9.4.1. კვანტური ქიმიის ძირითადი ცნებები და მეთოდები.

კვანტური მექანიკის ისტორიული მნიშვნელობა ასევე განისაზღვრება იმით, რომ მან რადიკალურად შეცვალა ქიმიური ცოდნის სისტემა, აწია ეს სისტემა ემპირიული და ნახევრად ემპირიული ცოდნის დონიდან, რაც არსებითად იყო ლავუაზიეს დროიდან, თეორიულ დონეზე. . კვანტურმა მექანიკამ განაპირობა კვანტური ქიმიის შექმნა და, ამრიგად, მოქმედებდა, როგორც თეორიული საფუძველი მსოფლიოს თანამედროვე ქიმიური სურათისა.

მოგეხსენებათ, ქიმიის ძირითადი ცნებები და ობიექტებია ატომი და მოლეკულა. ატომი არის ქიმიური ელემენტის უმცირესი ნაწილაკი, რომელიც მისი თვისებების მატარებელია. ქიმიური ელემენტი, თავის მხრივ, შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ატომის ტიპი, რომელიც ხასიათდება გარკვეული თვისებების კომპლექტით და მითითებულია გარკვეული სიმბოლოთი. ატომების კავშირები ქიმიური ობლიგაციებით ქმნიან მოლეკულებს. მოლეკულები არის ნივთიერების უმცირესი ნაწილაკები, რომლებსაც აქვთ მისი ძირითადი ქიმიური თვისებები.

ცნობილია მხოლოდ 100 ტიპის ატომზე ცოტა მეტი, ე.ი. იმდენი, რამდენიც ქიმიური ელემენტები. მაგრამ არსებობს 18 მილიონზე მეტი მოლეკულა.ასეთი მდიდარი მრავალფეროვნება განისაზღვრება ორი გარემოებით. პირველ რიგში, იმით, რომ თითქმის ყველა ტიპის ატომს, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, შეუძლიათ მოლეკულებში გაერთიანება. და მეორეც, ის ფაქტი, რომ მოლეკულები შეიძლება შეიცავდეს ატომების სხვადასხვა რაოდენობას. ამრიგად, კეთილშობილი აირების მოლეკულები არის ერთატომური, ნივთიერებების მოლეკულები, როგორიცაა წყალბადი, აზოტი, არის დიატომიური, წყალი არის ტრიატომური და ა. ყველაზე რთული ნივთიერებების - უმაღლესი ცილების და ნუკლეინის მჟავების - მოლეკულები აგებულია რამდენიმე ატომისგან, რომელიც იზომება ასობით ათასით (მაკრომოლეკულები). მოლეკულაში ატომები დაკავშირებულია ერთმანეთთან გარკვეული თანმიმდევრობით და განლაგებულია გარკვეული გზით სივრცეში. ასევე მნიშვნელოვანია, რომ ატომების ერთი და იგივე შემადგენლობის ასეთი თანმიმდევრობები და სივრცითი მოწყობა შეიძლება იყოს განსხვავებული. ამრიგად, ქიმიური ელემენტების შედარებით მცირე რაოდენობით, სხვადასხვა ქიმიური ნივთიერებების რაოდენობა ძალიან დიდია.

კვანტური ქიმია არის თანამედროვე ქიმიის ფილიალი, რომელშიც კვანტური მექანიკის და სტატისტიკური ფიზიკის პრინციპები და ცნებები გამოიყენება ატომების, მოლეკულების და სხვა ქიმიური ობიექტებისა და პროცესების შესასწავლად. კვანტური ქიმიის ძირითადი მეთოდია შრედინგერის განტოლების გამოყენება ატომებსა და მოლეკულებზე. ამ შემთხვევაში მხედველობაში მიიღება სისტემის შემადგენელი ნაწილაკების ყველა სახის ენერგია (კინეტიკური, ატომის ბირთვებისა და ელექტრონების ურთიერთქმედების ენერგია, გარე ველებთან ურთიერთქმედების ენერგია). ასეთი განტოლების ამოხსნა განსაზღვრავს ψ ტალღის ფუნქციების მნიშვნელობებს, გვაწვდის ცოდნას სისტემის მთლიანი ენერგიისა და მისი მდგომარეობების შესახებ, მათ დამოკიდებულებას სივრცით კოორდინატებზე, ნაწილაკების სპინის მახასიათებლებზე და ა.შ. ეს ყველაფერი პრინციპში იძლევა საშუალებას, სისტემის რაოდენობრივი მახასიათებლების (ატომი, მოლეკულა და სხვ.) დადგენა. ამავდროულად, მათემატიკური მხარე აქ საკმაოდ რთულია, ამიტომ ზუსტი ამონახსნები შესაძლებელია მხოლოდ უმარტივესი სისტემისთვის - წყალბადის ატომისთვის. მიახლოებითი მეთოდები და შრომატევადი გამოთვლები გამოიყენება უფრო რთული სისტემების თეორიულად აღწერისთვის. კომპიუტერების გამოყენებამ შესაძლებელი გახადა ატომური, მოლეკულური სისტემების, გააქტიურებული კომპლექსების სისტემების და ა.შ. გამოთვლების მიღება საკმაოდ საკმარისი სიზუსტით მათი ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებლების - სპექტრების, გეომეტრიული აგებულების, ფიზიკური და ქიმიური თვისებების პროგნოზირებისთვის. ბოლო ათწლეულების განმავლობაში, ქიმიაში კვანტურმა მიდგომებმა შესაძლებელი გახადა კიდევ უფრო რთული პრობლემების გადაჭრა, უპირველეს ყოვლისა, დაკავშირებული სისტემების ანალიზთან, რომლებიც იცვლება დროთა განმავლობაში (ქიმიური რეაქციების, დაშლის, სინათლის შთანთქმის და გამოსხივების დროს და ა.შ.).

თავიმე.1.

შესავალი კვანტურ ქიმიაში

კვანტური ქიმია არის მეცნიერება, რომელიც სწავლობს მოლეკულებსა და მყარ სხეულებში ქიმიური კავშირის ბუნებას. სამწუხაროდ, ქიმიკოსთა დიდი უმრავლესობა ამჟამად ვერ აცნობიერებს ქიმიური ბმის პარადოქსულ ხასიათს.

უპირველეს ყოვლისა, ატომების მოლეკულებთან და მყარ სხეულებთან შეკავშირების ბუნება, რომელიც ხშირ შემთხვევაში განხილულია, არ არის ნათელი, რადგან ფიზიკა, ისევე როგორც ქიმია, ფაქტობრივად არ ხაზს უსვამს რაიმე სპეციფიკურ ურთიერთქმედებას, რომელიც პასუხისმგებელია ქიმიურ კავშირზე. უფრო მეტიც, თუ რაციონალურად ვიფიქრებთ, ატომები ვერ შექმნიან უფრო რთულ სტრუქტურებს, როგორიცაა მოლეკულები და მყარი! მართლაც, თუ მოლეკულები და მყარი ნივთიერებები შედგება უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებისაგან და დადებითად დამუხტული ბირთვებისგან, მაშინ ერთი შეხედვით, ნებისმიერი ნივთიერება (ისევე როგორც არსებები - მაგალითად, მე და შენ) პრინციპში ვერ იარსებებს: მიუხედავად იმისა, რომ ბირთვები და ელექტრონები იზიდავს. ერთმანეთის მიმართ ყველა ბირთვი დადებითად არის დამუხტული, რაც იმას ნიშნავს, რომ ისინი მოგერიებენ ერთმანეთს, რაც იმას ნიშნავს, რომ ისინი მიდრეკილნი არიან დაშორდნენ რაც შეიძლება შორს ერთმანეთისგან, ელექტრონები ასევე უნდა მოიქცნენ ანალოგიურად.

ამრიგად, ჩვენ ვხედავთ, რომ ბირთვებსა და ელექტრონებს შორის მიზიდულობის ძალას დაუყოვნებლივ ეწინააღმდეგება ბირთვების და ელექტრონების ელექტროსტატიკური მოგერიების ორი „შავი“ ძალა ერთმანეთისგან. ამრიგად, საღი აზრი უარყოფს ნებისმიერი სირთულის მოლეკულურ სხეულებს არსებობის უფლებას.

ახლა ჩავატაროთ სააზროვნო ექსპერიმენტი: წარმოიდგინეთ, რომ ამ დაფაზე სამი მუხტი მივამაგრეთ - ორი დადებითი, მანძილზე 2ა და ერთი უარყოფითი - მხოლოდ მათ შორის შუაში. მოდით ახლა ჩამოვწეროთ ამ სისტემისთვის კარგად ცნობილი კულონის კანონი:

ამრიგად, ჩვენ ვხედავთ, რომ ასეთი მარტივი სისტემისთვის, მათ შორის ორი დადებითი მუხტისა და ერთი უარყოფითი, მათ შორის კულონის მიზიდულობის ძალები რვაჯერ აღემატება კულონის მოგერიების ძალებს. ეს არის ყველაზე უხეში იდეა მოლეკულურ სისტემებში ბირთვებისა და ელექტრონების შეერთების შესახებ.

