Теория строения молекул и химической связи. Экспериментальные исследования строения молекул

Исследование природы химической связи и строения молекул развивалось параллельно с изучение. строения атома. К началу двадцатых годов текущего столетия Косселем и Льюисом были разработаны основы электронной теории химической связи. Гейтлером и Лондоном (1927) была развита квантовомеханическая теория химической связи. Тогда же получили развитие учение о полярной структуре молекул и теория межмолекулярного взаимодействия. Основываясь на крупнейших открытиях физики в области строения атомов и используя теоретические методы квантовой механики и статистической физики, а также новые экспериментальные методы, такие как рентгеновский анализ, спектроскопия, масс-спектроскопия, магнитные методы, метод меченых атомов и другие, физики и физи-ко-химики добились больших успехов в изучении строения молекул и кристаллов и в познании природы химической связи и законов, управляющих ею. [c.8]

При изложении теории химической связи, строения и свойств молекул рассмотрены метод молекулярных орбиталей МО ЛКАО, широко применяемый сегодня в практике расчетов строения электронной структуры и реакционной способности молекул, и наиболее информативный экспериментальный метод исследования — молекулярная спектроскопия. [c.3]

Теория строения молекул. Химическая связь. Экспериментальные исследования строения молекул [c.102]

АТОМ. ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ И ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛ [c.100]

Детальная количественная теория ковалентной связи была разработана после создания теории квантовой механики в 1925 г. В последние годы благодаря экспериментальным исследованиям строения молекул и кристаллов, а также в результате теоретических исследований были достигнуты крупные успехи, способствующие пониманию валентности и природы химических соединений. Теория резонанса была разработана примерно к 1930 г. [c.199]

Теоретические методы физической х1- мии неразрывно связаны с использованием экспериментальных физических и химических методов. При исследовании строения вещества, структуры молекул, элементарных актов химического взаимодействия широко используются такие методы, как рентгенография, оптическая, радио- и масс-спектро-скопия, изотопные индикаторы, измерение дипольных моментов и т. д. Современные приборы и установки позволяют изучать вещество и его физико-химические превращения в условиях сверхвысоких и сверхнизких давлений и температур, в сильных электромагнитных и гравитационных полях и т. д. Обработка результатов опытов и решение ряда теоретических уравнений проводятся с широким привлечением электронных вычислительных машин. Тесное сочетание теории и экс- [c.6]

В физической химии применяется несколько теоретических методов. Квантово-механический метод использует представления о дискретности знергии и других величин, относящихся к элементарным частицам. С его помощью определяют свойства молекул и природу химической связи на основе свойств частиц, входящих в состав молекул. Термодинамический (феноменологический) метод базируется на нескольких законах, являющихся обобщением опытных данных. Он позволяет на их основе выяснить свойства системы, не используя сведения о строении молекул или механизме процессов. Статистический метод объясняет свойства веществ на основе свойств составляющих эти вещества молекул. Физико-химический анализ состоит в исследовании экспериментальных зависимостей свойств систем от их состава и внешних условий. Кинетический метод позволяет установить механизм и создать теорию химических процессов путем изучения зависимости скорости их протекания от различных факторов. [c.5]

Глубокий анализ теории строения молекул, а также путей и перспектив развития этой теории имеется в книге В. М. Татевского [131. Экспериментальные данные о сильных химических взаимодействиях есть во многих учебниках, монографиях и справочниках по химии. Экспериментальные исследования слабых химических взаимодействий широко развернулись лишь в последнее десятилетие. Это вызвано успехами оптических, рентгенографических, радиофизических, термодинамических, акустических и многих других методов изучения вещества. Информация о слабых химических взаимодействиях между молекулами пока еще неполна и порой противоречива. Основная трудность состоит в том, что ни один из экспериментальных методов не является универсальным, т. е. дающим во всех случаях надежное и исчерпывающее знание свойств слабых химических связей. Такие сведения могут быть получены, как правило, лишь с помощью нескольких независимых методов. [c.55]

