книги из ГПНТБ / Хабердитцл, В. Строение материи и химическая связь
.pdfSfUDlENBOCHEREl
W. Haberditzl
Bausteine der Materie und chemische Bindung
VEB Deutscher Verlag
der Wissenschaften
BERLIN 1972
В. Хабердитцл
Строение материи и химическая связь
Перевод с немецкого канд. хим. наук В. В. ДУНИНОИ
Под редакцией доктора хим. наук Н. С. ЗЕФИРОВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва 1974
6 |
Предисловие |
Недостатки книги, как это часто бывает, являются продолжени ем ее достоинств. Очевидно, что изложить все теоретические разде лы в равной степени удачно чрезвычайно трудно. И действительно, некоторые разделы написаны предельно конспективно. Можно так же не соглашаться с относительной оценкой значения отдельных разделов. Однако мы отказались от значительного дополнения тек ста и ограничились лишь необходимыми примечаниями. Существен ной переработке и дополнению подверглась только библиография. Нам это казалось необходимым с учетом того, что краткость изло жения некоторых разделов может стимулировать самостоятельное углубленное изучение ряда вопросов с привлечением дополнительной литературы.
Считаем необходимым отметить также хотя и не первостепенно важную, но все же такую существенную деталь, как довольно жи вой стиль изложения. Автор часто использует нестандартные или необщепринятые (даже в немецкой литературе) формулировки и термины. Мы по возможности старались сохранить эту особенность и изменяли терминологию на принятую у нас только в тех случаях, когда появлялась альтернатива явного непонимания. Кроме того, при переводе была опущена небольшая глава, посвященная сим метрии: на наш взгляд, она написана излишне бегло и фрагментарно
ине может служить для обучения (даже начального) теории групп.
Взаключение еще раз подчеркнем, что данную книгу можно счи тать новаторской в методическом и педагогическом аспектах. Ана
логичные учебные пособия в СССР пока отсутствуют, и, несмотря на отмеченные недостатки, книга будет, несомненно, полезной ши рокому кругу читателей.
Н. Зефиров
ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА
Усвоение теории химической связи учащимися в пер вые годы обучения затруднено из-за отсутствия соответ ствующей литературы на немецком языке, тогда как на растание информации в этой области на английском языке идет лавинообразно.
Квантовая химия только недавно заняла прочное мес то в системе университетского образования химиков, и дидактический и литературно-методический опыт высшей школы еще довольно скуден. Особая дилемма возникает
врезультате вполне обоснованного требования: излагать основы теории с учетом достаточной математической под готовки. То, что с точки зрения чистого теоретика кажется
внастоящей книге совершенно очевидным, составляет предмет справедливых забот для методиста. Например, указания на границы применимости одноэлектронной мо дели должны уберечь читателя как от некритической пе
реоценки, так и от преждевременного пессимизма при пер вом, качественном знакомстве с трудными понятиями.
Первая часть этой книги опирается преимущественно на главу «Строение материи», которую автор написал для «Неорганикума», изданного проф. Л. Колдитцем. Здесь математические требования минимальны, предполагается только наличие некоторых навыков в дифференцирова нии. Вторая часть представляет собой первое введение в
квантовохимический аппарат, включая элементарную теорию МОХ. Здесь также используется только математи ческий материал первого года обучения.
Необходимость быстрого издания этого, как мы счита ем пробного пособия, содержащего введение в теорию свя зи для учащихся первого года обучения, обусловлена про исходящим сейчас превращением химии из описательной
8 ’ Предисловие автора
науки в точную и вытекающим отсюда быстрым процессом изменения обучения химии.
Чем раньше студент познакомится с основными поло жениями квантовой химии, тем скорее сможет понять изме нения в структуре химической науки и увидеть взаимо связи, которые никоим образом не являются чисто теоре тическими, но имеют и чисто практический выход.
Я благодарен проф. д-ру Л. Колдитцу за идею созда ния этой книги и многочисленные ценные предложения. Я должен выразить здесь также благодарность д-ру В. Шмидту и К. Дорингу за полезные указания. Наконец, я выражаю благодарность и признательность фрау Э. Швидерек за техническую помощь. Особую благодарность я выражаю издательству Deutscher Verlag der Wissenschaften
за сотрудничество в работе.
В. Хабердитцл
Ч А С Т Ь I
Основные понятия химической связи
1. АТОМИСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МАТЕРИИ
Развитие современных представлений о структуре ма терии началось с первых попыток людей глубже проник нуть в сущность окружающих их вещей. Такие свойства материи, как дискретность и движение, которые сейчас для нас даже мысленно совершенно неотделимы от мате рии, были предметом обсуждения еще греческой натурфи лософии. Понятие «атом» (аторо£ — неделимый) было вве дено Демокритом в V в. до нашей эры. Каждому, кто при ступает к изучению химии, следует ознакомиться с исто рическим развитием атомистических представлений в хи мии, за которым последовало зарождение кинетической теории. В данной главе в сжатой форме представлен ос новной экспериментальный материал, который положил начало атомистической теории материи. Этот экспери ментальный материал способствовал появлению теорети ческой химии.