სინამდვილეში, როგორც მოგვიანებით დავინახავთ, ქიმიური კავშირის ბუნება გაცილებით რთულია. ეს გამოწვეულია იმით, რომ როგორც ბირთვები, ასევე ელექტრონები არის მიკრონაწილაკები, რომელთა ქცევის კანონები მნიშვნელოვნად უფრო რთულია, ვიდრე კლასიკური მექანიკის კანონები. უპირველეს ყოვლისა, ატომებსა და მოლეკულებში ელექტრონები არ იქცევიან ნაწილაკების მსგავსად; მათი ქცევა გარკვეულწილად მსგავსია დამუხტული აირის ქცევას. როგორც ზემოაღნიშნული ფორმულებიდან დავინახეთ, სისტემა, რომელიც შედგება სამი წერტილის მუხტისაგან, არასტაბილურია - ის მიდრეკილია ერთმანეთთან მიმაგრებისკენ. მოლეკულები ასე არ იქცევიან იმის გამო, რომ ელექტრონული გაზი არ შეიძლება კონცენტრირებული იყოს ზუსტად შუაში ბირთვებს შორის, მაგრამ დიფუზირებულია მოლეკულის მთელ მოცულობაში და, შესაბამისად, მთელი სისტემა ვერ იკვრება, როგორც ეს უნდა მოხდეს ქულების გადასახადის საქმე. მიკროსამყაროსა და მაკროსამყაროს შორის სხვა განსხვავებებს მოგვიანებით შევეხებით.

ამჟამად კვანტური ქიმია არის ქიმიის ყველა დარგის თეორიული საფუძველი - ორგანული და არაორგანული, ფიზიკური ქიმია, სხვადასხვა სახის სპექტროსკოპია და ა.შ. კვანტური ქიმია წარმატებით წყვეტს ბევრ მეცნიერულ პრობლემას - სპექტროსკოპიის მრავალ სახეობასთან ერთად, გამოიყენება მატერიის სტრუქტურის შესასწავლად, ქიმიური რეაქციების მექანიზმების შესასწავლად, მათ შორის ზედაპირზე, ბიოლოგიურ და ბიოლოგიურად აქტიური ნივთიერებების შესასწავლად, სასარგებლო ან სასარგებლო ნივთიერებების შესასწავლად. რომელთა ლეტალური თვისებები ხშირად თუ არა თითქმის ყოველთვის ასოცირდება მათ ატომურ და ელექტრონულ სტრუქტურასთან, ახალი უაღრესად პერსპექტიული მასალების სტრუქტურის შესწავლა, როგორიცაა, მაგალითად, მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარები, ელემენტარული ნახშირბადის ფორმები, გარდამავალი ლითონის კომპლექსები, დინამიური. ატომებისა და იონების თვისებები სხვადასხვა კრისტალურ და მოლეკულურ სტრუქტურაში და ბევრი, ბევრად მეტი.

კვანტური ქიმიის მეთოდების გამოყენების შედეგია ინფორმაცია ელექტრონული მდგომარეობების სიმკვრივის, ელექტრონის სიმკვრივის განაწილების, პოტენციური რეაქციის ზედაპირების და გადაწყობის ბარიერების შესახებ, სხვადასხვა სპექტროსკოპიული სიდიდის გამოთვლას, როგორიცაა ვიბრაციული სპექტრები, ელექტრონული და რენტგენის სპექტრები, ოპტიკური სპექტრები, პარამეტრები. ბირთვული და ელექტრონული მაგნიტურ-რეზონანსული სპექტრის.

ამჟამად კვანტური ქიმია არის ალბათ ყველაზე იაფი, ყველაზე ხელმისაწვდომი და უნივერსალური მეთოდი მატერიის ატომური და ელექტრონული სტრუქტურების შესასწავლად. მართალია, უნდა გვესმოდეს, რომ კაცობრიობა, თუმცა, არ შეუძლია მთლიანად მიატოვოს მატერიის შესწავლის ძვირადღირებული ექსპერიმენტული მეთოდები, რადგან კვანტური ქიმიური კვლევის შედეგები უნდა დადასტურდეს ძირითადი ექსპერიმენტებით.

უნდა აღინიშნოს, რომ ექსპერიმენტულ მეთოდებსა და თეორიულ კვანტურ ქიმიურ მეთოდებს შორის არის ერთი მნიშვნელოვანი განსხვავება: თუ კვანტური ქიმიისა და მოლეკულური მექანიკის მეთოდებს შეუძლიათ თანაბრად წარმატებით შეისწავლონ როგორც რეალური, ისე ჰიპოთეტური სტრუქტურები, მაშინ ექსპერიმენტში შესაძლებელია შესწავლა. მხოლოდ ეს ნამდვილად არსებობს. ამრიგად, ტეტრაედრანის მოლეკულის გაანგარიშება შეიძლება განხორციელდეს ისევე მარტივად, როგორც ბუტანის მოლეკულის მსგავსი გამოთვლა, ხოლო ტეტრაედრანის ექსპერიმენტულად შესწავლა შეუძლებელია, რადგან ის ჯერ კიდევ არ არის მიღებული მისი სუფთა სახით (ცნობილია მხოლოდ მისი წარმოებულები - ტეტრა-ტერტ-ბუტილი).

მიუხედავად ამისა, აუცილებელია აღინიშნოს კვანტური ქიმიკოსების არაერთი ბრწყინვალე თეორიული პროგნოზი ბოლო წლების განმავლობაში - ბოჩვარისა და ჰალპერნის ნაშრომი, რომლებმაც თეორიულად იწინასწარმეტყველეს ფულერენი და გამოთვალეს მისი ელექტრონული სტრუქტურა, კორნილოვი, რომელმაც იწინასწარმეტყველა ნანომილები. ოცი წლის შემდეგ ეს სტრუქტურები ექსპერიმენტულად აღმოაჩინეს ჯერ ვარსკვლავთშორისი გაზის ულტრაიისფერი სპექტრიდან, შემდეგ კი ლაბორატორიაში სინთეზირებული. 1996 წელს ამ ნაშრომისთვის კრეჩმერს და სმილის მიენიჭათ ნობელის პრემია ქიმიაში.

თუმცა, სხვა კვანტურ ქიმიკოსებსაც მიენიჭათ ნობელის პრემიები - პაულინგი - ჰიბრიდიზაციის თეორიისთვის და ჰოფმანი - ზედა შევსებული და ქვედა ვაკანტური ორბიტალების თეორიისთვის. ამ ლამაზ და უაღრესად მნიშვნელოვან ხედებს ქიმიკოსებისთვის მოგვიანებით დეტალურად განვიხილავთ.

ამჟამად, კვანტური ქიმიის თეორიული მოდელები და მეთოდები, 50-70 წელთან შედარებით, როდესაც ზემოაღნიშნული სამუშაოები კეთდებოდა, მკვეთრად გართულდა. ამჟამად, თანამედროვე ელემენტარულ ბაზაზე თანამედროვე კვანტური ქიმიური პროგრამები საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ უნიკალური ობიექტები, როგორიცაა ცილები, ელემენტარული ნახშირბადის ფორმები, მათ შორის ასობით და ათასობით ატომები, მოლეკულები და მყარი ნივთიერებები, რომლებიც მოიცავს გარდამავალი ელემენტების ატომებს, ლანთანიდებს და აქტინიდებს.

თუმცა, კვანტური ქიმიის მეთოდები სწრაფად იაფდება. ეს, უპირველეს ყოვლისა, განპირობებულია კომპიუტერული ტექნოლოგიების ელემენტარული ბაზის პროგრესით. შეადარეთ - თანამედროვე სინქროტრონები - ელექტრონების, პროტონების, რენტგენის და ულტრაიისფერი სინქროტრონის გამოსხივების წყაროები რამდენიმე მილიარდი დოლარი ღირს, ხოლო მასობრივი წარმოების კომპიუტერები - რამდენიმე ათასი დოლარი, სამუშაო სადგურები - ათიათასობით და, უკიდურეს შემთხვევაში, დიდი სუპერკომპიუტერები - მდე. მილიონი დოლარი.