В 1933 г. появляется классическая работа Бернала и Фоулера [60] по теории строения воды и водных растворов. Проанализировав связь экспериментального значения плотности воды со средним расстоянием между ближайшими молекулами в ее жидкой структуре и рассчитав кривую интенсивности рассеяния рентгеновских лучей водою для трех типов распределения молекул (разупорядоченная плотнейшая упаковка, структура льда, структура кварца), они, сопоставив свои результаты с имевшимися тогда экспериментальными кривыми, пришли к выводу о тетраэдрическом типе строения воды. Можно считать, что это исследование положило начало новому структурному периоду попыток углубить наши представления о роли природы растворителя в свойствах электролитных растворов. При этом, как это часто бывает при увлечении новым направлением, дающим положительные результаты в отдельных частных случаях, иногда стали забываться другие стороны проблемы, в частности ее химический аспект. Кроме того, в некоторых работах удобная возможность истолкования структуры воды в плане возникновения только водородных связей привела к исключению из рассуждений иных типов взаимодействия- -диполь-дипольных, дисперсионных. [c.21]

В области соприкосновения физики и химии возник и успешно развивается сравнительно молодой из основных разделов химии — физическая химия. Предвиденная еще М. В. Ломоносовым, она окончательно оформилась лишь в последней четверти XIX в. в результате успешных попыток количественного изучения физических свойств химических веществ и смесей, теоретического объяснения молекулярных структур. Экспериментальной и теоретической базой этого послужили работы Д. И. Менделеева (открытие периодического закона, разработка гидратной теории растворов), Вант-Гоффа (термодинамика химических процессов, исследование химического равновесия), С. Аррениуса (теория электролитической диссоциации), В. Оствальда (закон разбавления) и т. д. Предметом ее изучения стали общетеоретические вопросы, касающиеся строения и свойств молекул химических соединений, процессов превращения веществ в связи с взаимной обусловленностью их физическими свойствами, изучение условий протекания химических реакций и совершающихся при этом физических явлений. Ныне это разносторонне разветвленная наука, тесно связывающая физику и химию. [c.87]

С момента своего возникновения квантовая химия была связана главным образом с изучением электронного строения молекул, т.е. электронного распределения в стационарных состояниях, а также состава входящих в волновую функцию молекулярных орбиталей, взаимного расположения уровней энергии занятых и виртуальных орбиталей и т.п. Были предприняты многочисленные попытки интерпретировать такие понятия классической теории, как валентность, химическая связь, кратность химической связи и др. Одновременно были введены и многие новые понятия, такие как гибридизация, а- и л-связи, трехцентровые связи и т.д., часть из которых прочно вошла в язык современной химической науки, тогда как другие оказались менее удачными и сейчас уже хорошо забыты. К тому же и содержание большинства понятий, возникающих внутри квантовой химии, заметно трансформировалось с течением времени. В квантовой химии было введено большое число различных корреляций между экспериментально наблюдаемыми для вещества и вычисляемыми для отдельных молекул величинами. Сама по себе химия является в существенной степени корреляционной наукой, базирующейся прежде всего на установлении соответствия между свойствами соединений и их строением и последующем предсказании требуемой информации для других соединений. По этой причине богатейший набор информации о строении, в том числе электронном строении соединений, предоставляемый квантовой химией, оказался как нельзя кстати для дальнейшего активного развития химической науки. Так, на основе квантовохимических представлений была развита качественная теория реакционной способности молекул, были сформулированы правила сохранения орбитальной симметрии, сыгравшие важную роль при исследовании и интерпретации реакций химических соединений. [c.4]

