Неорганическая химия / Астахов М.В. Теория химической связи

УДК

Астахов М.В.

Теория химической связи: Учебно-методический комплекс дисциплины. – М.: Изд.

Дом МИСиС, 2010. – 166 с.

Данный курс последовательно развивает первоначальные сведения о теории строения вещества, полученные студентами при изучении дисциплин "Теоретические основы химии" и "Квантовая механика". В нем рассматриваются вопросы теории химической связи и электронного строения молекул, некоторые общие положения квантовой теории и строения атомов. Рассматриваются вопросы спектроскопии атомов и молекул, применительно к расчету энергии связи в молекулах различных соединений, колебания молекул, вращение молекул, электронное строение атомов и молекул, потенциал ионизации, сродство к электрону, теория ионной связи атомов в гетерополярных молекулах и ионных кристаллах.

Теория ковалентной связи дается с широким применением метода валентных связей и метода молекулярных орбиталей. Ряд разделов курса посвящен изучению расчетов характеристик делокализованных π-связей в молекулах органических соединений. Студенты получат представления о зарядах на атомах и порядках связей, электронном строении и свойствах молекул.

Учебно-методический комплекс дисциплины «Теория химической связи» предназначен для методического обеспечения подготовки бакалавров по программам ВПО для тематического направления ННС «Конструкционные наноматериалы». Учебно-методический комплекс дисциплины разработан профессором, доктором химических наук Астаховым Михаилом Васильевичем в рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 годы» (направление 2 «Развитие ин- формационно-аналитической составляющей инфраструктуры наноиндустрии», мероприятие 2.3 «Формирование кадровой информационно-аналитической системы наноиндустрии».

УДК

© Астахов М.В., 2010

2

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

1. Цель обучения

Применять основные методы теории химических связей для расчетов энергии взаимодействия в гетерополярных и гомеополярных молекулах, энергии кристаллической решетки твердых тел, сил и энергии межмолекулярного взаимодействия молекул между собой и твердыми телами. Использовать в расчетах данные справочной литературы о свойствах молекул и кристаллов.

2.Приобретаемые компетенции

–использовать методы теории химической связи для анализа химической устойчивости молекул, их реакционной способности, энергии связи и энергии образования в ионных кристаллов, (Л – 1.1; 1.2; 2.2; 2.4; 3.1);

–составлять физические модели и математические уравнения, позволяющие описывать физико-химические свойства простых гомо- и гетероядерных молекул и ионных кри-

сталлов. (Л – 1.1; 1.2; 2.1; 2.4-2.8; 3.1) (ПЗ - 1-8);

–использовать

- теоретические модели и методы квантовой механики и теории химической связи для решения задач, связанных с описанием свойств гетероядерных и гомоядерных молекул, ионных кристаллов (ПЗ - №1-8, ДЗ - 1);

-методы математической физики для решения задач, связанных со строением неорганических и органических молекул, прогнозированием их химических и физических свойств. (Л – 1.1, 1.2, 2.1-2.8, 3.1; ПЗ 1-8; ДЗ – 1)

– описывать условия образования простых гомо- и гетероядерных молекул и ионных кристаллов,

(Л – 1.1;1.2; 2.1-2.4; 3.2; 3.5; 3.6; 4.1-4.4) (ПЗ – 4-16);

физические и химические свойства молекул и ионных кристаллов, (Л – 9.1-9.4) (ПЗ –

33);

особенности взаимодействия атомов в молекулах, твердых телах и в жидкости. (Л –

1.1.1.2; 2.4-2.9) (ПЗ – 1-8;);

строение гомо- и гетероядерных молекул (Л - 1.1, 2.6,2.7; ПЗ – 4,7);

– осуществлять расчеты энергии связи и энергии образования молекул и ионных кристаллов из атомов

(Л – 1.1, 1.2; 2.4, 2.5, 2.7, 2.8; 3.1) (ПЗ – 1-8);

расчеты реакционной способности атомов в молекуле, дипольного момента молекулы, энергии межмолекулярного взаимодействия (Л –1.1, 2.1-2.4; 4.2, 4.5) (ПЗ – 4-9; 17);

-анализировать литературу для поиска информации об отдельных определениях, понятиях, терминах и методах, используемых в квантовой механике и теории химической свя-

4

зи, свойствах атомов и молекул для решения теоретических типовых задач, связанных с дальнейшим обучением и профессиональной деятельностью (ДЗ - все);

-приобретать навыки логического, творческого и системного мышления (ПЗ – все, ДЗ

-все);

-использовать информационные средства и технологии, в т.ч. для проведения теоретических расчетов и визуализации результатов. (ДЗ).