თუმცა, ამჟამად, გამოთვლების დიდი უმრავლესობა მიზნად ისახავს დამატებითი ინფორმაციის მიღებას უკვე ცნობილი და რეალურად არსებული ობიექტების შესახებ. მაგრამ ამ გარემოების გათვალისწინებითაც კი, თეორიული მეთოდების საინფორმაციო შინაარსი საგრძნობლად მაღალია! შესაძლებელია თუ არა ერთ ექსპერიმენტში წონასწორული ატომური სტრუქტურის, დიპოლური მომენტის, წარმოქმნის სითბოს, იონიზაციის პოტენციალის, მუხტის განაწილების, ბმის რიგების, სპინის სიმკვრივის და ნივთიერების სპექტროსკოპული მახასიათებლების მიღება? რა თქმა უნდა, არსებობს გარკვეული შეზღუდვა მიღებული შედეგების სანდოობაზე, მაგრამ ცნობილია კვანტური ქიმიის მეთოდების შეზღუდვები, რაც ხშირ შემთხვევაში საშუალებას იძლევა რეალურად შეაფასოს მათი სიზუსტე და ადეკვატურობა. რიგ შემთხვევებში მიღებული კვანტური ქიმიური მონაცემების სანდოობა ექსპერიმენტულ მონაცემებთან შედარებით უფრო მაღალია. ამრიგად, პოლიციკლური ალკანის წარმოქმნის სითბოს ექსპერიმენტული განსაზღვრა არის ხანგრძლივი, ძვირი, რთული და მრავალსაფეხურიანი პროცედურა, ხოლო გამოთვლას რამდენიმე წამი დასჭირდება იაფფასიან კომპიუტერზე და სიზუსტე კიდევ უფრო მაღალი იქნება, ვიდრე ექსპერიმენტი!

თუმცა, აშკარაა, რომ ეს იშვიათი შემთხვევაა. უმეტეს შემთხვევაში, შედეგების ხარისხი დიდწილად განისაზღვრება არჩეული მოდელის ადეკვატურობით. მაგალითია წყალბადის მოლეკულის პოტენციალის წარმოქმნის/დისოციაციის მრუდის შესწავლა.

პირველი მრუდი მიიღება, როდესაც სინგლი აირჩევა სისტემის ტალღურ ფუნქციად, ე.ი. როდესაც ელექტრონის სპინები ანტიპარალელულია. როგორც ვხედავთ, ეს ტალღური ფუნქცია კარგად აღწერს ექსპერიმენტულ მრუდს მხოლოდ მისი მინიმუმის რეგიონში. მეორე პოტენციალის მრუდი შეესაბამება სამმაგი ტალღის ფუნქციას (სპინები პარალელურია). როგორც ვხედავთ, ის მხოლოდ კარგად აღწერს დისოციაციის ზღვარს წყალბადის ატომებთან, რომლებიც პრაქტიკულად არ ურთიერთობენ. როგორც ვხედავთ, რეალური სისტემა უნდა იქნას შესწავლილი ტალღური ფუნქციის გამოყენებით, რომელიც აგებულია სინგლისა და სამეულისგან.

ქიმიკოსის თვალსაზრისით წარმოდგენილი რეაქცია უნიკალურია - ატომური წყალბადის რეკომბინაცია რკინის ზედაპირზე არის „ყველაზე ცხელი“ ქიმიური რეაქცია, რომლის დროსაც შესაძლებელია ათი ათასი გრადუსის მიღწევა!

როგორც ზემოთ აღინიშნა, კვანტური ქიმია ემყარება კვანტური მექანიკის კანონებს, რომლებიც აღწერს მიკრონაწილაკების ქცევას. მიკროსამყაროს ბუნება მნიშვნელოვნად განსხვავდება მაკროსამყაროს ბუნებისგან. ამის გაცნობიერება კაცობრიობამ გასული საუკუნის ბოლოს - ამ საუკუნის დასაწყისში დაიწყო. სწორედ ამ დროს დაიწყო ატომიზმის „არაკლასიკური“ (ანუ ძველი ბერძნული) დოქტრინის განვითარება და ცნობილი გახდა ზოგიერთი მოლეკულისა და მყარი ნივთიერების სტრუქტურა. ცხადი გახდა, რომ არსებობს ფუნდამენტური განსხვავება მეტალებს შორის, რომლებსაც აქვთ თავისუფალი ელექტრონები და დიელექტრიკებს შორის, რომლებსაც ისინი არ აქვთ.

თავის მხრივ, ცნობილი გახდა ელექტრონის მუხტი, რომელიც უდრის -4,77 * 10 -23 CGSE, მისი მასა - 9,1066 * 10 -28 გ, წყალბადის ატომის მასა - 1,6734 * 10 -24 გ და მრავალი სხვა რამ. .

შემდეგ ვარაუდობდნენ, რომ მიკროობიექტები შეიძლება აღწერილი იყოს კლასიკური მექანიკით სტატისტიკასთან ერთად. მაგალითად, შეიქმნა სითბოს მოლეკულური კინეტიკური თეორია, რომელიც კარგად აღწერდა დაკვირვებულ რიგ ფენომენს.

მატერიისგან განსხვავებით, სინათლე წარმოდგენილი იყო როგორც სპეციფიკური მატერია, რომელიც განუწყვეტლივ ნაწილდება სივრცის გარკვეულ რეგიონში. სინათლის დიფრაქციის ექსპერიმენტებმა გამოავლინა მისი ტალღური თვისებები, ხოლო მაქსველის ელექტრომაგნიტურმა თეორიამ გამოავლინა სინათლის, რადიოტალღების და რენტგენის ბუნების ერთიანობა. იმ დროს ითვლებოდა, რომ მატერიაშიც და რადიაციაშიც დაფიქსირებული ყველა ცვლილება უწყვეტი იყო - ნაწილაკების ენერგია, ტრაექტორია, ყველა მახასიათებელი მკვეთრად კი არ იცვლებოდა, არამედ განუწყვეტლივ. მატერიასთან სინათლის ურთიერთქმედების კლასიკური კონცეფცია ასევე აგებული იყო უწყვეტობის პრინციპზე. სინათლის შთანთქმა წარმოადგენდა ნივთიერების მიერ ელექტრომაგნიტური ველის „შეწოვით“ და ემისია წარმოდგენილი იყო შესაბამისად „გადინებით“. მაკროსკოპული სხეულების ექსპერიმენტებიდან ცნობილია, რომ არათანაბრად მოძრავი დამუხტული სხეული ასხივებს ელექტრომაგნიტურ ტალღებს, თანდათან კარგავს ენერგიას.

თუმცა, მალევე იქნა აღმოჩენილი არაერთი გაუგებარი ეფექტი, რომელიც ვერანაირად ვერ აიხსნება კლასიკური მექანიკისა და ელექტროდინამიკის თვალსაზრისით. ამრიგად, დაბალ ტემპერატურაზე კრისტალების თბოტევადობის ქცევა გაურკვეველი აღმოჩნდა; გაუგებარია, რატომ არ უწყობს ხელს თავისუფალი ელექტრონები მეტალების თბოტევადობას; საბოლოოდ, მკვეთრი შეუსაბამობა დადგინდა ექსპერიმენტულ და თეორიულ სურათებს შორის. ატომების თერმული გამოსხივების სპექტრი („ულტრაიისფერი“ და „ინფრაწითელი“ კატასტროფები).

"ულტრაიისფერი" კატასტროფის ასახსნელად, პლანკმა 1900 წელს წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომ სინათლე გამოიყოფა/შეიწოვება დისკრეტულ ნაწილებად - კვანტებად. კვანტის ენერგია დაკავშირებულია მის სიხშირესთან შემდეგი ფორმულის მიხედვით:

სად თ = 1.05*10 -27 erg*sec- პლანკის მუდმივი, - ციკლური სიხშირე უდრის 2 გვ ნ და ხაზოვანი სიხშირენ =1/ტ, სად თ- რხევის პერიოდი. გასაოცარი ფაქტი - პლანკს სიცოცხლის ბოლომდე არ სჯეროდა საკუთარი ჰიპოთეზის რევოლუციურ ბუნებასა და ეფექტურობას და მას უბრალოდ ერთგვარ ცნობისმოყვარეობად თვლიდა.

მაგრამ შემდეგ ყველაფერი კიდევ უფრო გაუარესდა! აინშტაინი, ეყრდნობოდა პლანკის იდეებს, ვარაუდობდა, რომ სინათლე არა მხოლოდ შეიწოვება და გამოიყოფა ნაწილებად, არამედ ვრცელდება მსგავსი კვანტებით. სინათლის კვანტს ეწოდა ფოტონი, რომლის თვისებები შეისწავლეს ვავილოვის დახვეწილ ექსპერიმენტებში. მოგვიანებით შემოგვთავაზეს ტალღური პაკეტის მოდელი, რომელიც ხარისხობრივად ხსნის ფოტონების ქცევას, კერძოდ ფოტოელექტრიკულ ეფექტს. მოგვიანებით კომპტონის ეფექტი აღმოაჩინეს ფოტონების მიერ ელექტრონების ელასტიური გაფანტვით

ყველა ამ ექსპერიმენტიდან დასკვნა ერთი შეხედვით უცნაური იყო - ფოტონს შეუძლია მოიქცეს როგორც ნაწილაკად, ასევე ტალღად.