Исследование природы химической связи является центральной проблемой всей теоретической химии Изучение строения и реакционной способности вещества дает богатую информацию о характере взаимодействия между атомами в молекуле, способствуя все более углубленному моделированию химических процессов Обобщение экспериментальных данных приводит на определенных этапах развития химии к теоретическим концепциям, которые наряду с чисто познавательным аспектом имеют и громадное практическое значение, так как позволяют вести исследование более целенаправленно Однако только с созданием аппарата квантовой механики — науки о движении микрочастиц (атомов, ядер, электронов и т д ) — ранее существовавшие теории химической связи получили естественное объяснение Современная квантовая химия является частью квантовой механики, в основе которой лежит представление о корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц Если раньше электрон рассматривался как точечная частица, положение и скорость которой в принципе можно точно установить, то в дальнейшем было установлено, что электрон может обладать также и волновыми свойствами (например, мы можем при определенных условиях наблюдать дифракцию электронов) [c.56]

Опираясь на все эти постулаты и принимая определенные значения для чисел валентности атомов элементов в определенных рядах соединений, классическая теория получила аппарат, с помощью которого без экспериментальных исследований, используя только алгебру и комбинаторику, можно было решить следующий вопрос если заданы атомы элементов, входящие в состав частиц определенного ряда соединений, если заданы числа валентностей для каждого из атомов в рассматриваемом ряду соединений, то частицы какого состава и какого строения (в смысле формулы химического строения) могут существовать в рассматриваемом ряду соединений как единые более или менее устойчивые образования Так, например, основываясь на положениях, указанных выше, легко решить вопрос, каковы могут быть стехиометри-ческие формулы молекул, содержащих в своем составе только четырехвалентные атомы углерода и одновалентные атомы водорода, если взять такой класс этих молекул, в котором все связи С—С ординарные и молекулы не содержат циклов. Действительно, требуется определить возможные значения индексов п и т в формуле С Нт при указанных выше условиях. [c.22]

Таким образом, основные методологические принципы теории химического строения Бутлерова сохранили всю свою актуальность и в наши дни. Разумеется, за 90 лет существования теории химического строения многие ее понятия должны были порой изменять свое содержание под влиянием новых опытных данных. Если Бутлеров полагал нужным разграничивать понятия о пространственном расположении атомов и о химическом строении, считая, впрочем, такое разграничение временным, то для современной теории оно потеряло смысл, и современный органик, используя данные физического исследования молекул, говорит об их строении в буквальном смысле этого слова, т. е. имеет в виду пространственное, плоскостное или линейное расположение атомов в них, характеризуемое экспериментально определенными расстояниями между ними, валентными углами. Если Бутлеров в 1861 г. говорил о порядке химической связи в сложных молекулах, то современный химик имеет возможность судить о природе отдельных связей между отдельными атомами, о физическом различии между однократными и многократными ковалентными связями и т. д. Если Бутлеров говорил в довольно общей форме о взаимном влиянии атомов, непосредственно друг с другом не соединенных, то современный химик имеет возможность в ряде случаев судить о природе и характере этого влияния. [c.75]

Некоторые предположения, выдвигавшиеся ранее, получили дальнейшее развитие и занимают существенное место в современной теории строения бороводородов. Наиболее плодотворным является представление о связи атомов бора в молекулах бороводородов не непосредственно, а через водородные атомы, образующие так называемую мостиковую связь между двумя атомами бора [52, 55, 56]. Экспериментально это было подтверждено для диборана результатами современных методов исследования (электронография, ИК-спектры, спектры комбинационного рассеивания и др.) и согласуется с его химическими свойствами [57—63]. [c.109]

Современная стереохимия включает в себя, конечно, основные идеи и достижения классической стереохимии, но отличается от последней главным образом в двух отношениях. В современной стереохимии широко применяются разнообразные экспериментальные физические методы исследования пространственного строения молекул, что позволило превратить исходные положения классической стереохимии из гипотез, которые ранее, как будет видно из следующей главы, подвергались многочисленным попыткам пересмотра, в твердо установленные истины. Эти же методы позволили превратить классическую стереохимию из науки по существу качественной (если не считать соображений о валентных углах, подсказываемых моделью углеродного тетраэдра) в количественную, оперирующую более или менее надежными данными о геометрических параметрах молекул. Второе отличие современной стереохимии от классической связано с разработкой, после создания квантовой химии, учения о природе химической связи, а следовательно, с подведением под стереохимию фундамента в виде физической теории. В результате современная стереохимия может более тонко и точно описать пространственное строение органических соединений. Характеристике того нового, что внесло в стереохимию применение современных методов экспериментальной и теоретической физики, будут посвящены [c.67]

