Это мой хороший знакомый, академик

Анатолий Леонидович Бучаченко, который бывал у меня в моей комнате аспирантского общежития. Он был научным руководителем моего соседа по комнате Д. Победимского.

Химия как музыка Химические ноты и новые мелодии нового века академик а. Л. Бучаченко

Химия - наука социальная. Её высшая цель - удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья - это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга - это прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Живой организм - это гигантский химический макрореактор, и освоение его химической галактики ещё предстоит.

Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т.д.

Всё это - внешняя, наружная сторона химии, доступная и ясная всем. Но в химии есть свой внутренний мир, внутренняя логика, внутренняя торжественная красота, внутренняя музыка: И об этом пойдёт речь ниже.

Как фундаментальная наука химия сформировалась в начале XX века, вместе с новой, квантовой механикой. И это бесспорная истина, потому что все объекты химии - атомы, молекулы, ионы, и т.д. - являются квантовыми объектами. Главное, центральное событие в химии - химическая реакция, т.е. перегруппировка атомных ядер и преобразование электронных оболочек, электронных одежд молекул-реагентов в молекулы продуктов - также является квантовым событием.

Три главных элемента квантовой механики составили прочный и надёжный физический фундамент химии:

• понятие волновой функции электрона как распределённого в пространстве и времени заряда и спина (углового момента);

• принцип Паули, организующий электроны по энергетическим уровням и спиновым состояниям, "рассаживающий" электроны по их собственным орбиталям (волновым функциям);

• уравнение Шредингера как квантовый наследник уравнений классической механики.

Осознание и точное понимание этих трёх "китов" делает абсолютно ясным и прозрачным всё величественное, монументальное здание химии; из них рождается всё богатство и многообразие химии, в них заложена её стройная логика, совершенство и красота. Именно они преобразовали периодическую таблицу Менделеева - величайшее открытие XIX века, значение которого выходит далеко за рамки химии - в Периодический Закон. А они не тождественны: в Таблице химические элементы располагаются в порядок по массам атомных ядер, Периодический Закон управляет заполнением электронных оболочек в ряду элементов, он диктует химическое поведение атомов, из него следует вся теория химического строения Вещества.

Химические ноты.

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

(1)

где H есть оператор энергии

(2)

который включает кинетическую энергию электрона (p импульс, m масса электрона) и его потенциальную энергию (e заряд электрона и протона, r электрон-протонное расстояние). Решение этого уравнения (его можно найти в учебниках) даёт дискретные уровни энергии E и волновые функции (орбитали) электрона , квадрат которых ||² даёт распределение заряда электрона в пространстве.

Функции Ё(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 всего Мира).

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

Этих функций всего шестнадцать: одна s-орбиталь, три p-орбитали, пять d-орбиталей и семь f-орбиталей; пространственная ориентация и форма s-, p- 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 рождаются бесконечные шахматы, как из семи простых музыкальных нот рождается волшебная и вечная музыка, так из шестнадцати простых атомных орбиталей - химических нот, сотворена могучая и неисчерпаемая химия, построена вся химическая архитектура мира. Наука и искусство химического синтеза - это знание и предвидение как комбинировать орбитали атомов, чтобы осуществлять химическую сборку атомов, создавая заданные молекулы и вещества. Образно говоря, химия - это могучая, шестнадцатинотная 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, эти химические ноты, следующие из решения уравнений (1) и (2), построены в этом приближении, т. е. 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 учитывать 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, см. рис 1), т. е. готовит атомы с электронами, населяющими эти орбитали. Далее на этот пучок направляется зондирующий пучок инертных атомов (например, гелия) и наблюдается рассеяние этих атомов на электронах, заселяющих р_z или d_z² орбитали рассеивающих атомов. Диаграмма рассеяния воспроизводит форму рассеивающего потенциала.

Результаты этих 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 ещё и надёжное доказательство - в химии работает только кулоновское взаимодействие. И волшебство химии, её очарование 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, разветвлённо-цепные, и т.д.), богатство химических состояний (молекулярных, зарядовых, спиновых, состояний 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 трёх 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 прижилось уже навсегда); она выстраивает угловые моменты (спины) электронов и создаёт ферромагнетизм, на котором построены ферромагнитные вещества - основа генераторов, радио, телевидения, связи, 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 её химикам:" (продолжение фразы не цитируется, ибо оно звучит обидно для плохих физиков).