შემდეგ მსგავსი შედეგები იქნა მიღებული ელექტრონებისთვის. ამრიგად, ფრენკმა და ჰერცმა გაზომეს ელექტრული დენი ვერცხლისწყლის ორთქლში. ექსპერიმენტის სქემა ასეთი იყო: ვერცხლისწყლის ორთქლში გადიოდა ელექტრონების ნაკადი, რომლის სიჩქარე და, შესაბამისად, ენერგია თანდათან იზრდებოდა. გარკვეულ დრომდე, ელექტრონები, რომლებიც ეჯახება ვერცხლისწყლის ატომებს, თითქმის არ კარგავენ ენერგიას, ანუ ზემოქმედება ელასტიურია, ასე რომ, ელექტრული დენი შეესაბამება ოჰმის კანონს, დაახლოებით ტოლია გამოყენებული პოტენციური სხვაობის. როდესაც ელექტრონის ენერგია ხდება 4,9 ევ-ის ტოლი, დენი მკვეთრად ეცემა. ეს იმიტომ ხდება, რომ ელექტრონი კარგავს ენერგიას ვერცხლისწყლის ატომთან შეჯახებისას, რაც ამაღელვებს მას. ამრიგად, აღაგზნებს ვერცხლისწყლის ატომს მასზე 4,9 ევ-ზე ნაკლები ენერგიის გადაცემით. შეუძლებელია. თუმცა აღმოჩნდა, რომ აგზნება არ ხდება მაშინაც კი, როცა ელექტრონის ენერგია 4,9 ევ-ზე მეტია.

ატომების შესაძლო მდგომარეობების დისკრეტულობაზე ასევე მიუთითებს შტერნისა და გერლახის ექსპერიმენტი, რომლის დროსაც მაგნიტური მომენტის მქონე ატომების სხივი მიმართულია არაერთგვაროვან მაგნიტურ ველში, რაც ატომს სწორი გზიდან გადახრის. რომ გადახრის კუთხე დამოკიდებულია ატომის მაგნიტური მომენტის ორიენტაციაზე ველთან მიმართებაში. კლასიკური ფიზიკის თვალსაზრისით, ველში ატომის მაგნიტური მომენტის ნებისმიერი ორიენტაცია შესაძლებელია, ამიტომ, როდესაც ის ეკრანზე მოხვდება მაგნიტური ველის გავლის შემდეგ, უნდა გამოჩნდეს ბუნდოვანი ლაქა, რომელიც შეესაბამება სურათს. ჭრილი, რომელიც ზღუდავს ნაკადს ბილიკის დასაწყისში. რეალურად შეიმჩნევა ჭრილის ორი მკვეთრი გამოსახულება, ე.ი. სხივი დაყოფილია ორ (ზოგადად, რამდენიმე) ნაწილად. ეს შეიძლება აიხსნას იმით, რომ მაგნიტური მომენტი იძენს მხოლოდ მკაცრად განსაზღვრულ მნიშვნელობებს, შესაბამისად, ატომის მაგნიტური მდგომარეობები დისკრეტულია.

თუმცა, ყველაზე გასაოცარი ფაქტი, რომელიც ეწინააღმდეგება კლასიკური ფიზიკის კანონებს, ატომების არსებობა აღმოჩნდა. რეზერფორდის ექსპერიმენტში პირველად შეიქმნა ატომის ბირთვული მოდელი: ცენტრში არის ძალიან პატარა ბირთვი (10-13 სმ), რომელსაც აქვს დადებითი მუხტი. +ზე , და ირგვლივ არიან ზუარყოფითად დამუხტული ელექტრონები ავსებენ ატომის სივრცეს (10 -8 სმ).

ამ სურათის პირველი წინააღმდეგობა შემდეგი იყო: ელექტროენერგიის თეორიის მიხედვით, მუხტების სტაციონარული სისტემა არ შეიძლება იყოს სტაბილური. თუ ვივარაუდებთ, რომ ელექტრონები ბრუნავენ ბირთვის ირგვლივ, მაშინ, აჩქარებით მოძრაობენ, მათ მუდმივად უნდა ასხივონ ელექტრომაგნიტური გამოსხივება, დაკარგონ ენერგია და, საბოლოოდ, დაეცეს ბირთვს.

კიდევ ერთი გამოცდილება, რომელიც ეწინააღმდეგებოდა მსოფლიოს ტრადიციულ სურათს, იყო ფოტოელექტრული ეფექტი - ნივთიერების იონიზაციის ენერგიის ზღვრული მნიშვნელობა და ეს აშკარად მიუთითებს თავად ელექტრონების კორპუსკულურ ბუნებაზე.

მეორე მხრივ, მოიპოვეს უტყუარი მტკიცებულება, რომ ელექტრონი არის ტალღა! ეს იყო ექსპერიმენტები ელექტრონების ჩარევაზე.

ატომების სპექტრები, რომლებიც შედგება ცალკეული ხაზებისგან, რომლებიც შეესაბამება გარკვეული აგზნების სიხშირეებს, ასევე გაუგებარი აღმოჩნდა კლასიკური თვალსაზრისით. უმარტივესი სპექტრები არის წყალბადის და წყალბადის მსგავსი ატომები, რომელთა სიხშირეები აღწერილია ფორმულით:

ვ = კონსტ z 2 (1/nk 2 - 1/n m 2)

არცერთ კლასიკურ მოდელს არ შეეძლო აეხსნა ატომური სპექტრის ეს ფორმა.

1913 წელს ნილს ბორმა შემოგვთავაზა ატომის პირველი არაკლასიკური მოდელი, ბორის ატომური მოდელი. ამ მოდელში ელექტრონები ითვლებოდა სხეულებად, რომლებსაც გააჩნიათ საოცარი თვისებები, რომლებიც განსაზღვრული იყო მოდელის პოსტულატებში:

1. ელექტრონები შეიძლება იყოს მხოლოდ მკაცრად განსაზღვრულ ორბიტებში - სტაციონარული ორბიტები, ხოლო ატომი არ შთანთქავს და არ ასხივებს სინათლეს.

2. ელექტრონების გადასვლა შესაძლებელია მხოლოდ ერთი სტაციონარული ორბიტიდან მეორეზე.

ამ მოდელს მაშინვე მოჰყვა ბევრი მნიშვნელოვანი შედეგი: ასე მიიღეს კვანტური რიცხვები, რომელთა დახმარებით შესაძლებელი გახდა ატომების ხაზის სპექტრების, ატომების მაგნიტური მომენტების აღწერა და ორბიტების რადიუსის და ბრუნვის სიჩქარის შეფასება. ელექტრონები მათზე. როგორც მოგვიანებით დავინახავთ, ბორის მოდელში პირველად მიღებულ კვანტურ რიცხვებს აქვთ მკაფიო ფიზიკური მნიშვნელობა.

თუმცა, მონოვალენტური ატომის მომენტის მნიშვნელობა არ შეესაბამებოდა ამ სურათს. მაშასადამე, ჯულენბეკმა და გუდსმიტმა ვარაუდობენ, რომ ატომის მაგნიტური მომენტის შექმნისას მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ელექტრონის საკუთარი მომენტი, რომელიც წარმოიქმნება იმის გამო, რომ ელექტრონი, როგორც დამუხტული ბურთი, ბრუნავს თავისი ღერძის გარშემო. რომელთაგან ის ავითარებს მექანიკურ და მაგნიტურ მომენტებს.

რა თქმა უნდა, ბორის ატომური მოდელი ვერ ხსნიდა უფრო რთული, წყალბადის მსგავსი ატომების სტრუქტურას.ახლა ეს კეთდება კვანტური მექანიკის ფარგლებში, შრედინგერის განტოლების ამოხსნა ბირთვებისა და ელექტრონების სისტემებისთვის. თუმცა, მიუხედავად ამისა, ქიმიკოსები ხშირად წარმატებით იყენებენ სხვა მარტივ მოდელის მიდგომას, რომელიც დაფუძნებულია ქიმიური კავშირის ტრადიციულ სურათზე - მოლეკულურ მექანიკაზე.

ამ მიდგომით, ქიმიური ბმა ითვლება ზამბარად, რომელიც შეიძლება იყოს დაჭიმული ან შეკუმშული, ხოლო მოლეკულა ითვლება ატომების კრებულად. ახლა არსებობს მრავალი ემპირიული გზა ქიმიური ბმის თვისებების დასაზუსტებლად - ე.წ. ვალენტური ველები. ზოგადად, მოლეკულური მექანიკა ეძებს მინიმალურ ენერგიას პოტენციური მრუდების გამოყენებით, როგორიცაა მორზეს მრუდი და ჰუკის კანონი. ასეთი მიდგომები ასევე ითვალისწინებს კუთხური დეფორმაციების პოტენციალს, რომლებიც, როგორც წესი, არჩეულია კვადრატული ფორმით. ამ მიდგომაში შედის ორივე ტორსიონის ფუნქციები და ვან დერ ვაალსის ტიპის ურთიერთქმედებები. ყველა ამ პოტენციური ფუნქციის გამოყენებით, იპოვება სისტემის ენერგია და შემდეგ მოიძებნება კონფიგურაცია ყველაზე დაბალი ენერგიით, ოპტიმიზირებულია პრობლემა 3n-6 კოორდინატების გასწვრივ. ამ მიდგომით, მოლეკულების სტრუქტურა და მყარი ფრაგმენტები, წარმოქმნის სითბო და სტერული სტრესის ენერგია ხშირად კარგი სიზუსტით არის მიღებული.