Б. Физическая химия. Общие вопросы. Теория строения молекул и химической связи. Экспериментальные исследования строения молекул. Кристаллохимия и кристаллография. Химия твердого тела. Газы. Жидкости. Аморф ные тела. Радиохимия. Изотопы. Термодинамика. Термо.лимия. Рав.човесия. Физико-химический анализ. Фазовые переходы. Кинетика. Горение. Взрывы. Топохимия. Катализ, Фотохимия. Радиационная химия. Теория фотографического процесса. Газовая электрохимия. Растворы. Теория кислот и оснований. Электрохимия. Поверхностные явления. Адсорбция. Хроматография. Ионный обмен. Химия коллоидов. Дисперсные системы. [c.33]

Учение о природе химической связи является центральной проблемой всей теоретической химии. Изучение строения и реакционной способности вещества дает богатую информацию о характере взаимодействия между атомами в молекуле, способствуя все более углубленному моделированию химических процессов. Обобщение экспериментальных данных приводит на определенных этапах развития химии к теоретическим концепциям, которые наряду с чисто познавательным аспектом имеют и громадное практическое значение, так как позволяют вести исследования более целенаправленно. Однако только с созданием аппарата квантовой механики — науки о движении микрочастиц (атомов, ядер, электронов и т. д.) ранее существовавшие теории химической связи получили естественное объ- [c.43]

Как уже отмечалось, диффузия в жидких и твердых телах независимо от их химической природы и фазового состояния осуществляется путем обмена мест между молекулой диффундирующего вещества и молекулами диффузионной среды под влиянием градиента концентрации и кооперативного теплового движения окружающего комплекса молекул. Особенность высокомолекулярных тел как диффузионных сред для большинства анализируемых систем обусловлена прежде всего огромной разницей в размерах макромолекул диффузионной среды и диффундирующих молекул. Очевидно, что в этих системах перемещение мигрирующей молекулы связано с обменом места не с целой макромолекулой, а лишь с ее небольшой частью — звеном, группой звеньев или иной структурной единицей. Скорость процессов структурной перегруппировки связана с сегментальной подвижностью, которая в свою очередь определяется средней долей свободного объема диффузионной среды. Накопленный в настоящее время экспериментальный материал позволяет рассматривать / или Уев как некоторую количественную интегральную характеристику кинетических свойств полимерных тел Г29, 36, 183]. Напомним, что аналитическое выражение этой связи в нашем случае дается выражением (1.43). Отметим полуколичественный характер теории свободного объема, связанный с тем, что она не позволяет получать абсолютных значений коэффициентов диффузии, а рассматривает лишь их изменение относительно некоторого состояния под влиянием тех или иных факторов. Достоинство этой теории состоит в том, что она позволяет на основе простейших предположений получать аналитические выражения для интерпретации экспериментальных данных, построить стройную схему расчетов диффузионных свойств практически любых по составу, строению и структуре полимерных матриц, резко сократить число систем, подлежащих экспериментальному исследованию. [c.115]

Утверждение объективного существования атома и доказательства сложности его внутреннего строения стали триумфом материалистического естествознания. Атомная физика начала оказывать все возрастающее влияние на развитие физической химии. Электрон проникает в химию и структурные формулы молекул приобретают новый электронный облик. Как бы ни были робки, а иногда и наивны первые попытки создать электронную теорию химической связи, они сыграли важную роль и стимулировали развитие физико-химических методов исследования. Рентгенография, спектроскопия, электронография и другие магнитные измерения стали мощным арсеналом экспериментальных средств, при помощи которых можно было проверить достоверность теоретических предположений. [c.6]