3. Объем дисциплины и виды учебной работы (час)

Табл. 1

4. Содержание учебной дисциплины

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий

Табл. 2

5.2. Содержание лекционного курса Семестр 6 Теория химической связи. (34 часа)

Раздел 1. Спектроскопические методы исследования структуры молекул

/1,2/ (6 часа)

1.Введение. Колебательные и вращательные спектры молекул. Равновесные межъядерные расстояния. Правило отбора.

2.Инфракрасная спектроскопия и спектры комбинационного рассеяния. Применение спектроскопии.

5

3.Линейные многоатомные молекулы. Молекулы типа симметричного и асимметричного волчка. Вращательные спектры комбинационного рассеяния.

Раздел 2. Ионная связь в гетерополярных молекулах и кристаллах (6 часа)

4.Типы химической связи. Электроотрицательность. Ионная связь. Энергия связи и образования гетерополярных молекул.

5.Энергия образования ионной кристаллической решетки.

6. Цикл Борна – Хаберна. Расчет электроотрицательностей атомов. Уравнение Капустинского. Эмпирические уравнения для расчета энергии образования ионных кристаллов.

Раздел 3. Ковалентная связь в гомеополярных и гетерополярных молекулах

/1,2/ (18 часов)

7.Ковалентная связь. Метод валентных связей. Молекулярный ион H2+

8. Метод валентных связей. Энергия молекулы H2 Обменный и кулоновский интегралы. Симметричная и антисимметричная волновые функции.

9,10.Насыщенность и направленность ковалентной связи. Гибридизации атомарных орбиталей. Структура молекул.

11.Метод молекулярных орбиталей (ЛКАО-МО).

12.Применение метод молекулярных орбиталей для описания свойств гомеополярных

игетерополярных молекул.

13,14.Применение метода молекулярных орбиталей для расчета свойств органических молекул. Порядок связи, индекс свободной валентности, избыточный заряд, дипольный момент.

15. Химическая связь в комплексных соединениях.

Раздел 3 Межмолекулярное взаимодействие /1,2/ (4 часа)

16.Молекулярные силы. Индукционное, ориентационное взаимодействие полярных молекул. Дисперсионное взаимодействие молекул

17. Потенциал «6-12». Взаимодействие молекул с твердым телом. Водородная связь. Заключение

5.3. Перечень тем практических занятий Семестр 6

Табл. 3.1

6

5.4. Перечень тем семинарских занятий

Семинарские занятия не предусмотрены

5.5.Перечень тем лабораторных занятий

6.Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1.Рекомендуемая литература (основная и дополнительная)

а) основная литература

1а. Стромберг А.Г., Семченко Д.П., "Физическая химия." Изд. - Высшая шко-

ла М., 2006г. 296 стр.

2а. Белащенко Д.К. Физическая химия. Раздел: Основы квантовой механики и теории химической связи. -М. МИСиС. 1976, -72 стр.

3а. «Физическая химия». 1 том. Под редакцией К.С.Красного. –М.Высшая школа. 2002г., -268

4а. Б.Я. Симкин, М.Е.Клецкий, М.Н.Глуховцев. Задачи по теории строения молекл. Ростов-на-Дону, «Феникс», 1997,-272 с.

б) дополнительная литература

1б. Корольков Д.В., Скоробогатов Г.А., "Основы теоретической химии.". М.Изд - Академия, 2004г, 346 стр.

2б. Мюллер У. Структурная неорганическая химия М. «Фест», 2009, -312 с.

3б В.И.Минкин, Б.Я.Симкин, Р.М.Миняев «Теория строения молекул» Ростов-на-Дону Изд. «ФЕНИКС» 1997, 560 с

4б. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. 3-е изд. М.: Хи-

мия, 1994. 588 с.

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины (перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ,

диафильмов, кино- и телефильмов)

1.Тесты 1-го уровня по всем темам лекционного курса, контролирующие степень усвоения студентами материала по всем разделам дисциплины.

2.Вопросы для самоконтроля усвоения дисциплины по всему курсу.

3.Презентации лекций.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины (указываются специализированные лаборатории и классы, основные установки и стенды)

8. Методические рекомендации по организации обучения (включаются в программу по усмотрению разработчиков)

Методические рекомендации студентам и преподавателям.

7

9. Перечень заданий для самостоятельного выполнения*

Табл. 6.1

Контрольные работы проводятся в часы практических занятий в указанные сроки.

8

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ»

Введение.

Взаимодействие атомов, приводящее к образованию молекул простых и сложных веществ, а также кристаллов, называют химической связью.

В химии молекулой называют наименьшую частицу данного вещества, обладающую его химическими свойствами и способную к самостоятельному существованию.

Наряду с молекулой могут существовать и ионы, т.е. заряженные частицы, представляющие собой атом или группу химически связанных атомов с избыточным положительным (катионы) или отрицательным (анионы) зарядом. Но в отличие от молекул эти заряженные частицы могут существовать в любой системе только вместе, т.е. число отрицательных должно равняться числу положительно заряженных частиц.

Нейтральные частицы, с неспаренными электронами на внешних атомных или молекулярных орбиталях и обладающие высокой реакционной способностью называют радикалами. Радикалы могут существовать самостоятельно достаточно продолжительное время.

Теория химической связи должна объяснить причины возникновения сил взаимодействия между одними атомами и отсутствия взаимодействия между другими атомами или группой атомов, т.е. ответить на целый ряд вопросов:

Почему одни атомы объединяются в молекулы, а другие нет? Как располагаются атомы в той или иной молекуле?

Какие силы действуют между ними и от чего они зависят?

Как рассчитать энергию образования молекул, не прибегая к эксперименту? Как рассчитать скорость химической реакции?

Какими будут молекулярные спектры у данной молекулы?

Теория должна обеспечить единый метод расчета свойств любых молекул или, по крайней мере, давать возможность рассчитывать одни свойства, исходя из минимального числа экспериментальных данных.

Таким образом, идеал для нас – письменный стол, компьютер и математический аппарат, с помощью которого мы можем рассчитывать любые свойства молекул, а, следовательно, и свойства всех веществ, такие как теплоемкость, энтальпию, энтропию, энергию Гиббса, константу равновесия, константу скорости химической реакции и многие другие, т.е., решать все задачи, которые вы решали в курсах термодинамики и кинетики.

На решение этих задач были направлены усилия громадного количества ученых с древних времен. Вопрос: «Как устроен этот мир?» волновал и волнуют всех творческих людей во все времена, не зависимо от национальной принадлежности.

Уже к началу 19 века, благодаря экспериментам Фарадея, в которых он обнаружил существование положительно и отрицательно заряженных частиц в водных растворах, казалось, что вопрос о природе химической связи решен. Это проявление электростатических сил, т.е. взаимодействие плюса и минуса. Согласно этой теории, а точнее модели, автором которой являлся шведский химик Йенс Якоб Берцелиус, металлы обладают положительным, а неметаллы – отрицательным зарядом. Самый положительный калий, самый отрицательный

9

– кислород. Но кто является носителем заряда, куда он девается, и где сосредоточен, к этому времени известно не было. Но качественно теория проста и ей начали пользоваться, хотя рассчитать на ее основе какиелибо свойства молекул практически было не возможно.

Однако триумф этой модели был непродолжителен. Развитие органической химии ее развенчало. Химики-органики сформулировали новый подход – формальную структурную теорию, которая сохранилась и до сего времени. Идея проста: приписывая водороду одну валентную черточку, кислороду – две, азоту – три, а углероду – четыре, они в эту схему укладывали весь накопленный опытный материал. Эту сугубо формальную схему они довели до совершенства. Но с двойной и тройной связью эта формальная теория справиться в то время не могла.

Дальнейшее развитие теории Берцелиуса, т.е. модели, связано с открытием положительного и отрицательного заряда, которым обладают все атомы: электроны – ядро. В этой связи Коссель развил представления о взаимодействии атомов. Теория валентности Косселя основывалась на переносе заряда от одного атома к другому. Этот перенос был обусловлен стремлением атомов завершить строение своей внешней оболочки до оболочки инертного газа, и, таким образом, становилось понятным, за счет чего возникают положительные и отрицательные заряды, которые потом притягиваются друг к другу. Хотя расчеты, выполненные даже для простых молекул типа щелочной металл-галоген, не совсем соответствовали экспериментальным данным, но по порядку величины с ними совпадали, что являлось яркой победой для того времени. Модель проста, расчет возможен, а, значит, наши представления верны. А то, что расчетные данные энергии взаимодействия атомов в молекуле, почти всегда давали большее значения энергии, чем экспериментально наблюдаемые, в то время мало кого волновало.

Льюис и Лангмюр попытались связать органическую и неорганическую химию, они соединили атомы в молекуле черточками, приписав каждой черточке пару электронов, по одному от каждого атома. Эта идея была блестящей, но ничего не давала с точки зрения расчета свойств, поскольку не имела математического описания.

Все эти теории и модели были изумительной игрой ума и воображения, но не давали возможности что-либо посчитать. Качество не переходило в количество.

10