ეს და სხვა მიდგომები ამჟამად დანერგილია კომპიუტერული პროგრამების ერთობლიობაში, რომლებსაც მოგვიანებით განვიხილავთ.

კვანტური ქიმიის ძირითადი პრინციპები.

კვანტური ქიმიის პირველი იდეა: ა) მატერია დისკრეტულად; ბ) ენერგია კვანტური.

კვანტური ქიმიის მე-2 იდეა: ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა.

კვანტური ქიმიის მე-3 იდეა: სავარაუდომიკროსამყაროს კანონების ბუნება.

1. დისკრეტულობა- ნივთიერება შედგება ინდივიდუალური მიკრონაწილაკებისგან. სწორედ ამ ნაწილაკებს სწავლობს კვანტური ქიმია. ენერგიის კვანტიზაციის იდეა, რომელიც დაფუძნებულია გაცხელებული სხეულების ემისიის სპექტრებზე, წამოაყენა პლანკმა.

2. ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა. მიკრონაწილაკებს მიკროკოსმოსში აქვთ როგორც ნაწილაკების, ასევე ტალღის თვისებები.

ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა პირველად იყო შემოთავაზებული სინათლისთვის (ელექტრომაგნიტური გამოსხივება). ერთის მხრივ, სინათლე არის ელექტრომაგნიტური ტალღა და ხასიათდება ისეთი თვისებებით, როგორიცაა ჩარევა და დიფრაქცია, ხოლო მეორეს მხრივ, ფოტოელექტრული ეფექტის ფენომენზე დაკვირვებისას, ვარაუდობდნენ, რომ სინათლე არის ნაწილაკების ნაკადი - ფოტონები. ფოტონის მასაც კი გაზომეს. ფოტონის ენერგია არის mc2.

ელექტრონს ასევე აქვს ორმაგი ბუნება: ერთის მხრივ, ის არის გარკვეული მასის და სიჩქარის მქონე ნაწილაკი, მეორე მხრივ, ელექტრონს შეუძლია ტალღის მსგავსად მოიქცეს. ელექტრონების ნაკადისთვის აღმოაჩინეს ჩარევისა და დიფრაქციის თვისებები.

ელექტრონოგრაფია- მატერიის სტრუქტურის შესწავლის მეთოდი, რომელიც ეფუძნება ელექტრონის ნაკადის ტალღურ თვისებებს.

კორპუსკულური და ტალღური თვისებების დამაკავშირებელი განტოლება არის დე ბროლის განტოლება.

E = mc 2; E = hn = თ; mc 2 = სთ; სადაც l არის ტალღის სიგრძე, c არის სინათლის სიჩქარე, m არის ფოტონის მასა.

- დე ბროლის განტოლება სინათლის ტალღისთვის.

ელექტრონისთვის, დე ბროლის განტოლებას აქვს ფორმა:

სადაც u არის ელექტრონის სიჩქარე. როდესაც u ® ¥, l ® 0, l = , n ® ¥.

3. სავარაუდომიკროსამყაროს კანონების ბუნება.

1927 წელს ჰაიზენბერგმა წამოაყენა გაურკვევლობის პრინციპი; ამ პრინციპის მიხედვით შეუძლებელია ნაწილაკების მდებარეობისა და იმპულსის ზუსტად განსაზღვრა მოცემულ დროს.

სადაც Dp x არის იმპულსური შეცდომა X ღერძის გასწვრივ, Dx არის კოორდინატთა შეცდომა, არის მოქმედების კვანტი - მუდმივი.

მოდით Dp x ® 0, შემდეგ Dx ® ¥, რადგან და პირიქით, თუ Dx ® 0,

Შენიშვნა. ეს გაურკვევლობა არ არის გამოწვეული ინსტრუმენტების უზუსტობით; ეს არის ელექტრონის ბუნების შედეგი.

გაურკვევლობის პრინციპის შედეგები:

1. ატომში ელექტრონების მოძრაობა არის მოძრაობა ტრაექტორიის გარეშე, ამიტომ ბორის მიერ წამოყენებული „ორბიტის“ ცნება ამჟამად არ არის მიღებული, ე.ი. შეიძლება მხოლოდ სხვადასხვა ხარისხის ალბათობით საუბარი ელექტრონის მდებარეობის შესახებ ბირთვიდან გარკვეულ მანძილზე.

2. გაურკვევლობის პრინციპიდან გამომდინარე, შეიძლება აიხსნას, რატომ არ ეცემა ელექტრონი ბირთვზე.

მიკრონაწილაკების მოძრაობის კანონები კვანტურ ქიმიაში გამოიხატება შროდინგერის განტოლებით, რომელიც გამოიყენა ტალღის ფუნქცია y სამგანზომილებიან სივრცეში ელექტრონის მოძრაობის აღსაწერად.

;

, სადაც Ñ არის „ნაბლა“ ოპერატორი, y არის ტალღის ფუნქცია, E არის მთლიანი ენერგია, E p არის პოტენციური ენერგია, (E - E p) არის კინეტიკური ენერგია.

y 2 dV - ელექტრონის პოვნის ალბათობა ელემენტარულ მოცულობაში dV.

პოლარული კოორდინატთა სისტემაში შრედენგერის განტოლების ამოხსნით 3 დამოუკიდებელი სიდიდე, რომლებიც ე.წ. კვანტური რიცხვებიელექტრონი: n, l, m e. მათ ასევე შემოაქვს m s - სპინის კვანტური რიცხვი, რომელიც ახასიათებს ელექტრონის მოძრაობას მისი ღერძის გარშემო.

კვანტური რიცხვები არის ელექტრონის სივრცითი და ენერგეტიკული მახასიათებლები. ატომში ელექტრონები ქმნიან ელექტრონულ გარსს, რომელიც შედგება ელექტრონული ფენებისგან, ხოლო ელექტრონული ფენები შედგება ატომური ორბიტალები.

ატომური ორბიტალი არის რეგიონი, სადაც ელექტრონის ყველაზე დიდი ალბათობაა ნაპოვნი.

1).n არის ძირითადი კვანტური რიცხვი,იგი ახასიათებს ელექტრონული ღრუბლის ზომას, ანუ მანძილს ბირთვიდან ამ ღრუბლის ყველაზე მჭიდრო ნაწილამდე. ელექტრონები, რომლებსაც აქვთ იგივე ზომის ღრუბლები, მიუხედავად ფორმისა, ქმნიან ატომის გარსის ელექტრონულ ფენას ანუ ენერგეტიკულ დონეს.

n იღებს მნიშვნელობებს 1;2;3;…;¥. n შეესაბამება პერიოდის რიცხვს.

2). ℓ - ორბიტალური კვანტური რიცხვი, ის ახასიათებს ელექტრონული ღრუბლის ან ენერგიის ქვედონის ფორმას. ℓ იღებს მნიშვნელობებს 0-დან n-1-მდე.

ელექტრონებს, რომლებსაც ახასიათებთ ორბიტალური კვანტური რიცხვების მნიშვნელობები 0.1, 2 და 3, შესაბამისად ეწოდება s-ელექტრონები, p-ელექტრონები, d-ელექტრონები და f-ელექტრონები. ძირითადი კვანტური რიცხვის n მოცემული მნიშვნელობისთვის s-ელექტრონებს აქვთ ყველაზე დაბალი ენერგია, შემდეგ p-, d- და f-ელექტრონებს.

3). m ℓ - მაგნიტური კვანტური რიცხვი, იგი ახასიათებს ელექტრონის ორიენტაციას სხვა ელექტრონების მიერ შექმნილ ველში.

მაგნიტური კვანტური რიცხვი იღებს მნიშვნელობებს 2ℓ + 1 (- ℓ, … 0, … + ℓ).

ელექტრონულ ღრუბელს, რომელსაც აქვს გარკვეული ზომის (n-ის გარკვეული მნიშვნელობით), გარკვეული ფორმის (ℓ გარკვეული მნიშვნელობით) და სივრცეში გარკვეული გზით ორიენტირებული (მ გარკვეული მნიშვნელობით) ელექტრონის ორბიტალი ეწოდება და გამოსახულია კვანტური უჯრედის სახით.

4). m s - სპინის ნომერი.