В настоящей книге рассмотрены экспериментальные и теоретические основы ряда радиофизических и оптических методов изучения теплового движения молекул и строения индивидуальных жидкостей и растворов неэлектролитов. Описаны некоторые результаты исследований жидких систем, не и.меющих межмолекулярной водородной связи, выполненных автором и его сотрудниками в лаборатории растворов химического факультета МГУ. На основании этих результатов проанализирован ряд проблем молекулярной теории жидкого состояния вещества. [c.5]

Для описания связи в комплексах переходных металлов, что существенно для понимания свойств соединений и количественного описания химических процессов катализа, в настоящее время пытаются применить теорию поля лигандов. Такое название получил метод молекулярных орбиталей (МО) Гунда — Маликена в применении к специфическим свойствам комплексов переходных металлов. Обычно применяют полуэмпирический метод МО с использованием линейной комбинации атомных орбиталей (метод МО ЛКАО), предложенный Маликеном — Вольфсбергом — Гельмгольцем (МВГ). Необходимо заметить, что квантовохимические расчеты из-за их приближенности и ряда допущений хороши только в том случае, если они сочетаются с экспериментальными методами исследования строения молекул и кинетики химических превращений. [c.389]

Довольно широкие исследо.вания. связи скоростей реакций со строением молекул были проведены в начале 20-х годов XX в. после некоторого углубления представлений об влектронном строении органических соединений [264, стр. 55, 56] и создания первой теории химической кинетики [21, стр. 9]. Однако неправильная предпосылка о слабой зависимости скорости реакции от условий ее протекания, положенная в основу теории соударений (что неверно для многих, в основном органических реакций — медленных превращений ), очень затруднила расчет скоростей взаимодействия органических молекул. Поэтому исследование зависимости реакционной способности от строения органических молекул в 20-х годах XX в. носило преимущественно эмпирический характер, поскольку оно было основано скорее на экспериментальном изучении механизмов реакций [264, стр. 116—1126], чем на расчетных методах первой кинетической теории. [c.76]

Приведенные мною примеры указывают на плодотворность применения метода изучения электронной плотности к проблеме исследования природы химической связи. Представление строения молекул органических соединений, так же как и других объектов, в виде распределения электронной плотности позволяет рассматривать молекулу как единое целое в соответствии с теорией химического строения Бутлерова, который говорил Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует здесь определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение действия этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу (А. М. Бутлеров. Избр. работы по органической химии. Изд. АН СССР, 1951, стр. 71—72). Согласно современным представлениям, химические силы обусловлены валентными электронами атомов, и, следовательно, изучение распределения электронной плотности является основной задачей современного развития теории химического строения как органических, так и других соединений. В настоящее время еще очень мало внимания уделяется прямому определению (при помощи эксперимента) распределения электронной плотности. Работа эта в экспериментальном отношении очень сложная и требует значительных усилий от исследователя, но большое значение полученных этим методом результатов требует значительного расширения работ по определению электронной плотностн. Совокупное применение синтеза, изучения химических и физических свойств и определения электронной плотности, несомненно, будет способствовать дальнейшему развитию теории химического строения Бутлерова. [c.196]

В основе обычных процессов крашения лежит способность текстильного волокна абсорбировать красители из водных растворов и удерживать их. Природа явления абсорбции, или субстантив-п.остн , красителей представляет теоретический интерес и имеет большое практическое значение, но она не привлекла к себе того внимания, которого заслуживает. Необходимы более широкие экспериментальные исследования в этой области и накопление большего количества точных данных об абсорбции красителей различными типами природных и синтетических волокон. При изучении механизма крашения должно быть принято во внимание химическое строение и тонкая структура волокна, химическое строение красителя и структура его водного раствора, а также влияние добавляемых веществ и условия обработки в процессе крашения. Учитывая различие между физическими п химическими свойствами волокон разных видов, например хлопка, вискозы, ацетилцеллюлозы, шерсти и найлона, и большое многообразие в строении и свойствах многочисленных красителей, доступных в настоящее время, ясно, что единая теория крашения ие может объяснить все процессы крашения. Исчерпывающее рассмотрение вопроса, особенно с физико-химической точки зрения, выходит за пределы данной книги, и предлагаемый обзор в основном посвящен особенностям строения молекул красителей, которые, по-видимому, связаны с субстантивностью по отношению к хлопку и шерсти, основным типам целлюлозного и протеинового волокон. [c.1429]

