Лекция 13.

Организация материи на физическом и химическом уровнях

 

5. Молекула как квантово-механическая система

 

Молекула - наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства. При химических превращениях молекулы не сохраняются. Структурная единица материи, которая прихимических превращениях сохраняется – это атом.

Материи на различных структурных уровнях присущи такие системные свойства как аддитивность и интегративность.

Аддитивность подразумевает наличие у системы суммы свойств входящих в нее компонентов.

Интегративность – означает появление новых свойств, не сводимых к сумме свойств компонентов, образующих систему. Структура системы представляет собой упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. Эта особенность системы называется также эмерджентностью.

Ранее существовало мнение, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или групп атомов. Однако в дальнейшем было установлено, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так в результате получается целостность или связанная система, причем взаимодействие и взаимовлияние носят квантово-механический характер. Таким образом, молекула – это квантово-механическая система.

В физически доступном слое Земли всего восемь хими­ческих элементов представлены в значительном количестве. Это кислород 47,0%, кремний 27,5%, алюминий 8,8%, же­лезо 4,6%, кальций 3,6%, натрий 2,6%, калий 2,5% и маг­ний 2,1%.

Практически все элементы проявляются в земных усло­виях в составе тех или иных химических систем — химичес­ких соединений. В настоящее время известно более восьми миллионов соединений. Из них абсолютное большинство (около 96%) — органических.

Проблема химического соединения традиционно реша­лась с позиций атомистической концепции. В начале XIX в. английский химик Дж. Дальтон обосновал закон постоян­ства состава, отражающий неизменное соотношение ком­понентов данного вещества. Долгое время не допускалось отклонения от этого закона. Однако уже современник Даль­тона французский химик К.Бертолле указывал на возмож­ность существования соединений переменного состава в фор­ме растворов и расплавов. Впоследствии были найдены доказательства существования химических соединений пере­менного состава.

Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента. Дальнейшим шагом в этом направлении было изучение того, какую роль в образовании молекул из атомов играет энергия, с которой они связываются друг с другом. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов определяет новые целостные свойства молекулы.

Например молекула простого вещества кислорода О₂  образована из двух атомов и имеет все свойства кислорода как химического вещества, в то время как атомы кислорода (т.н. атомарный кислород) или озон  О₃  имеют другие свойства. К молекулам можно отнести различные квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и др. макромолекулы). Таким образом химическое соединение — это не только сложное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов.

Современное естествознание определяет химическое соединение следующим образом.

 Рассматривая химические системы необходимо знать, что ее свойствазависят не только от состава и строения элементов, но и от ихвзаимодействия. Поэтому при изучении химических систем ученым приходитьсяизучать и их структуру. Например, в такой химической системе, как молекула,именно характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет св-ва молекулы.      С другой стороны часто свойства химической системы зависят от условий получения. Условия могут оказать влияние на характер и результат химических реакций. Это и термодинамические факторы (температура, давление) и использование катализаторов.