სპინის კვანტური რიცხვი ასახავს ელექტრონის საკუთარი კუთხური იმპულსის არსებობას. ელექტრონის საკუთარი კუთხური იმპულსის პროექციას არჩეულ მიმართულებაზე ეწოდება სპინი.

m s = ± ½, ანუ ელექტრონებს შეუძლიათ ბრუნა საათის ისრის მიმართულებით ან საათის ისრის საწინააღმდეგოდ. ერთი ელექტრონული ორბიტა შეიძლება შეიცავდეს ორ ელექტრონს საპირისპიროდ მიმართული სპინებით.

/ მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების სათავეში

ჰანს გუსტავოვიჩ გელმანი. კვანტური ქიმიის პიონერი

კვანტური ქიმია დიდი გაჭირვებით შეაღწია ექსპერიმენტულ ქიმიკოსთა ლაბორატორიაში. დიდი ხნის განმავლობაში მას ძალიან სკეპტიკურად აღიქვამდნენ, რადგან კვანტური ქიმიური ფორმულების საფუძველზე გაკეთებული გამოთვლები ზოგჯერ არ ეთანხმებოდა კლასიკური გამოთვლების შედეგებს. ეს მარტივად აიხსნება - ბოლოს და ბოლოს, კვანტურ მექანიკაში ყველა გამოთვლის საფუძველი - შროდინგერის განტოლება - შეიძლება გადაწყდეს მკაცრად მხოლოდ ერთი ან ორი ნაწილაკისგან შემდგარი სისტემებისთვის - უკვე წყალბადის მოლეკულა გადაუჭრელი პრობლემაა. ამიტომ, კვანტური ქიმიური გამოთვლებისთვის გამოიყენება გარკვეული დაშვებები, რომლებიც ამარტივებს პრობლემას, მაგრამ არ ამახინჯებს საერთო სურათს. დროთა განმავლობაში კვანტური ქიმიური მეთოდები გახდა თანამედროვე ქიმიური კვლევის ყოველდღიური პრაქტიკის ნაწილი. იმპულსი იყო კვლევის კომპიუტერიზაცია.

თუმცა, პირველ რიგში.

კვანტური ქიმიის დაბადება

კვანტური ქიმია წარმოიშვა XX საუკუნის 20-იანი წლების შუა ხანებში. მისი ფორმირება კვანტური მექანიკის განვითარების პარალელურად მიმდინარეობდა, რომელიც პერსპექტიული ახალგაზრდა მეცნიერების საფუძველს წარმოადგენს. ძალიან საინტერესო ფაქტია, რომ ასეთი თანამედროვე გამოთვლითი პროგრამების ალგორითმებში დანერგილი კვანტური ქიმიის ძირითადი ტექნიკა და მეთოდები შემუშავდა ძალიან მოკლე დროში - დაახლოებით 10 წელიწადში. ასეთი მკვეთრი ზრდა აიხსნება შემდეგი გარემოებების უნიკალური კომბინაციით.

რაც უფრო წინ მიიწევდნენ ქიმიკოსები მატერიის სტრუქტურის შესწავლაში, მით მეტი კითხვა ჰქონდათ მათ. რატომ წარმოიქმნება წყალბადის ატომებისგან მხოლოდ დიატომიური მოლეკულები? რატომ აქვს H2O მოლეკულას სამკუთხედის ფორმა, მაგრამ CO2-ში სამივე ატომი ერთსა და იმავე სწორ ხაზზე დევს? რატომ არის ნახშირბადზე დაფუძნებული ბრილიანტი იზოლატორი, ხოლო გრაფიტი გამტარებელი? ეს სია შეიძლება გაგრძელდეს განუსაზღვრელი ვადით, მაგრამ ეს კითხვები ეხება უკვე ცნობილ ნივთიერებების თვისებებს და ქიმიის მთავარი ამოცანაა ახალი ნაერთების მიღება წინასწარ განსაზღვრული თვისებებით, რაც ადამიანებს სჭირდებათ.

ყველა ამ პრობლემის გადაჭრაში მნიშვნელოვან როლს ასრულებს შედარებით ახალგაზრდა მეცნიერება - კვანტური ქიმია, რომელიც არ არის მხოლოდ ქიმიის კიდევ ერთი დარგი (არაორგანულთან, ორგანულთან, კოლოიდურთან და სხვასთან ერთად). ის მათთვის თეორიულ საფუძველს ემსახურება და მისი არსი არის კვანტური მექანიკის გამოყენება ატომების და მოლეკულების სტრუქტურის და მათი შესაძლო გარდაქმნების დასადგენად.

პრინციპში, კვანტური მექანიკის ძირითადი განტოლება - შროდინგერის განტოლება - შეიძლება დაიწეროს სისტემისთვის, რომელიც შედგება მრავალი ბირთვისა და ელექტრონისგან (ანუ ატომები, მოლეკულები, იონები, კრისტალები) და მისი ამოხსნა ტალღის ფუნქციის სახით იქნება. მთლიანად განსაზღვრავს მის სტრუქტურას და ქცევას. მთავარი დაბრკოლება ისაა, რომ მხოლოდ ორი ელექტრონის შემთხვევაშიც კი ეს განტოლება ზუსტად ვერ ამოიხსნება და მათი რიცხვის მატებასთან ერთად სირთულეები მრავალჯერ იზრდება.

ამიტომ, თავიდანვე კვანტურ ქიმიკოსებს გარკვეული გამარტივებების დანერგვის აუცილებლობის წინაშე დადგნენ. მათ უნდა შეექმნათ გამოთვლითი მეთოდები, რომლებიც ხშირად დაფუძნებული იყო მათი ავტორების ფხვიერ წესებზე, გამომგონებლობასა და ინტუიციაზე. მეთოდის ეფექტურობა კი უკვე ცნობილი ფაქტების ახსნისა და ახლის პროგნოზირების უნარით შეფასდა.

იმ დროს არ არსებობდა ერთი თეორია, რომელსაც შეეძლო აეხსნა ქიმიური ფენომენების ფართო სპექტრი. ასე რომ, ფიზიკასთან თანამშრომლობით, ქიმია დაიწყო გადაქცევა ზუსტ მეცნიერებად, მიიღო მისი მათემატიკური აპარატურა.

კვანტური ქიმიის დარგში კვლევა ვერნერ ჰაიზენბერგის ნაშრომით დაიწყო 1926 წელს. მან ჩაატარა ჰელიუმის ატომის კვანტური მექანიკური გამოთვლა, აჩვენა მისი არსებობის შესაძლებლობა ორ განსხვავებულ მდგომარეობაში, შემოიღო "კვანტური მექანიკური რეზონანსის" კონცეფცია.

1927 წელს ვალტერ ჰაიტლერმა და ფრიც ლონდონმა დაიწყეს ქიმიური კავშირის კვანტური მექანიკური თეორიის შემუშავება. მათ ჩაატარეს წყალბადის მოლეკულის პირველი სავარაუდო გამოთვლები.

1928 წელს მომავალმა ნობელის პრემიის ლაურეატმა ლინუს პაულინგმა შემოგვთავაზა რეზონანსის თეორია და ასევე წამოაყენა ატომური ორბიტალების ჰიბრიდიზაციის იდეა. რეზონანსული თეორია, რომელიც დაფუძნებულია კვანტური მექანიკის პრინციპებზე, ძალიან ზუსტი იყო მარტივი ქიმიური ბმების მქონე მოლეკულების აღწერაში (ბმები, რომლებიც წარმოიქმნება ერთი წყვილი ელექტრონებით), მაგრამ სრულიად შეუსაბამო იყო უფრო რთული სტრუქტურის მქონე მოლეკულების ქცევის მოდელირებისთვის.

კვანტური ქიმიის მსოფლიო აღიარება

ვ.ჰაიზენბერგის (ჰელიუმის ატომის გამოთვლა), ასევე ვ.ჰაიტლერისა და ფ.ლონდონის (წყალბადის მოლეკულის გამოთვლა) ნაშრომები დაედო საფუძვლად მრავალელექტრონული სისტემების კვანტურ თეორიას. ლინუს პაულინგმა ჯონ კლარკ სლეიტერთან ერთად შეიმუშავა თვისებრივი ქიმიური თეორია - ელექტრონული წყვილის მეთოდი (უფრო ცნობილია როგორც ვალენტური ბმის მეთოდი). ამ მეთოდის მთავარი იდეაა ვარაუდი, რომ მოლეკულის ფორმირებისას ატომები დიდწილად ინარჩუნებენ ელექტრონულ კონფიგურაციას (შიდა გარსების ელექტრონები), ხოლო ატომებს შორის დამაკავშირებელი ძალები გამოწვეულია გარე ელექტრონების გაცვლით. ჭურვები ტრიალის დაწყვილების შედეგად (ბრუნვის მომენტები). მან ასევე შემოიტანა ელექტრონეგატიურობის ახალი რაოდენობრივი კონცეფცია 1932 წელს. მის ნამუშევრებს 1954 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია.