1.1. Закон сохранения массы
Закон сохранения массы при химических превраще ниях впервые был сформулирован Ломоносовым (1748) и им же проверен экспериментально (1756, взаимодействие свинца с воздухом в запаянном стеклянном сосуде). Неза висимо и несколько позднее Лавуазье (1774) доказал спра ведливость этого закона на основании собственных опы тов.
В 1908—1909 гг. Ландольт и Йотвэс подтвердили сохра нение массы при химических реакциях в закрытых систе мах с максимально достижимой точностью (ошибка
< lQ -6%),
10 Часть I. Основные понятия химической связи
Результатом современного развития атомной физики и теории относительности явилось доказательство идентич ности закона сохранения массы и закона сохранения энер гии (Ломоносов, 1748; Майер, 1842). Закон соотношения массы и энергии (Эйнштейн) гласит, что каждое измене ние энергии системы связано с изменением массы
АЕ = с2А/л,
Здесь коэффициент пропорциональности — квадрат ско рости света; это чрезвычайно большое число по сравнению с величиной Ат, измеренной в обычных единицах. Поэ тому изменения массы при химических реакциях, связан ные с изменением энергии указанным соотношением, нель зя доказать современными экспериментальными метода ми. (Например, при сжигании 1 г водорода до воды изме нение массы составляет 1,576 • 10_0г.) Однако при ядерных реакциях, сопряженных с очень большими изменениями энергии, приведенное выше соотношение может быть под тверждено экспериментально.
Сохранение массы при химических превращениях (с учетом указанных ограничений) является также логи ческим следствием атомной гипотезы: если исходить из того, что при химических реакциях атомы — мельчай шие элементарные частицы, составляющие вещество,— не изменяются, а только соединяются друг с другом, то, естественно, что массы при этом должны оставаться неиз менными.
1.2. Закон постоянных и кратных отношений
Изучение изменения масс при химических реакциях привело Рихтера (1791), Пруста (1799) и Дальтона (1799 или 1802) к формулировке основных законов стехиомет рии:
1.Соотношения масс элементов или составных частей данного соединения всегда постоянны.
2.Если два элемента соединяются друг с другом в нес кольких соотношениях, эти соотношения масс, как пра вило, относятся друг к другу как небольшие целые числа.
Развитие Дальтоном (1803) этих представлений приве ло к окончательному внедрению атомистических представ
1. Атомистическая структура материи |
11 |
лений в химии. По Дальтону, атомам каждого элемента можно приписать некоторую относительную массу. Про извольно приняв атомный вес какого-либо определенного элемента за единицу (Дальтон выбрал для этого водород), на основании законов стехиометрии можно определить атомные веса всех элементов. Это отражает количествен ную сторону законов стехиометрии.
1.3. Закон Гей-Люссака, Гумбольта и Авогадро. Химические уравнения
Гей-Люссак и Гумбольт в 1805 г. установили, что газы реагируют друг с другом только в целочисленных объем ных соотношениях, например:
1 объем кислорода + 2 объема водорода = 2 объема воды (пар),
1 объем хлора + 1 объем водорода = 2 объема хлористого водорода, 1 объем азота + 3 объема водорода = 2 объема аммиака.
Эти закономерности проще всего понять, если предполо жить, что равные объемы реагирующих газов (при одина ковом давлении и температуре) содержат одинаковые ко личества мельчайших частиц. При этом вслед за Авогадро (1811) следует предположить, что частицы, образующиеся при соединении атомов газообразных элементов, участву ющих в приведенных выше реакциях, являются молеку лами. Гипотеза Авогадро имела первостепенное значение для общего развития химии, потому что благодаря ей ста ло возможным составление химических уравнений.
Так, согласно закону Авогадро, уравнение синтеза воды долж но выглядеть следующим образом:
Юл + 2Н;/ = 2гНуО0Ъх,
где х должен иметь значение по меньшей мере 2; значение у может быть оценено только путем привлечения других реакций водорода с газами, например:
1Н, + 1С12 == 2Н0>5г/С10|52
или
ЗНу + Шш = 2N0>5ffi,H1)6y.
Оказывается, что у = z — w и равно по меньшей мере 2. Более того, нельзя найти ни одной реакции, для которой необходимо было бы предположить, что х > 2 и у > 2. Отсюда следует, что х = у = 2,