Химические ноты

Уравнение Шредингера - ключ всей химии. Его "химический" смысл легко увидеть, решив уравнение для простейшей химической частицы -атома водорода (протон + электрон). Уравнение имеет вид:

H Y = E Y, (1)

где Н есть оператор энергии

Н = р ²/2 m + е ² /r, (2)

который включает кинетическую энергию электрона р ²/2 m (р - импульс, m - масса электрона) и его потенциальную энергию е ² /r (е - заряд электрона и протона, r - электрон-протонное расстояние). Решение этого уравнения (его можно найти в учебниках) дает дискретные уровни энергии Е и волновые функции (орбитали) электрона Y, квадрат которых |Y|² дает распределение заряда электрона в пространстве.

Функции Y(r) есть водородные волновые функции; это базовые атомные орбитали - из них составлены электронные оболочки всех атомов и молекул, всех химических частиц, всего химического мира (а значит, и мира вообще).

Этих функций всего 16: одна s- орбиталь, три p- орбитали, пять d- орбиталей и семь f- орбиталей; пространственная ориентация и форма s-, р- и d- орбиталей показаны на рис. 1 (для f- орбиталей они чуть посложнее и не приведены на рисунке). И как из комбинации простых шахматных ходов рождается бесконечное шахматное искусство, как из семи простых музыкальных нот рождается волшебная и вечная музыка, так из 16 простых атомных орбиталей - химических нот - сотворена могучая и неисчерпаемая химия, построена вся химическая архитектура мира. Наука и искусство химического синтеза - это знание и умение комбинировать орбитали атомов таким образом, чтобы осуществлять химическую сборку атомов, создавая заданные молекулы и вещества. Образно говоря, химия - это могучая 16-нотная музыка, авторами которой являются два творца - Природа и Химик.

Обратим внимание на важнейшее обстоятельство: в уравнениях (1) и (2) потенциальная энергия электрон-протонной химической системы включает единственное взаимодействие - кулоновское. Все базовые атомные орбитали, следующие из решения данных уравнений, построены в этом приближении, то есть на единственном кулоновском потенциале. Верно ли это? И не нужно ли учитывать какие-либо другие существенные взаимодействия (подобно тому, как в ядерной физике для описания сил между нуклонами и элементарными частицами необходимо принимать во внимание несколько взаимодействий разной природы)?

Ответ на этот фундаментальный вопрос получен экспериментально. Идея эксперимента проста и красива. Пучок атомов (например, кальция или меди) облучается поляризованным светом; свет возбуждает заданную атомную орбиталь (например, р _z в Са и d _z² в Cu на рис. 1), то есть готовит атомы с электронами, населяющими эти орбитали. Далее на этот пучок направляется зондирующий пучок инертных атомов (например, гелия), после чего наблюдается рассеяние этих атомов на электронах, заселяющих р _z- или d _z² -орбитали рассеивающих атомов. Диаграмма рассеяния воспроизводит форму рассеивающего потенциала.

Рис. 1. Схема водородных (базовых) атомных орбиталей s, p и d

Результаты таких экспериментов восхитительны: оказалось, что форма рассеивающего потенциала точно воспроизводит форму атомной орбитали, выведенной из уравнения Шредингера. Можно, конечно, брюзгливо сказать, что это банально. Но надо помнить, что волновые функции (атомные орбитали) получены на кончике пера и на острие мысли - из уравнения Шредингера с кулоновским потенциалом. И отсюда следуют сразу два фундаментальных вывода.

Во-первых, уравнение Шредингера правильно описывает химический мир (и не только его, но сейчас мы говорим о химии). Утверждение классика об учении, которое "всесильно, потому что оно верно", следовало бы отнести к уравнению Шредингера как основе химического мира.

Во-вторых, экспериментальное доказательство точности атомных базисных орбиталей - это не просто торжество интеллекта (и в эксперименте, и в теории); это еще и надежное доказательство того факта, что в химии работает только кулоновское взаимодействие. И волшебство химии состоит в том, что из этой кулоновской единственности, кулоновской бедности рождается богатство химических связей (ионные, ковалентные, донорно-акцепторные, водородные, металлические, вандерваальсовы и т.д.), богатство химических частиц (атомы, ионы, карбены, эксимеры, ридберги, эксиплексы, молекулярные сэндвичи, вандерваальсовы молекулы, кластеры, радикалы и др.), богатство механизмов реакций (ионные, молекулярные, нуклеофильные, электрофильные, радикальные, цепные, разветвленно-цепные и т.д.), богатство химических состояний (молекулярных, зарядовых, спиновых состояний, различающихся по электронной и ядерной симметрии, и т.д.).

С точки зрения канонического физика химия представляется простой: действительно, нужно учесть только кулоновское отталкивание электрон-электрон и ядро-ядро, а также кулоновское притяжение электрон-ядро. И больше, кажется, физику в химии нечего делать. Но, во-первых, химические системы - многочастичные (много электронов, много ядер), а уже задача трех тел в физике не является тривиальной. Во-вторых, в кулоновском взаимодействии электрон-электрон есть часть, зависящая от электронного спина (она следует из антисимметрии полной волновой функции по принципу Паули, ибо электроны являются фермионами - так уж устроен мир). Эта часть кулоновской энергии называется обменной энергией (название неудачное, но оно уже прижилось); она выстраивает угловые моменты (спины) электронов и создает ферромагнетизм, на котором построены ферромагнитные вещества - без них не обходятся радио, телевидение, связь, они в основе производства стиральных машин, лифтов, компьютеров и прочих бесчисленных благ цивилизации. Можно образно сказать, что если химический мир построен "на Кулоне", то цивилизация держится "на Паули".

Фундаментальность физических проблем химии и самостоятельность физики химических процессов ясно осознавал великий физик Р. Фейнман, выразив это одной фразой: "Химия - это самая сложная физика...; физики отдали ее химикам..."

Дата добавления: 2015-08-17