დაახლოებით ამავე დროს, დუგლას ჰარტრიმ, მრავალელექტრონული სტრუქტურების თეორიის შემუშავებით, შემოგვთავაზა თვითშეთანხმებული ველის მეთოდი და გამოიყენა იგი ატომებისა და ატომების სპექტრების გამოთვლაში. ამ მეთოდით რთული სისტემის ცალკეული ნაწილაკების მდგომარეობა (კრისტალი, ხსნარი, მოლეკულა და ა.შ.) განისაზღვრება ყველა სხვა ნაწილაკების მიერ შექმნილი საშუალო ველით და თითოეული ნაწილაკის მდგომარეობიდან გამომდინარე. ამრიგად, სისტემის მდგომარეობა შეესაბამება მისი ნაწილების მდგომარეობებს (ატომები, იონები, ელექტრონები), რასაც მეთოდის სახელწოდებაც უკავშირდება.

1930 წელს აკადემიკოსმა ვლადიმერ ალექსანდროვიჩ ფოკმა შეიმუშავა ჰარტრის მეთოდი, რითაც ასწია გაანგარიშების სიზუსტის ზღვარი.

ატომური ორბიტიდან მოლეკულამდე

ამავე პერიოდში შეიქმნა კვანტური ქიმიის ერთ-ერთი ფუნდამენტური მეთოდი - მოლეკულური ორბიტალების მეთოდი.

კვანტური ქიმიის დეტალური მათემატიკა, რომელიც იმ დროს გამოქვეყნდა ერვინ შრედინგერის, მაქს ბორნისა და ვერნერ ჰაიზენბერგის მიერ, შეიცავდა ფორმულებს, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ატომებში ელექტრონების ქცევის აღსაწერად. მიუხედავად ამისა, მოლეკულების ელექტრონული სტრუქტურის ანალიზი ძალიან რთული იყო და 1927 წელს რ. Mulliken, მუშაობდა F. Hund-თან გეტინგენის უნივერსიტეტში, გერმანიაში, შესთავაზა, რომ ატომები გაერთიანდნენ მოლეკულების წარმოქმნით პროცესში, რომელსაც ეწოდება ქიმიური კავშირი, ისე, რომ მათი გარე ელექტრონები ასოცირდება მთლიან მოლეკულასთან. შესაბამისად, მოლეკულის გარე ელექტრონები, რომლებიც განსაზღვრავენ მის ბევრ მნიშვნელოვან თვისებას, გვხვდება მოლეკულურ ორბიტალებში და არა ცალკეული ატომების ორბიტალებში. რ.ს. მალიკენმა დაამტკიცა, რომ მოლეკულური ორბიტალების აღწერა შესაძლებელია ზუსტი მათემატიკური ფორმულების გამოყენებით, რაც შესაძლებელს გახდის ნივთიერების ფიზიკური და ქიმიური თვისებების დეტალურად პროგნოზირებას. 1966 წელს რ. მულიკენს მიენიჭა ნობელის პრემია ქიმიაში "მისი ფუნდამენტური მუშაობისთვის ქიმიურ ბმებსა და მოლეკულების ელექტრონულ სტრუქტურაზე მოლეკულური ორბიტალური მეთოდის გამოყენებით". „მოლეკულური ორბიტალური მეთოდი წარმოადგენს სრულიად ახალ გაგებას ქიმიური ობლიგაციების ბუნების შესახებ“, - თქვა ინგა ფიშერ-ჯალმარმა თავის გახსნისას შვედეთის სამეფო მეცნიერებათა აკადემიის სახელით. – წინა იდეები ეფუძნებოდა იმ აზრს, რომ ქიმიური ბმების წარმოქმნა დამოკიდებულია ატომებს შორის სრულ ურთიერთქმედებაზე. მოლეკულური ორბიტალური მეთოდი, პირიქით, კვანტური მექანიკის პრინციპებზე დაფუძნებული, ემყარება ყველა ატომის ბირთვსა და მოლეკულის ყველა ელექტრონს შორის ურთიერთქმედებას. ამ მეთოდმა უაღრესად მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა ქიმიური ბმების წარმოქმნისა და მოლეკულების ელექტრონული სტრუქტურის ხარისხობრივი ასპექტის გაგებაში“.

კვანტური ქიმიის კიდევ ერთი ძვირფასი ქვა იყო 1929 წელს გერმანელი მეცნიერის ჰანს ბეტეს მიერ შემოთავაზებული კრისტალური ველის თეორია.

მაგრამ არცერთ ზემოთ ჩამოთვლილ მეცნიერს არ გამოუყენებია სახელწოდება „კვანტური ქიმია“ - ის პირველად გამოჩნდა დიდი გერმანელ-საბჭოთა მეცნიერის ჰანს გუსტავოვიჩ გელმანის მონოგრაფიის სათაურად. გერმანიიდან ემიგრაციაში 1934 წელს მან უკვე დაწერა და გამოსცა ფუნდამენტური მონოგრაფია "კვანტური ქიმია" 1937 წელს. გელმანმა, ნობელის პრემიის ლაურეატი რიჩარდ ფეინმანისგან დამოუკიდებლად, გამოიტანა რამდენიმე ფორმულა, რომელსაც ეწოდება გელმან-ფეინმანის ელექტროსტატიკური თეორემა.

გელმანის სტუდენტი, რუსეთის უძველესი კვანტური ქიმიკოსი, ბიოორგანული ქიმიის ინსტიტუტის თანამშრომელი მიხაილ კოვნერი (1910–2006) წერს, რომ „ეს თეორემა იქცა კვანტური ქიმიის ერთ-ერთ მთავარ იარაღად. მაგრამ მისი წმინდა გამოყენებითი მნიშვნელობის გარდა, შეიძლება ითქვას, ფილოსოფიური ინტერესიც იყო. ფაქტია, რომ შრედინგერი, ჰაიზენბერგი, დირაკი ძირითად ყურადღებას აქცევდნენ ენერგიის ცნებას (მისი განმარტება კლასიკურ და კვანტურ მექანიკაში), მაგრამ მათ არ გააჩნდათ ძალის ცნება. თუმცა, ბორის კორესპონდენციის პრინციპის თვალსაზრისით, უნდა არსებობდეს გარკვეული კავშირი კლასიკურ და კვანტურ სიდიდეებს შორის. სწორედ გელმან-ფეინმანის თეორემა შემოაქვს ძალის კონცეფციის ანალოგი კვანტურ მექანიკაში და ამით ავსებს ამ ხარვეზს.

ჰანს გელმანი იყო ერთ-ერთი პირველი, ვინც შემოგვთავაზა იგივე „დაშვებების“ გამოყენება კვანტური ქიმიური გამოთვლების გასამარტივებლად.

ქიმიური ობიექტების კვანტური მექანიკის თვალსაზრისით განხილვის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი სირთულე არის ის, რომ შროდინგერის განტოლების ამონახსნები ძალიან რთულია. იმის გათვალისწინებით, რომ იმ დროისთვის ყველაზე პროგრესული გამოთვლითი ხელსაწყოები იყო არითმომეტრები, ძნელი არ არის იმის წარმოდგენა, თუ რა რთული ამოცანა იყო ადეკვატური გამოსავლის მოპოვება: სავარაუდო გამოთვლების დროს, სასურველი მნიშვნელობის შესაბამისი შეცდომები აუცილებლად გროვდებოდა. და ნაწარმოებმა აზრი დაკარგა. ჰანს გელმანმა შემოგვთავაზა განტოლებების ამოსახსნელად ექსპერიმენტებიდან მიღებული მონაცემების გამოყენება, ასე რომ, გაზვიადების გარეშე შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ჰანს გელმანმა პირველმა შეიმუშავა კვანტური ქიმიური ამოცანების ამოხსნის ნახევრად ემპირიული მეთოდი.

გელმანმა ასევე შემოიტანა „ვალენტური მდგომარეობის“ კონცეფცია, რომელშიც ატომები მოძრაობენ ერთმანეთთან დაახლოებისას, რაც აყენებს ქიმიური რეაქციების თეორიას რაოდენობრივ საფუძველზე.

კვანტური ქიმიის კომპიუტერული ხანა

სტუდენტი აბარებს გამოცდას კვანტურ ქიმიაში

მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ, გამოთვლითი ტექნოლოგიამ ძლიერად დაიწყო განვითარება. იმისდა მიუხედავად, რომ 40-იანი წლების ბოლოს და 50-იანი წლების დასაწყისის კომპიუტერები ძალიან მოცულობითი და ნელი იყო (თანამედროვე მობილური ტელეფონის "ელექტრონული ძალა" აღემატება 50-იანი წლების დასაწყისში გაერთიანებულ ყველა გამოთვლით მოწყობილობას), მათ ჰქონდათ ერთი შესანიშნავი თვისება (როგორც, მართლაც, , თანამედროვე კომპიუტერებით): მათ შეუძლიათ შეასრულონ იგივე ტიპის ოპერაციები რიცხვითი მონაცემების მასივებით ადამიანებისთვის წარმოუდგენელ მოცულობებში. ეს ხარისხი იდეალურად შეეფერებოდა რიცხვითი (დაახლოებითი) გამოთვლების განხორციელებას.

უკვე იმ დროს, კვანტურ ქიმიაში ორი ტენდენცია გამოირჩეოდა: ნახევრად ემპირიული მეთოდები და მეთოდები, რომლებიც მხოლოდ თეორიულ საფუძველზე იყო დაფუძნებული, ექსპერიმენტული მონაცემების გათვალისწინების გარეშე.

ნახევრად ემპირიულ მეთოდებში, „ელექტრონული ურთიერთქმედების ინტეგრალების“ რთული გამოთვლები, რომლებიც კომპიუტერის დროის 70 პროცენტს იკავებს, იცვლება მუდმივი მნიშვნელობებით, ან ეს ინტეგრალები უბრალოდ ნულამდე აღდგება. ამას ინტეგრალების პარამეტრიზაცია ეწოდება.

ნახევრად ემპირიული მეთოდების ხარისხი შეიძლება შეფასდეს ორი კრიტერიუმის მიხედვით. ჯერ ერთი, რამდენი ინტეგრალით არის პარამეტრიზებული. მეორეც, ექსპერიმენტული მონაცემების სანდოობის დონის თვალსაზრისით, რომლებიც გამოიყენება პარამეტრიზაციაში.

ნახევრად ემპირიული მეთოდების განვითარება მოხდა 40 წლის განმავლობაში (დაახლოებით 1950 წლიდან 1990 წლამდე). უნდა აღინიშნოს, რომ ნახევრად ემპირიულმა მეთოდებმა ერთ დროს შესაძლებელი გახადა წინსვლა ქიმიური რეაქციების მექანიზმების შესწავლაში. საკმარისად მძლავრი კომპიუტერების გამოჩენასთან ერთად, ისინი გახდნენ ძლიერი იარაღი რთული ქიმიური სისტემების შესწავლაში.

მეორე ჯგუფი მოიცავს მეთოდებს, რომლის მიხედვითაც გაანგარიშება ხორციელდება ექსკლუზიურად თეორიულ საფუძველზე, ანუ გაანგარიშების სქემაში ექსპერიმენტულად მიღებული ნებისმიერი პარამეტრის შეყვანის გარეშე. გაანგარიშებისას ყველა რაოდენობას აქვს კონკრეტული ფიზიკური მნიშვნელობა. ამ მეთოდების უპირატესობა არის მათი მაღალი სიზუსტე და მრავალფეროვნება, მაგრამ ისინი უკიდურესად რთულია, ამიტომ მათი გამოყენება ფართოდ არ ყოფილა.

მოდელი, არ გაიაროთ ვარიანტები!

მრავალი ათწლეულის განმავლობაში ქიმია ძირითადად ექსპერიმენტულ მეცნიერებად რჩებოდა. მკვლევარის ინტუიციის საფუძველზე მრავალი ექსპერიმენტის დროს დაიბადა ახალი ნივთიერებები და ახალი ტექნოლოგიები. ახლა კი კვანტური ქიმიური გამოთვლების გამოყენებით მოდელირება ახალ ჰორიზონტს უხსნის ქიმიკოსებს, როდესაც თავად ქიმიური ლაბორატორია შეიძლება არასაჭირო გახდეს. ეს პირველ რიგში ეხება ეფექტური და იაფი კატალიზატორების შემუშავებას - თანამედროვე ნავთობისა და გაზის ქიმიური ტექნოლოგიების საფუძველს.

ნივთიერების მოლეკულურ სტრუქტურასა და მის ფიზიკურ-ქიმიურ თვისებებს შორის, კატალიზური აქტივობის ჩათვლით, მკაცრი ურთიერთობის გააზრება მკვლევარს უხსნის მიდგომებს რიგი პრაქტიკული პრობლემების გადასაჭრელად. როგორც ცნობილია, ორგანული და არაორგანული ნივთიერებების კატალიზური გარდაქმნები ემყარება ქიმიურ ტექნოლოგიურ პროცესებს. სამიზნე პროდუქტის წარმოების მოცულობა, პროცესის პირობები, მისი ტექნიკის დიზაინი და მთლიანად ტექნოლოგიის მახასიათებლები პირდაპირ დამოკიდებულია კატალიზატორებზე. ხშირად წარმოების ეკონომიურობაც კი განისაზღვრება ზუსტად კატალიზატორის ღირებულებით და მისი შენარჩუნების ხარჯებით.

ასეთ ვითარებაში, გამოყენებითი ქიმიის განვითარების ერთ-ერთი პრიორიტეტული მიმართულება ხდება სამეცნიერო საფუძვლის შემუშავება არსებული ინდუსტრიულად მნიშვნელოვანი რეაქციისთვის ყველაზე ოპტიმალური კატალიზატორების მოსაძებნად, ან, პირიქით, უკვე განვითარებული კატალიზატორის შეხამება რეაქციასთან, რომელიც იწვევს. ქიმიური მრეწველობის ამა თუ იმ სამიზნე პროდუქტის ფორმირებაში მაღალი მოსავლიანობითა და სელექციურობით. ცხადია, მკვლევარი, რომელიც საკუთარ თავს დაუსვამს მსგავს პრობლემას მის ერთ-ერთ ვარიანტში, იძულებული იქნება განიხილოს ქიმიური პროცესების ელემენტარული ეტაპების მექანიზმები, აგრეთვე რეაქტიული ნივთიერებებისა და კატალიზატორების თვისებები და სტრუქტურა მიკროდონეზე. კვანტური ქიმიის აპარატს შეუძლია მნიშვნელოვანი დახმარება გაუწიოს ასეთ სამუშაოს.

კვანტურ ქიმიურ გამოთვლებს შეუძლია დაადასტუროს ან უარყოს გარკვეული შუალედური ნივთიერებების არსებობა, რადგან ეს განისაზღვრება შესაბამისი მოლეკულური ორბიტალების ფორმირების შესაძლებლობით ან შეუძლებლობით. ამრიგად, განზოგადებული კვანტური ქიმიური პრინციპი განმარტავს, მაგალითად, რატომ შეიძლება მოხდეს ეთილენის დიმერიზაცია მხოლოდ კატალიზატორების თანდასწრებით, მაგრამ პრაქტიკულად შეუძლებელია მათ გარეშე.

მითითება

შუალედური (ლათინური intermedius - შუა) არის შუალედური ნივთიერება ხანმოკლე მოქმედებით, რომელიც წარმოიქმნება ქიმიური რეაქციის დროს და შემდგომ რეაგირებს რეაქციის პროდუქტების წარმოქმნით. იმის გამო, რომ შუალედური ნივთიერებები ძალიან სწრაფად რეაგირებენ, მათი კონცენტრაცია სარეაქციო ნარევში ძალიან დაბალია. ამიტომ მათი ფორმირება ან თეორიულად არის პოსტულირებული, ან გამოვლენილი ანალიზის თანამედროვე ფიზიკოქიმიური მეთოდების გამოყენებით.

კომპიუტერულ პროგრამულ პროდუქტებში დანერგილი კვანტური ქიმიის მეთოდები ქმნიან ნივთიერებების თვისებების შესწავლის ახალ მიდგომას, რომელიც არ საჭიროებს არც სინთეზს ან იზოლაციას, მინარევებისაგან გაწმენდას ან ფიზიკურ და ქიმიურ კვლევებს ქიმიური ნაერთის თვისებების შესახებ მონაცემების მისაღებად. . ნივთიერების ქიმიური თვისებების შესწავლის ამ მიდგომით, ქიმიური ლაბორატორიაც კი, როგორც ასეთი, არ არის საჭირო. კომპიუტერული ტექნოლოგიებისა და პროგრამული უზრუნველყოფის შემუშავების სწრაფმა წინსვლამ გამოიწვია სამეცნიერო რევოლუცია ამ სფეროში და ახლა შესაძლებელია უცნობი მოლეკულების, შუალედური ნაერთების, ქიმიურ რეაქციებში გარდამავალი მდგომარეობების და ჯერ კიდევ არ სინთეზირებული ქიმიური სტრუქტურების შესწავლა. ასეთი გამოთვლების განხორციელების გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ადეკვატური მეთოდებით მიღებულ შედეგებს შეიძლება ენდობოდეს და ექსპერიმენტული გადამოწმება თითქმის ყოველთვის ადასტურებს მათ.

წლევანდელი ნობელის პრემია ქიმიაში სპეციალურად რთული ქიმიური სისტემების მოდელირებისთვის გადაეცა.

RN-TsIR-ის ლაბორატორიებში როსნეფტის მეცნიერები ატარებენ კვლევებს კვანტური ქიმიური მოდელირების სფეროში. ეს კვლევები ეხება სხვადასხვა პერსპექტიული კატალიზატორების ზედაპირზე ქიმიური რეაქციების ანალიზს.

შეფასება: