9: Передмова до розрахунків

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17761

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Початківець хімії повинен володіти знаннями теорії, яка є основою для нашого розуміння хімії, і він повинен придбати ці знання, перш ніж він матиме математичний фон, необхідний для суворого курсу вивчення квантової механіки. Цей підхід розроблений для задоволення цієї потреби шляхом підкреслення фізичних або спостережуваних аспектів теорії через широке використання електронної щільності заряду.

Спосіб розташування негативного заряду атома або молекули в тривимірному просторі визначається електронним розподілом щільності заряду. Таким чином, він визначає безпосередньо розміри і форми молекул, їх електричні моменти і, власне, всі їх хімічні та фізичні властивості.

Оскільки щільність заряду описує розподіл негативного заряду в реальному просторі, це фізично вимірна величина. Отже, при використанні в якості основи для обговорення хімії щільність заряду дозволяє отримати пряму фізичну картину і інтерпретацію.

Зокрема, сили, що діють на ядро в молекулі іншими ядрами та електронною щільністю заряду, можуть бути строго розраховані та інтерпретовані з точки зору класичної електростатики. Таким чином, з огляду на молекулярний розподіл заряду, стабільність хімічного зв'язку може обговорюватися з точки зору електростатичної вимоги досягнення нульової сили на ядра в молекулі. Хімічний зв'язок є результатом накопичення негативної щільності заряду в області між будь-якою парою ядер в обсязі, достатньому для збалансування сил відштовхування. Це стосується будь-якого хімічного зв'язку, іонного або ковалентного, і навіть неглибокого мінімуму в потенційних кривих, що виникають внаслідок сил ван дер Ваальса.

При цій обробці зберігаються класифікації зв'язку, іонного або ковалентного, але їм даються фізичні визначення з точки зору фактичного розподілу заряду всередині молекули. У ковалентному зв'язку щільність валентного заряду розподіляється по всій молекулі, а сили притягання, відповідальні за зв'язування ядер, діють за рахунок щільності заряду, рівномірно розподіленої між ними в міжядерній області. В іонному зв'язку щільність валентного заряду локалізується в області одного ядра і в цій крайності зв'язування щільність заряду, локалізована на одному ядрі, надає привабливу силу, яка зв'язує обидва ядра.

Ця веб-сторінка починається з обговорення необхідності нової механіки для опису подій на атомному рівні. Це ілюструється обговоренням експериментів з електронами та світлом, які, як видається, є незрозумілими з точки зору механіки Ньютона. Основні поняття квантового опису зв'язаного електрона, такі як квантування, виродження та його ймовірнісний аспект, введені шляхом контрастування квантових і класичних результатів для подібних одновимірних систем. Детально розглянуто атомно-орбітальний опис багатоелектронного атома та принцип виключення Паулі та проілюстровано експериментальні наслідки їх прогнозів щодо енергії, моменту моменту та магнітних властивостей атомів. Підкреслено альтернативну інтерпретацію розподілу ймовірностей (для стаціонарного стану атома) як зображення статичного розподілу електронного заряду в реальному просторі, при підготовці до обговорення хімічного зв'язку.

Хімічне зв'язування обговорюється з точки зору розподілу молекулярного заряду та сил, які він чинить на ядра, підхід, який може бути суворо представлений з використанням електростатичних концепцій. Обговорення посилюється завдяки широкому використанню діаграм для ілюстрації як молекулярних розподілів зарядів, так і змін розподілів атомних зарядів, що супроводжують утворення хімічного зв'язку.

Вищезазначені теми розглядаються в перших семи розділах цієї веб-сторінки. Заключний розділ призначений для читача, зацікавленого в розширенні орбітальної концепції на молекулярні випадки. У цьому розділі наведено елементарний облік використання симетрії при прогнозуванні електронної структури молекул.

Гамільтон, 1970

Подяка

Фізична картина хімічного зв'язування, яку надає вивчення молекулярних розподілів зарядів, змушена була чекати наявності молекулярно-хвильових функцій значної якості. Автор разом з читачем, який вважає підхід, представлений в цьому томі, корисним в його розумінні хімії, зобов'язаний людям, які долали грізні математичні перешкоди, що виникають при отриманні цих хвильових функцій.

Ця веб-сторінка присвячена Памелі, Каролін, Кімберлі та Сюзанні.