академия, кафедра общетехнических дисциплин 452453, Башкортостан, г. Бирск, ул. Интернациональная, 10; тел./факс (3414) 26455,
e-mail: karimov MF@rambler.ru
M. F. Karimov
The beginnings of the electronic theory of a chemical bond both their scientific and didactic value
Birsk State Socially Pedogogical Academy 10, Internatsyonalnaya Str., 452453, Birsk, Russia; ph./fax (3414) 26455, e-mail: karimov MF@rambler.ru
Приведено табличное представление краткого содержания начал электронной теории химической связи, сформированных в первой трети двадцатого века. Вкратце охарактеризованы научные и дидактические труды основоположников теории ионной связи, теории валентных связей и теории молекулярных орбиталей. Выделено ориентирующее в развитии современной химии и физики значение исходных положений электронной теории химической связи. Оценено значение фундаментальных трудов по атомной теории химической связи и квантовой химии для развития дидактики и содержания общего среднего и высшего профессионального образования.
Ключевые слова: квантовая химия; метод валентных связей; метод молекулярных орбита-лей; содержание современного химического и физического образования; теория гетерополяр-ной (ионной) связи; теория гомеополярной (ко-валентной) связи; химическая связь между атомами; электронная теория химической связи.
Tabular representation of the summary of the beginnings of the electronic theory of the chemical bond generated in first third of XX century is resulted. Scientific and didactic works of founders of the theory of ionic bond, the theory of valency bonds and the theory molecular orbitals are in brief characterised. Value of starting positions of the electronic theory of a chemical bond is allocated focusing in development of modern chemistry and physics. Value of fundamental works on the nuclear theory of a chemical bond and quantum chemistry for development of didactics and the general average and higher education is estimated.
Key words: quantum chemistry; method of valency bonds; method molecular orbitals; the maintenance of modern chemical and physical education; the theory of heteropolar (ionic) bond; the theory homopolar (covalent) bond; chemical bond between atoms; the electronic theory of a chemical bond.
Одной из фундаментальных проблем химической науки является разработка и эффективное применение положений и методов учения о химической связи между атомами в газообразном, жидком и твердом состояниях вещества.
Открытие электрона построение плане-
«2 тарной модели атома и создание квантовой
механики 3 способствовали возникновению и становлению начал электронной теории химической связи между атомами вещества в первой трети двадцатого века.
Причины образования при участии электронов химической связи между атомами молекул и кристаллической решетки стали предметом интенсивного исследования выдающихся ученых в первой трети двадцатого века, создавших теории ионной связи, валентных связей и молекулярных орбиталей.
В табл. 1 представлено краткое содержание фундаментальных работ основоположников электронной теории химической связи, реализуемой в веществе.
Дата поступления 03.03.10
Таблица 1
Последовательность и краткая характеристика научных работ разных авторов по
электронной теории химической связи
Время, автор Название труда Аннотация работы
1 2 3
Февраль 1904, Абегг Р. Die valenz und das periodische system. Versuch einer theorie der molekularverbindungen 4 Сформулирована концепция сродства атомов к электрону -первые представления о связи между атомами, учитывающие их сложное строение, на основе которых разработана теория электровалентности ионов химических элементов.
Октябрь 1912, Штарк И. Folgerungen aus einer valenzhypothese. I. Bandenspektrum und valenzenergie 5 На основе исследования спектров излучения атомов и выделения особой стабильности электронных оболочек атомов инертных газов предложена конструктивная идея о валентных электронах для развития классической теории химической связи.
Март 1916, Коссель В. Uber molekulbildung als frage des atombaus 6 Построена теория гетерополярной (ионной) химической связи для соединений с элементами, сильно различающимися по электропроводности, в которых атомы либо присоединяют, либо отдают электроны, в результате чего образуются молекулы.
Апрель 1916, Льюис Г. The atom and the molecule 7 Высказана гипотеза, что гомеополярная (ковалентная) химическая связь образуется за счет обобществления пары электронов, распределенных между двумя атомами, образующими молекулу соответствующего химического соединения.
Июнь 1919, Ленгмюр И. The arrangement of electrons in atoms and molecules 8 Описана химическая валентность или способность атомов вещества образовывать молекулы соединений посредством установления химических связей как явление, зависящее от заполнения электронами соответствующих оболочек атомов.
Январь 1927, Буррау Э. Berechung des energiewertes des wasserstoffmolekul - ions (H2+) im normalzustand 9 Произведено численное интегрирование дифференциального уравнения Шредингера для молекулярного иона водорода Н+2, позволяющее прояснить вопрос об одноэлектрон-ной связи и заложить основы метода молекулярных орби-талей.
Март 1927, Гайтлер В. Wechselwirkung neutraler atome und homopolare bindung nach der quantenmechanik 10 В рамках квантовой модели взаимодействующих электронов, являющейся основой метода валентных связей, показано, что для возникновения гомеополярной (ковалентной) связи необходимо участие по крайней мере двух электронов со спинами.
Февраль 1928, Полинг Л. The application of the quantum mechanics to the structure of the hydrogen molecule and hydrogen molecule - ion .. 11 Разработан метод электронных пар или валентных схем, согласующийся с положениями квантовой механики и позволяющий рассматривать состояния многоэлектронных атомных и молекулярных систем на основе принципа суперпозиции.
Январь 1929, Хунд Ф. Molekulbildung 12 Изложена концепция, согласно которой молекула рассматривается как динамическая система, состоящая из нескольких положительно заряженных центров, в электрическом поле которых двигаются отрицательно заряженные электроны.
Февраль 1929, Леннард-Джонс The electronic structure of 13 some diatomic molecules Заложен теоретический фундамент будущего метода молекулярных орбиталей, исходящего из предположения о полной потере за счет обобществления индивидуальных электронов атомов, соединяющихся в молекулу.
Май 1929, Малликен Р. The assignment of quantum numbers for electrons in molecules. III. Diatomic hydrides 14 Предположено, что в процессе образования химических связей при соединении атомов в молекулы их внешние электроны принадлежат молекуле в целом, а не орбиталям отдельных атомов, как принято в методе валентных связей.
Сентябрь 1929, Герцберг Г. Zum aufbau der zweiatomigen molekule 15 При построении системно-структурно-функциональной модели молекулы вещества считается, что ядро молекулы задано и электроны вводятся в её потенциальное поле один за другим, испытывая на себе воздействие всех ядер атомов.
1 2 3
Ноябрь 1929, Слэтер Дж. The theory of complex spectra 16 Показано, что детерминант, составленный из отдельных электронных волновых функций, представляет многоэлектронную волновую функцию, удобную для производства вариационных расчетов электронной структуры атомов и молекул.
Июль 1930, Хюккель Э. Zur quantenteorie der doppeibindung 17 Для объяснения устойчивости молекул ароматических соединений с двойной химической связью принята к ванто во механическая модель принадлежащих всей молекуле электронов взаимодействующих атомов и осуществлен соответствующий расчет
Апрель 1931, Полинг Л. The nature of the chemical bond. Application of results obtained from the quantum mechanics and from a theory 18 Представлена модель гибридизированных атомных орбиталей углерода, объясняющая образование четырех эквивалентных двухэлектроиных химических связей С - Н в молекуле простейшего углеводородного соединения - метана.
Январь 1932, Хунд Ф. Zur frage der chemischen bindung 1S Посредством критического анализа экспериментальных результатов и теоретических положений, полученных в области изучения химической связи между атомами, установлен вывод о существовании в веществах сильной сигма- и слабой пи-связи
Июль 1932, Малпикен Р. Electronic structure of polyatomic molecules and valence. 11. General considerations 20 Введен в науку на доказательной основе термин «молекулярная орбиталь», описываемая математическими формулами, обладающая объяснительной и предсказательной функциями по отношению к физическим и химическим свойствам вещества.
Экстраординарный профессор университета в Бреслау Р. В. Абегг (1869-1910) профессор Высшей технической школы в Ахене и лауреат Нобелевской премии по физике в 1919 г. И. Штарк (1874—1957) , приват-доцент Мюнхенского университета В. Коссель (18881956) й, профессор Калифорнийского университета Г, Н. Льюис (1875—1946) 7, научный сотрудник лаборатории «Дженерал электрик компании» и лауреат Нобелевской премии по химии в 1932 г. И, Ленгмюр (1881-1957) е, приват-доцент Геттингенекого университета В, Гайтлер (1904—1981)10. приват-доцент Берлинского университета Ф. Лондон (19001954) 10, профессор Калифорнийского технологического института и лауреат Нобелевских
премий по химии (1954 г.) и мира (1962 г.) Л. К. Полинг (1901-1994) профессор Лейп-цигского университета Ф. Хунд (1896-1997) 12, профессор Бристольского университета Д. Э. Лен-нард-Джонс (1894-1954) 13, адъюнкт-профессор Чикагского университета и лауреат Нобелевской премии по химии а 1966 г. Р. С. Мал-ликен (1896-1986) 14, приват-доцент Дарм-штадтского технологического института и лауреат Нобелевской премии по химии в 1971 г. Г. Герцберг (1904-1999) 13 и профессор Гарвардского университета Д. К. Слэтер (19001976) создали фундаментальные учебные пособия по химии и физике, которые представлены в табл. 2.
Таблица 2
Ряд обзоров, монографий и учебников основоположников теории химической связи
Дата, автор Название работы Краткое содержание произведения
1 2 3
Июль 1905, Абегг Р. Hundbuch der anorganischen Chemie: Bd.1 21 В первом справочнике-учебнике по химии, написанном на основе представлений об электронном строении вещества выделено, что для существования неорганических соединений сродство атомов к электрическому заряду является приоритетным.
Сентябрь 1914, Штарк И. Elektrische Spektralanalyse chemischer atome гг На основе анализа спектрального излучения ряда химических элементов и устойчивости электронных оболочек атомов инертных газов развито представление о вапентных электронах и связана валентность элемента с числом внешних электронов атома.
Май 1921, Коссель В. Vaienzkrafte und rontgenspek-tren 23 Установлено, что образование химических соединений происходит благодаря переходу электронов от атома одного элемента к атому другого и появлению химической гетеро-полярной (ионной) связи между ними.
Август 1923, Льюис Г. Valence and the structure of atoms and moiecules г" С помощью предложенной автором физической концепции -модели обобщенных электронных пар взаимодействующих друг с другом атомов построена теория гомеополярной ко-валентной химической связи атомов, образующих молекулы вещества.
90
Башкирский химический журнал. 2010. Том 17. JV<> 4
окончание табл. 2
1 2 3
Январь 1928, Лондон Ф. Zur quantenmechanik der homopolaren valenzchemie 25 Выделены особенности расчета в рамках метода валентных схем гомеополярной химической связи молекулы водорода и оценен основной вклад обменного интеграла в энергию образования простейшей молекулярной системы.
Октябрь 1929, Ленгмюр И. Modern concepts in physics and their relation to chemistry26 Осуществлено полное раскрытие содержания и определение объема понятий «электровалентность» и «ковалентность», используемых в теории химической связи атомов вещества с помощью представлений нового раздела физики - квантовой механики.
Июнь 1930, ПолингЛ. The structure of line spectra 27 Изложены достижения атомной и молекулярной спектроскопии и представлен разработанный автором квантовомеханический метод исследования спектров и изучения строения молекул - метод валентных связей атомов вещества.
Ноябрь 1930, Хунд Ф. Zur deutung der mole-kulspektren. V. Die angeregten elektronenterme von molekuln mit zwei gleichen kernen ... 28 Систематика спектров молекулярных водорода, гелия, лития, азота и других элементов объяснена в рамках квантовой модели обобществленных электронов, одновременно взаимодействующих с двумя одинаковыми атомными ядрами.
Январь 1931, Гайтлер В. Quantentheorie der chemischer bindung fur mehratomige molekule 29 Рассмотрены в рамках квантовой механики приближенные методы расчета химической связи двухатомных и многоатомных молекул и способы сравнения результатов численных расчетов с экспериментальными данными химии и физики.
Апрель 1933, Слэтер Дж. Introduction to theoretical phys- 30 ics 30 В построенном на основе представлений квантовой механике учебнике по теоретической физике изложены приемы и особенности метода валентных связей, используемого для описания взаимодействия электронов со спинами в атомах молекул.
Август 1933, Хунд Ф. Allgemeine quantenmechanik des atom - und molekulbaues 31 В справочнике-учебнике по общей квантовой механике атомов и молекул выделено положение о том, что в молекулах часто происходят сильные возмущения атомов, ограничивающие применение в расчетах энергии атомных орбиталей.
Май 1934, Герцберг Г. Uber das rotationsschwin-gungsspektrum des acetylens ( C2H2 ) 32 Теория простой химической сигма- и сложной пи-связи применена для построения структурной модели непредельного углеводорода - ацетилена и для определения спектра молекулы с учетом внутреннего вращательного движения атомов.
Июнь 1934, Малликен Р. A new electroaffinity scale; together with data on valence states and on valence ionization potentials and electron ...33 Четко выделено, что молекула не является аддитивной суммой атомов и приходится иметь дело с «псевдоатомами» при построении теории химической связи с определением энергии и ионизационного потенциала валентного состояния атомов..
Октябрь 1935, ПолингЛ. Introduction to quantum meca-hanics, with applications to chemistry 34 Первая книга по квантовой химии, написанная с соблюдением требований основных дидактических принципов, выделяет точное или приближенное решение уравнения Шредингера как основу теории молекулярного строения вещества.
Выдающиеся отечественные ученые, имеющие творческие достижения мирового уровня в области естественно-математических наук ( рассмотрены в 35-37), рекомендовали будущим и настоящим исследователям и преобразователям природной и технической действительности осваивать начала квантовой химии и физики с помощью классических трудов, включаемых в содержание современного химического и физического образования и представленных в табл. 2, для приобретения знаний и умений по созданию нового, фундаментального и прикладного в естествознании.
Системно-структурно-функциональные модели микрообъектов, изложенные в работах основоположнков теории химической связи, служат познавательным ориентиром и в развитии ряда положений дидактики средней общеобразовательной и высшей профессиональной
38
школы .
Анализ и обобщение приведенного выше краткого материала относительно начал электронной теории химической связи и их научного и дидактического значений приводят к нижеследующим выводам.
Основанная на научных достижениях учения об атомном строении вещества электронная теория химической связи на начальных этапах своего становления в течение первой трети двадцатого века выделилась в познании и преобразовании природной и технической действительности собственными концепциями гетерогенного (ионного) и гомеополярного (ковалентного) взаимодействия электрически заряженных микрочастиц.
Методы валентных связей, учитывающие индивидуальность атомов и молекулярных ор-биталей, основанные на представлении о полной потере самостоятельного поведения атомов, соединяющихся в молекулу, позволяющие описать, объяснить и предсказать химические и физические свойства газообразных, жидких и твердых тел, имеют конструктивно ориентирующие элементы, развивающие не только естественно-математические науки, но и обогащающие дидактику средней общеобразовательной и высшей профессиональной школы.
Основоположники теории гетерополяр-ной и гомеополярной химической связи атомов, образующих молекулы вещества, осуществили высококачественную дидактическую переработку собственных и других научных достижений в области квантовой химии, имеющих ориентирующее значение и в области теории обучения, приводящую к значительному обогащению содержания естественно-математической составляющей общего образования настоящих и будущих исследователей и преобразователей природной и технической действительности.
Литература
1. Thomson J. J. // Philosophical Magazine. Fifth Series.- 1897.- October.- Vol.44.- P. 293.
2. Rutherford E. // Philosophical Magazine.-1911.- May.- Series 6.- Vol. 21.- P. 669.
3. Schrodinger E. // Annalen der Physik.- 1926.-Bd. 76, №4.- S. 361.
4. Abegg R. Die Valenz und das periodische System. // Zeitschrift fur anorganische Chemie.- 1904.-Bd. 39.- №1.- S. 330.
5. Stark J. // Jahrbuch der Radioaktivitet und Elektronik. Leipzig.- 1912.- Bd. 9.- S. 15.
6. Kossel W. // Annalen der Physik.- 1916.-Bd.49, №3.- S. 229.
7. Lewis G. N. // J. of the Am. Chem. Soc.-1916.- Vol. 38, №4.- P. 762.
8. Langmuir I. // J. of the American Chemical Society.- 1919.- Vol. 41, №6.- P. 868.
9. Burrau Oe. // Det Koniglische Danske Videns-kabernes Selskab. Mathematisk - fysiske Med-delelser.- 1927.- Bd. 7 (14).- S. 1.
10. Heitler W. // Zeitschrift fur Physik.- 1927.-Bd. 44.- S. 455.
11. Pauling L. // Chemical Reviews.- 1928.-Vol.5.- P.173.
12. Hund F. // Ergebnisse der exakten Naturwissenschaft.- 1929.- Bd. 8, №1.- S. 147.
13. Lennard-Jones J. E. // Transactions of Faraday Society.- 1929.- Vol. 25, №2. - P. 668.
14. Mulliken R. S. // Physical Review.- 1929.-Vol. 33, №5.- P. 730.
15. Herzberg G. // Zeitschrift fur Physik.- 1929.-Bd.57, № 9- 10.- S. 601.
16. Slater J. S. // Physical Review.- 1929.- Vol. 34, №10.- P.1293.
17. Huckel E. // Zeitschrift fur Physik.- 1930.-Bd.60, №7-8.- S. 423.
18. Pauling L. // J. of the American Chemical Society. - 1931.- Vol. 53, №4.- P. 1367.
19. Hund F. // Zeitschrift fur Physik.- 1932.-Bd.73.- №1-2.- S. 1.
20. Mulliken R.S. // Physical Review.- 1932.- Vol. 41, №1.- P. 49.
21. Abegg R. Handbuch der anorganischen Chemie: Bd.1.- Leipzig: S.Hirzel, 1905.- 193 s.
22. Stark J. Elektrische spektralanalyse chemischer atome.- Leipzig: S.Hirzel, 1914.- 138 s.
23. Kossel W. Valenzkrafte und rontgenspektren. -Berlin: Spinger, 1921.- 70 s.
24. Lewis G. N. Valence and the structure of atoms and molecules. - New York: The Chemical catalog company, 1923.- 172 p.
25. London F. // Zeitschrift fur Physik.- 1928.-Bd.50, №1-2. - S. 24.
26. Langmuir I. // Science.- 1929.- Vol. 70, №1817.-P. 385.
27. Pauling L., Gaudsmit S. The structure of line spectra. - New York: McGraw-Hill, 1930.- 263 p.
28. Hund F. // Zeitschrift fur Physik.- 1930.-Bd.63, №11-12.- S. 719.
29. Heitler W. Rumer G. // Zeitschrift fur Physik.- 1931.- Bd.68, №1-2.- S. 12-41.
30. Slater J. C. Introduction to theoretical physics. -New York: McGraw-Hill, 1933.- 576 p.
31. Hund F. // Handbuch der Physik.- 1933.-Bd.24/1,2.- S. 561.
32. Herzberg G., Spinks J.W.T. // Zeitschrift fur Physik.- 1934.- Bd.91, №5-6.- S. 386.
33. Mulliken R. S. // J. of Chemical Physics. -1934.- Vol.2.- P.782.
34. Pauling L., Wilson E. B. Introduction to quantum mecahanics, with applications to chemistry. - New York: McGraw-Hill book company, 1935.- 468 p.
35. Каримов M. Ф. // Образование и наука. Известия Уральского отделения Российской академии образования.- 2007.- №2(44).- С. 136.
36. Каримов M. Ф. // История науки и техники.-
2007.- №1.- С. 66.
37. Каримов M. Ф. // Баш. хим. ж.- 2009.- Т. 16, №1.- С.35.
38. Каримов M. Ф. // Искусство и образование.-
2008.- №11.- С. 31.