Проблема заторможенного внутреннего вращения вокруг ординарной связи С—С в молекулах с сопряженными двойными связями С = С и С = 0 связана с явлением, известным в литературе под названием з гапз- и 5-т-изометрии [1]. Эта проблема оживленно обсуждается на протяжении трех десятилетий, поскольку имеет важное значение для теории химического строения. Тем не менее не только теоретическое исследование этой проблемы не завершено, но и экспериментальное изучение этого явления для указанных молекул не закончено, и проблема по существу до сих пор остается не решенной. Во многих случаях выводы экспериментальных работ противоречат друг другу или трактуются различными авторами по-разному. Поэтому существует настоятельная необходимость внимательного рассмотрения прежде всего экспериментальной стороны дела, критического анализа результатов экспериментальных исследований. [c.333]

Изучение жирных и ароматических соединений происходило постепенно, путем длительного накапливания экспериментального материала, начиная с открытия и исследования первых индивидуальных представителей этих классов органических веществ. Затем, в 60 и 70-х годах прошлого столетия, в связи с появлением структурной теории, стала вырисовываться их научная характеристика строение их молекул и зависящие от химического строения сво11ства. Даже и эта характеристика применительно к обоим названным классам появлялась постепенно она складывалась в свете теории химического строения из многих и многих работ,выполненных химиками разных стран и в разное время. Иначе обстояло дело с изучением алициклических соединений. Здесь имеются свои особенности, подчеркивающие в известной мере противоположный характер исторического процесса развития этой области органическо химии. Этот процесс оказался далеко не таким постепенным общая структура его выглядит не такой последовательно собирательной. В отличие от изучения жирных и ароматических соединений, здесь превалирует дедукция, вызванная научной теорией. [c.6]

Первыми объектами рентгеноструктурного анализа стали фибриллярные белки, а среди них - фиброин шелка. Его рентгенограмма получена в 1920 г. Р. Герцогом и У. Янке [5-7] и несколько позднее Р. Бриллем [8]. Было обнаружено, что белок состоит из кристаллической и аморфной частей. В состав кристаллической части входят только глицин и аланин в соотношении 1 1. Со ссылкой на Н.Д. Зелинского (независимо это сделать было нельзя) авторы высказали предположение, что аминокислотные остатки образуют в белке метил-дикетопиперазины во всяком случае, полициклическая структура белка не противоречила наблюдаемой дифракционной картине. Сторонники дикетопиперазиновой теории восприняли это не как предположение, а как независимое экспериментальное доказательство ангидридного строения белковых молекул и в течение длительного времени ссылались на работы Герцога и Брилля, якобы подтверждавших справедливость их точки зрения. Серию интересных исследований структуры высокомолекулярных органических соединений, в том числе и белков, выполнили в 1920-е годы Мейер и Марк [3, 9]. В отношении химической организации этих соединений они придерживались мнения Г. Штаудингера, а в отношении природы белков - представлений Э. Фишера. Г. Штаудингер впервые (1922 г.) предположил, что высокомолекулярные соединения не являются веществами, состоящими из небольших, ассоциированных в растворе в крупные агрегаты молекул, наподобие коагулянтов, как считали раньше, а представляют собой структуры, все звенья которых валентно связаны между собой, образуя линейные, разветвленные, плоские или пространственные сетчатые цепи главных валентностей. [c.8]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология