Для изучения строения молекул. Молекул строение. Геометрия молекул. Гибридизация

Глава 1. Анализ содержания курса химии 8-11 класса по вопросам строения вещества и его обеспечения средствами 14-54 наглядного моделирования.

1.1. Задачи и особенности изучения строения вещества в школьном курсе химии. 14

1.2. Моделирование как метод научного исследования и его роль при формировании целостного знания о строении вещества. 27

1.3. Традиционные модели атомов и молекул, используемые в преподавании естественнонаучных дисциплин. 45 - 54 Выводы к главе 1. 55

Глава 2. Педагогико-эргономические требования к созданию и использованию моделей для изучения строения вещества. 57

2.1. Принцип научности и адаптация новых научных данных для обучения. Современные тенденции развития моделирования. 57

2.2. Педагогико-эргономические требования к моделям атомов и молекул и их новые дидактические возможности. 75

2.3. Характеристика комплекта моделей для изучения строения веществ. 104 -

Выводы к главе 2. 110

Глава 3. Организация использования комплекса моделей при изучении строения вещества в курсе химии средней школы. 112

3.1. Методические возможности использования комплекса с включением кольцегранных моделей при изучении строения веществ в курсе химии средней школы. 112

3.2. Методические приёмы использования комплекса моделей с включением колыдегранных моделей для демонстрации и проведения практических работ по неорганической и органической химии. 122

3.3 Экспериментальная проверка педагогической эффективности комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы. 156

Выводы к главе 3. 168

Рекомендованный список диссертаций

• Методика формирования основных понятий химии в начальном курсе на основе модельных представлений о строении вещества 1984 год, кандидат педагогических наук Кузнецова, Лилия Михайловна

• Методические основы формирования системных знаний по химии в общеобразовательной школе 1984 год, доктор педагогических наук Тыльдсепп, Аарне Альберт-Романович

• Изучение теоретических моделей атома и атомного ядра в курсе физики основной школы 2002 год, кандидат педагогических наук Пекшиева, Ирина Владимировна

• Теоретические основы создания и использования системы материальных средств обучения химии в средней школе 1988 год, доктор педагогических наук Назарова, Татьяна Сергеевна

• Методические возможности обучения учащихся реализации межпредметных связей органической химии и физики 1985 год, кандидат педагогических наук Дюсюпова, Лидия Зейнеловна

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание и использование комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы»

Актуальность исследования

В современной общеобразовательной школе осознанное понимание химических процессов требует глубокого изучения строения атомов, молекул, кристаллических структур тел и природы химической связи. Курс химии средней школы строится на основе атомно-молекулярной теории, закона Авогадро, законов постоянства состава и сохранения массы вещества, периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, теории строения веществ.

Формирование понятий о строении вещества относится к одной из наиболее важных задач в методике обучения химии.

Моделирование - это метод познания изучаемых качеств объекта через модели: действия с моделями, позволяющие исследовать отдельные, интересующие нас качества, стороны или свойства объекта или прототипа.

Учебные модели составляют существенный компонент учебно-методического комплекта, центральное место в котором принадлежит учебникам и учебно-методической литературе.

Модели определяются как учебные изобразительные средства, замещающие натуральные объекты и передающие их структуру, существенные свойства, связи и отношения.

Особенное значение имеет применение моделей при изучении процессов, которые невозможно наблюдать из-за большой разницы временных или пространственных масштабов. Модель оказывается единственным объектом, который является носителем информации о процессе или явлении. В такой ситуации большое значение отводится модельному эксперименту. Модельный эксперимент - это особая форма эксперимента, для которой характерно использование действующих материальных моделей в качестве специальных средств экспериментального исследования. К модельному эксперименту, в котором вместо самого объекта изучается замещающая его модель, прибегают в случаях, когда объект исследования недоступен наглядному созерцанию, как объект микромира. Поэтому проблема моделирования особенно актуальна в естественных науках. В физике и химии - это проблема моделирования микрообъектов, то есть атомов и молекул.

Наибольший объем информации человек получает с помощью зрения, поэтому в первую очередь должны быть представлены «очевидные» модели. Предпочтительнее, чтобы они были ещё и осязаемые, то есть материальные. Опыт многолетнего применения моделей в процессе обучения химии показал их большую роль в процессе обучения, эффективность воздействия с их помощью учителя на ученика. Необходимость использования наглядных моделей, продолжающееся их совершенствование и появление новых моделей обусловлены развитием химии как науки и продолжающимся развитием методики технологий обучения.

Существенным фактором, препятствующим созданию моделей, удовлетворяющих педагогико-эргономическим требованиям, является несовместимость современных научных представлений с большинством простых и наглядных образов, используемых в моделировании. Попытка адаптации научных данных к процессу обучения в школе приводит к созданию упрощённых моделей и связана с определенными погрешностями в отображении свойств. Фактически создание учебных моделей сводится к задаче оптимального выбора между моделями различной степени сложности и различной изобразительной мощности. С дидактической точки зрения, это неизбежно приводит к необходимости формирования комплекса взаимосвязанных моделей, описательные характеристики которого должны удовлетворять всем запросам наглядного моделирования.

Первая попытка систематизации учебного оборудования и ее обоснование с точки зрения специфики химической науки и дидактического принципа наглядности обучения была осуществлена А. А. Грабецким и К. Я. Парменовым в книге «Учебное оборудование по химии». Авторы делают вывод о том, что наглядные пособия должны применяться в процессе обучения продуманно, в определенной системе, что они ценны как важное дидактическое средство, помогающее достижению учебно-воспитательных задач.

Однако традиционно используемые модели не являются достаточными для формирования комплекса моделей для обучения. Выборочность моделируемых с их помощью свойств, взаимная несовместимость моделей и отсутствие между ними структурно-логических связей создает препятствия обучению и усложняет процесс усвоения информации. Следует дополнить список рекомендуемых моделей такими современными моделями, которые позволили бы связать воедино исторические модели атома, отражающие собой развитие знаний об атоме (Демокрита, Томсона, Резерфорда), модели, ставшие уже традиционными при изучении химии (шаростержневые, Стюарта -Бриглеба, или Полинга), модели, используемые в вычислительных научных методах (метод М.О.). Необходимо создание иерархичной системы моделей, в рамках которой могли бы быть построены различные модели и объяснены особенности строения атома, иллюстрируя в зависимости от необходимости определенные моделируемые стороны.

Из-за сложности изложения основ квантовой химии в учебниках для восьмых и девятых классов не даётся необходимого разъяснения причин размещения электронов вокруг ядер, не рассматривается возможность определения числа электронов на энергетическом слое. Это затрудняет формирование представлений об электронном строении атомов, молекул, кристаллических тел. А это относится к основным задачам изучения курса химии, начиная с восьмого класса общеобразовательной школы.

Проблемы моделей и моделирования остаются актуальными при изучении периодического закона и периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева: необходимо проводить демонстрацию моделей устойчивых электронных оболочек, которые определяют вид таблицы химических элементов. При изучении химических связей также необходимы простые образы взаимодействия атомов с образованием общей молекулярной оболочки. Такое явление должно сопровождаться наглядным образом, а не только символьным обозначением.

Необходимость в наглядных моделях столь велика, что в опыте школ изготавливают множество наглядных моделей для отображения электронных формул. Для демонстрации смещения электронов от одного атома к другому используются различные подходы: магнитная доска с изображением точки (электрона); коробочки с разноцветными фишками, обозначающими электроны, и кругами, обозначающими атомы различных веществ и ионов; набор из цветных пластмассовых фигур, изображающих различные виды электронных облаков, полусфер, обозначающих атомы или ионы на магнитной основе. Вышеперечисленные и подобные им наглядные пособия эквивалентны рисованию электронных схем на доске. Отличие в том, что модели, оставаясь знаковыми, приобретают некоторые черты материальности - становятся осязаемыми и динамичными, но от этого их информационная ёмкость не повышается.

Актуальной проблемой является создание новых учебных моделей, аналогичных научным и обладающих дидактическими свойствами. Этой проблеме методисты уделяют большое внимание на всём протяжении совершенствования научных моделей. А. И. Шпак предлагал в восьмом классе в виде первой модели использовать электрон, рассматривая его расположение в пространстве, форму электронного облака . С. Н. Дроздов рекомендовал для этой цели использовать модели, изготовленные из мягкой медной или алюминиевой проволоки .

B.C. Полосин для изложения вопроса о направленности электронных облаков в пространстве использовал модели из мячей и надувных шаров, а также разборные модели s- и р- орбиталей, выполненные из проволоки, окрашенной в различные цвета. По результатам работы со школьниками им сделан вывод, что при изучении явлений микромира нельзя ограничиваться только одним видом наглядных пособий, необходимо применять комплекс различных моделей и других средств наглядности .

Ю. И. Булавин предлагал использовать механические и электрические устройства для приведения во вращение деталей, воспроизводящих различные формы электронных облаков .

C. С. Бердоносов, констатируя, что подход к объяснению строения даже простейших молекул (СНЦ, NH3, НгО и др.), который традиционно используют в средней школе, мало нагляден и весьма сложен, основан на целом ряде искусственных допущений, аргументированно предлагает использовать модели Р. Гиллеспи, которые весьма просты и позволяют объяснять строение не только молекул с простыми связями, но и веществ значительно более сложного состава, образующих двойные и тройные связи .

Обучающие модели, как и исследовательские должны быть информативными, то есть их использование должно создавать образ, насыщенный информацией, необходимой и достаточной для формирования понятия о моделируемом объекте. В то же время информативная (научная) насыщенность обучающих моделей не должна конфликтовать с их приспособленностью к специфике учебного процесса. В отличие от исследовательских обучающие модели одного объекта или явления не должны входить в противоречие с мировыми закономерностями и должны быть совместимыми между собой. Под совместимостью понимается такое взаимоотношение моделей, при котором имеется возможность замены одной модели другою без ущерба для общей научной картины изучаемого явления. Использование совместимой модели, вместо рекомендованной должно приводить не к противоречиям, а либо к усложнению способа объяснения, либо, в крайнем случае, к потере моделируемой стороны объекта.

В целом появление различных моделей объясняется разным уровнем сложности моделируемых явлений и различными областями их применения. Поэтому границы применения различных моделей обязательно должны пересекаться. Обязательно должна быть область пересечения, в которой возможно применение как минимум двух моделей. В идеальном случае любая сложная модель должна быть совместимой с любой более простой моделью, отличаясь лишь диапазоном использования. Иначе процесс обучения и усвоения знаний о реальном объекте или явлении рискует перейти в область изучения особенностей самих моделей и их взаимоотношений в различных условиях. Совместимые модели, отличающиеся информационной ёмкостью, могут быть объединены в систему обучающих моделей, или образовать комплекс обучающих моделей, использование которого позволит избежать фрагментарности и отрывочности усвоения информации, обеспечив связность и системность знания.

Проблема исследования заключается в противоречии между необходимостью информирования учащихся в соответствии с уровнем современного развития науки и малой информационной ёмкостью традиционных дидактических средств - моделей атомов и молекул; между потребностью внедрения относительно новой формы обучения - модельного эксперимента и недостаточной наглядностью, а часто и взаимной несовместимостью используемых моделей.

Объектом исследования является процесс изучения строения вещества с использованием моделей атомов и молекул в курсе химии средней школы. Предмет исследования: теория и практика создания и использования комплекса моделей атомов и молекул для изучения строения вещества в курсе химии средней школы.

Цель исследования: определение путей и способов создания и использования комплекса современных моделей атомов и молекул для изучения строения веществ, их физических и химических свойств. Гипотеза исследования: если комплекс учебных моделей атомов и молекул, созданный с учетом современных тенденций моделирования на основе традиционных и новых моделей, будет отвечать требованиям высокой информационной ёмкости, обладать широкими дидактическим возможностями и использоваться для внедрения новой формы обучения - модельного эксперимента, то это будет способствовать: формированию у учащихся целостного и осознанного знания о строении вещества; пониманию свойств веществ; углублению и долговременному сохранению знаний; укреплению междисциплинарных связей и созданию единой научной картины мира. Задачи исследования

1. Провести анализ содержания курса химии 8-11 классов по вопросам строения вещества и его обеспечения средствами наглядного моделирования.

2. Сформулировать педагогико-эргономические требования к моделям и сформировать единый комплекс взаимно непротиворечивых научно обоснованных учебных моделей (включающий в себя как традиционно используемые, так и новые кольцегранные модели), обеспечивающий достижение педагогических целей наиболее эффективными способами. 3. Разработать методические приёмы использования комплекса учебных моделей, включая кольцегранные, проверить возможность проведения с их помощью модельных экспериментов, оценить педагогическую эффективность его использования в школьной практике. Методологической основой исследования являются фундаментальные исследования в области дидактики, психологии, теории создания и использования различных видов средств обучения и их комплексов (А.А. Грабецкий, Л.С. Зазнобина, А.А. Макареня, Е.Е. Минченков, Т.С. Назарова, С.Г. Шаповаленко), методики обучения химии (О.С. Зайцев, Н.Е. Кузнецова, Л.А. Цветков, Г.М. Чернобельская, И.Н. Чертков), психолого-педагогические и эргономические теории (В.В. Давыдов, В.П. Зинченко, В.М. Мунипов), результаты анализа научно-технических достижений в области создания моделей элементарных частиц, атомов и их химических соединений. Методы исследования

Анализ педагогической, методической, химической, психолого-педагогической литературы по вопросам теории познания и управления процессом усвоения знаний, проектирования и создания средств обучения по проблемам строения вещества, создания и использования моделей при изучении структуры вещества.

Наблюдение и обобщение педагогического опыта школьных занятий, опыта передовых учителей и методистов, педагогических инноваций, а также опыта внешкольной кружковой работы учащихся.

Экспериментальная проверка сравнительной педагогической эффективности влияния отдельных моделей и комплекса в целом на качество обучения.

Этапы исследования

На первом этапе (1996-1998 гг.) определены проблемы и трудности, с которыми сталкиваются учителя и ученики при изучении строения вещества в курсе химии средней школы, связанные со сложным строением атома и насущной необходимостью знания закономерностей его строения. Определён способ решения проблем усвоения учебного материала и создания условий повышения качества знания путём с помощью комплекса моделей, отличающегося взаимосвязанностью всех компонентов и новыми дидактическими возможностями.

На втором этапе (1999-2001 гг.) рассмотрены тенденции современного моделирования, педагогико-эргономические требования, предъявляемые к моделям, предложен комплекс учебных моделей, включающий новые кольцегранные модели, и рассмотрены дидактические возможности комплекса.

На третьем этапе (2002-2003 гг.) определены приёмы и способы использования комплекса моделей для изучения строения вещества, составлены методические рекомендации и проверена педагогическая эффективность его использования.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования

Разработана концепция создания и использования комплекса учебных моделей атомов и молекул для изучения строения вещества, включающая основные и специфические педагогико-эргономические требования, предъявляемые к используемым моделям с учётом современных тенденций моделирования.

Предложена серия новых учебных моделей, представляющих собой необходимые компоненты для создания комплекса средств наглядного моделирования, отвечающих современным педагогико-эргономическим требованиям.

Разработаны методические приёмы использования комплекса моделей, включая кольцегранные, для обучения химии в средней школе, обеспечивающие эффективность усвоения знаний учащимися.

Практическая значимость результатов исследования

Сформирован комплекс учебных моделей атомов и молекул, включающий новые кольцегранные модели.

Разработаны и освоены производством наборы кольцегранных моделей и созданы компьютерные графические программы для ознакомления с кольцегранниками.

Подготовлена к внедрению в школу серия таблиц по теме «Строение вещества», разработанная на базе комплекса учебных моделей атомов и молекул с включением кольцегранных.

Проверена возможность использования новых моделей в обучении в виде компьютерно-графических программ обеспечивающих и контролирующих эффективность усвоения знаний учащимися при изучении вопросов строения вещества.

Похожие диссертационные работы по специальности «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)», 13.00.02 шифр ВАК

• Методические подходы к комплексному использованию электронных средств учебного назначения в средней общеобразовательной школе: на примере обучения математике в 5-6 классах 2007 год, кандидат педагогических наук Никонова, Наталья Васильевна

• Интеграция медиаобразования с курсом химии средней общеобразовательной школы 2004 год, доктор педагогических наук Журин, Алексей Анатольевич

• Педагогическая эффективность экранных средств в сочетании с химическим экспериментом в курсе органической химии средней школы 1984 год, кандидат педагогических наук Нугуен Мань Зунг, 0

• Методические основы построения опережающего курса физики основной школы 1997 год, доктор педагогических наук Даммер, Манана Дмитриевна

• Применение компьютерного моделирования в процессе обучения: На примере изучения молекулярной физики в средней общеобразовательной школе 2002 год, кандидат педагогических наук Розова, Наталия Борисовна

Заключение диссертации по теме «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)», Кожевников, Дмитрий Николаевич

Выводы к главе 3.

1. Разрыв между принятым базовым уровнем обучения классов общеобразовательной школы и существующей необходимостью изучения физики и химии в свете современных научных представлений о строении атома, идейная несовместимость моделей молекулярных орбиталей с более простыми традиционными моделями приводит к необходимости приведения содержания в соответствие с принципами не только историчности, но и научности, фундаментальности, адаптивности и технологичности. Взаимная противоречивость моделей в базовом обучении приводит к парадоксальности знания. Носителем знаний разного уровня сложности об устройстве атома и его свойствах может являться модель кольцегранных электронных оболочек. Её методическая простота и доступность позволяет использовать её в общеобразовательной школе, в том числе и в классах гуманитарного профиля, а её вариативность и возможность использования усложнённых моделей (узнаваемо кольцегранных: волногранных, или из замкнутых спиралей) позволяет её использовать и в классах углубленного изучения.

2. Кольцегранные модели могут использоваться на протяжении преподавания всего курса химии, с самого начала изучения Периодического закона. Использование наглядных моделей предусмотрено для широкого круга тем: "Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Строение атома. Строение веществ".

3. Проблема неполноценности содержания обучения, порожденная сложностью и избыточной противоречивостью традиционно используемых моделей, может быть решена фрагментарным изменением содержания, связанным с введением в обучение новых моделей.

4. Предложены различные методические приемы использования новых моделей в основных темах курса химии 8-11 классов: предусмотрено использование новых моделей для демонстраций; использование ознакомительных видеоматериалов и проведение компьютерных уроков; предложено проведение фронтальных работ, а также лабораторных и практических работ в виде модельных экспериментов проводимых учащимися самостоятельно или в составе коллектива.

5. Кольцегранные модели, объединяя в себе достоинства и электронных схем и орбитальных моделей, предоставляют новые дидактические возможности в виде проведения модельных экспериментов, для проведения которых разработаны образцы технологических карт для учащихся, а также таблицы по теме «Строение вещества» и методические рекомендации для учителей.

6. Рассмотрено примерное тематическое планирование материалов программы, организационные формы и методические приёмы изложены в виде таблицы.

7. Подготовленное таким образом использование новых - кольцегранных моделей позволяет перевести обучение на новый уровень восприятия информации: образно-наглядно-действенный.

Выполненное исследование имеет теоретико-практический характер и направлено на решение проблемы создания научно обоснованной системы учебных моделей и способов её эффективного использования в школе.

1. Проведен анализ содержания курса химии 8-11 классов и определены тенденции создания и использования учебных моделей атомов и молекул для курса химии средней школы. Показана роль моделей как инструмента деятельности учителя и ученика при изучении раздела «Строение вещества». На основе анализа фонда демонстрационных средств обучения и учебного оборудования для самостоятельных работ выявлена необходимость создания моделей нового поколения, позволяющих избежать фрагментарности и отрывочности усвоения информации, обеспечив связность и системность знания, моделей, создающих ясный образ распределения электронов в каждом атоме или молекуле по электронным оболочкам.

2. Сформулированы теоретические положения создания и применения системы учебных моделей для обучения химии, представленные в виде педагогико-эргономических требований к моделям. Разработан комплекс учебных моделей, включающий новые кольцегранные модели, дополняющие традиционно используемые в курсе химии средней школы. Определен компонентный состав моделей для изучения курса химии по разделу «Строение вещества. Химическая связь». С целью адаптации научных знаний предложены разные виды кольцегранных моделей, используемые как инструмент деятельности учащихся, без которого затруднено восприятие учебного материала и усвоение его научного содержания.

3. Разработана методика использования комплекса наглядных моделей (с включением кольцегранных) в школьном курсе химии средней школы, предусмотрена возможность проведения с их помощью модельных экспериментов в форме демонстраций, лабораторных и практических работ. Для удобства и простоты использования комплекса моделей с встроенными компонентами новых средств и технологий, предусмотрено первичное ознакомление учащихся с помощью видео-демонстрации и проведения компьютерных уроков. Разработаны дидактические видеоматериалы и компьютерные программы для обучения с использованием новых кольцегранных моделей не только для демонстраций, но и для проведения процессов моделирования учащимися в разных организационных формах занятий (индивидуальных и групповых), что позволяет перевести обучение на новый уровень восприятия информации - образно-наглядно-действенный. Проведённая экспериментальная проверка педагогической эффективности использования комплекса моделей атомов и молекул в школьной практике подтвердила гипотезу данного исследования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат педагогических наук Кожевников, Дмитрий Николаевич, 2004 год

1. Bergman D.L. Spinning Charget Ring Model of Elementary Particles // Galilean Electrodinamics, 1991. vol. 2. - №2. - P. 30-32.

2. Bergman David.L. and Lucas J., Charles W. Physical Models for Elementary Particles, Atoms and Nuclei / Presentedat IVth International Conference: Problem of Space, Time and Motion. St. Petersburg, September 1997.

3. Lucas J. A Physical Model for Atoms and Nuclei //Galilean Electrodinamics, January/February 1996. vol.7, - №1, P. 3-12.

4. Snelson K. Portrait of an atom / Exhibition booklet. Baltimore"s Maryland Science Center, 1981.

5. Аркавенко Л. H. Методические основы создания и использования системы приборов и установок для факультативного курса «Химия в промышленности»: диссертация к.п.н. (13.00.02) Москва 1991. -218с.

6. Ацюковский В. А. Общая эфиродинамика. М.: Энергоатомиздат, 1990. -70с.

7. Беклямишев В.О. Теория вакуума. Ч.1.- СПб.:000 "Конгресс", 1998. -104с.

8. Бердоносов С. С. Как объясняет строение молекул модель Р. Гиллеспи? //Химия в школе, 1996. №2. - С. 16-21.

9. Бердоносов С. С. Учебники по химии: традиционные заблуждения и современность // Химия в школе, 2000. № 5. - С. 22-27.

10. Ю.Болтянский В. Г. Формула наглядности изоморфизм плюс простота // Сов. Педагогика, 1970. - № 5.

11. Бородин П. В. Наш подход к изучению строения метана, этилена и ацетилена //Химия в школе, 1991. № 6. - С.40-41.

12. Булавин Ю. И. Динамические модели электронных облаков // Химия в школе, 1995. №4. - С. 69-70.

13. Бунин В. А. Математика и трудности физики // Сознание и физическая реальность. М.: изд. Фолиум, 1997. - т. 2. - № 2. - С. 71-79.

14. Ванюгина Т. В., Миллиареси Е. Е. Факультативный спецкурс «Пространственное и электронное строение органических соединений» // Химия в школе, 1988. № 4. - С. 43-44.

15. Верховский В. Н. И Смирнов А. Д. Техника химического экперимента. Пособие для учителей. т. 1, изд. 6-е, переработанное - М., Просвещение, 1975.-368с.

16. Верховский В. Н. И Смирнов А. Д. Техника химического экперимента. Пособие для учителей. т. 2, изд. 6-е, переработанное - М., Просвещение, 1975.-383с.

17. Виноградова Н. К. Организационно-педагогические основы проектирования предметно образной среды учебного комплекса «детский сад школа»: текст диссертации к.п.н. (13.00.02) - Москва 1999.-313с.

18. Власов А. Д. Атом Шредингера // УФН, 1993. № 2. - т. 163. - С. 97-103.

19. Власов А. Д. Классическое направление в квантовой механике. М.: МРТИ РАН, 1993.-229с.

20. Габриелян О. С., Смирнова Т. В. Изучаем химию в 8 классе: Методическое пособие к учебнику Габриеляна О. С. Химия 8 для учащихся и учителей. Дидактические материалы. / Под общ. ред. Т. В. Смирновой. - М.: Блик плюс, 1997. - 224с.

21. Галиулин Р. В. Лекции по геометрическим основам кристаллографии: Текст лекций. Челябинск: Урал. Гос. Ун-т, Челяб. гос. ун-т, 1989. - 81с.

22. Гапич Г. П. Интегрированный урок повторения и обобщения знаний // Химия в школе, 1998. № 7. - С. 26-28.

23. Гаркунов В. П. Методика преподавания химии / Под ред. Н. Е. Кузнецовой. М.: Просвещение, 1984. -415с.

24. Гейзенберг В. Физика и философия. М.: Наука, 1989. -400с.

25. Глинка Н. Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. 21-е изд. / Под ред. Рабиновича В. А. - Л.: Химия, 1980. - 720с.

26. Голубев И. М., Аверин А. В. Изображение а и я-связей на одном рисунке // Химия в школе, 1990. № 2. - С.39.

27. Голубев И.М. О понятии «электронное облако» // Химия в школе, 1980. -№5. С.36.

28. Грабецкий А. А., Зазнобина Л. С., Назарова Т. С. Использование средств обучения на уроках химии. М.: Просвещение, 1988. - 160с.

29. Грабецкий А.А., Назарова Т.С., Лаврова В.Н. Химический эксперимент в школе. М.: Просвещение, 1987. -240с.

30. Гузей, Л. С., Сорокин В. В., Суровцева Р. П. Строение атома и химическая связь //Химия в школе, 1988. № 2. - С. 46-51.

31. Гузей, Л. С., Сорокин В. В., Суровцева Р. П. Строение атома и химическая связь // Химия в школе, 1988. №3. - С. 42-48.

32. Гузик Н. П. Обучение органической химии: Книга для учителя: Из опыта работы. М.: Просвещение, 1988. - 224с.

33. Давыдов В. В. Виды обобщения в обучении. Логико-психологические проблемы построения учебных предметов. М.: Педагогика, 1972. -424с.

34. Давыдов В. В. Проблемы развивающего обучения: Опыт теоретических и экспериментальных психологических исследований. М.: Педагогика, 1986.-240с.

35. Давыдов В. В. Теория развивающего обучения. М.: ИНТОР, 1996. -544с.

36. Давыдов В. В., Варданян А.У. Учебная деятельность и моделирование. -Ереван: Луйс, 1981. -220с.

37. Дайнеко В. И. Лекция «Теория строения. Углеводороды: связь строения со свойствами»// Химия в школе, 1988. №1. - С.36-43.

38. Дидык Ю. К., Уразаков Э.И. Сборник проблемных лекций по физике: Учебное пособие. ВВВСКУ: Дубна, 1990. - 62с.

39. Дризовская Т.М. Методика обучения химии в 9 классе. Пособие для учителей. -М.: Просвещение, 1965.-224с.

40. Дроздов С. Н. Тетраэдрическая модель и её использование // Химия в школе, 1982. № 3. - С.52-54.

41. Дуков В.М. Два века работы над школьным учебником физики // Проблемы школьного учебника. М.: Просвящение, 1990. - вып. 19, сост. В.Р. Рокитянский. - С. 236-269.

42. Егорова А. А. О взаимосвязи курсов естествознания и химии // Химия в школе, 1995.-№ 1.-С.30-31.

43. Загорский В. В. «Вальдорфское» преподавание химии //Химия в школе,1995. -№3. С.10-13. 44. Зайцев О. С. Общая химия. Состояние веществ и химические реакции.

44. Учебное пособие для вузов. М.: Химия, 1990. - 352с. 45.Зайцев О. С. Методика обучения химии. - М.: ВЛАДОС, 1999. - 384с.: ил. 46.3анков Л.В. Избранные педагогические труды. - М.: Новая школа, 1996. -426с.

45. Зелинский А.Н. Академик Н.Д.Зелинский (Новое в жизни, науке, технике. Сер. «Химия», № 11). М.: Знание, 1981.-64с.48.3инченко В.П., Мунипов В.М. Основы эргономики. М.: изд-во МГУ, 1979.- 343с.

46. Зорина Л.Я. Системность качество знаний. - М.: Знание 1976. - 64с.

47. Иванова Р. Г. Об изучении химии в 7 и 8 классах//Химия в школе, 1981.- № 4. С.24-29.

48. Иванова Р. Г. Об основных направлениях обновления химического образования при переходе к двенадцатилетней школе//Химия в школе, 2000. № 3. - С. 2-5.

49. Канарев Ф.М. Кризис теоретической физики. Краснодар КГАУ, 1998. -200с.

50. Качалова О. И. Методические основы организации школьного практикума по общей химии (11 класс): автореферат на к.п.н. (13.00.02) Омск: ОГПУ, 1998.-20с.

51. Кидд Р., Ардини Дж., Антон А. Представление эффекта Комптона в качестве двойного доплеровского сдвига // Физика за рубежом: Преподавание. М.: Мир, 1988. - С. 68-79. Перевод статьи Kidd R., Ardini J., Anton A.-Amer. J. Phys., 1985.-v 53,-№ 7.-p.641.

52. Кийранен К. Атомно молекулярные модели // Химия в школе, 1995. - № 5. - С. 55-56.

53. Кожевников Д. Н. Кольцегранные модели молекул // Журнал физической химии, 1996. т. 70. - № 6. - С. 1134-1137.

54. Кузнецова Л. М. Наш опыт изучения темы «Химическая связь. Строение вещества в курсе химии 8 класса» //Химия в школе, 1982. № 6. - С. 3942.

55. Кузнецова Н. Е. Формирование систем понятий при обучении химии. М.: Просвещение, 1989. - 144с.

56. Леонов В. С. Теория упругой квантованной среды. Ч. 2. - Минск: изд-во "ПолиБиг", 1997.- 122с.

57. Лоренц Г. А. Теория электронов и её применение к явлениям света и теплового излучения. М.: Гостехиздат, 1953. -472с.

58. Лоренц Г.А. Старые и новые проблемы физики. М.: Наука, 1970. - 264с.

59. Ляшенков Е. И., Гатаулин А. Г. Использование схем гибридизации электронных облаков атома углерода // Химия в школе, 1982. № 5. - С. 41-42.

60. Макареня А.А. Теория и методика обучения химии. Избранные труды. -т. 2. Тюмень: ТОГИРРО, 2000. - 335с.

61. Маурина И. Я., Липина Г.Н. Некоторые приемы использования моделей на уроках//Химия в школе, 1986. № 3. - С. 51-53.

62. Медведев Ю. Н. Явление вторичной периодичности // Химия в школе, 1998. № 3. - С. 9-19.

65. Минченков Е.Е. Концепция химического образования в школе // Химия в школе, 1993. № 4. - С. 7-11.

66. Михайлова И. Б. Чувственное отражение в современном научном познании. М.: Мысль, 1972. - 277с

67. Назарова Т. С. Теоретические основы создания и использования системы материальных средств обучения химии в средней школе. Диссертация на соискание ученой степени д.п.н. (13.00.02) Москва: НИИСМО, 1988.-42с.

68. Назарова Т.С., Полат Е. С. Средства Обучения: технология создания и использования. М.: Изд-во УРАО, 1998. - 204с.

69. Нейланд О.Я. Органическая химия: Учеб. для хим. спец. Вузов. М.: Высш. Шк., 1990. -751с.

70. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования: Учебное пособие для студентов педагогических вузов и системы повышения квалификации педагогических кадров / Под ред. Е. С. Полат. М.: Изд. центр Академия, 1999. - 224с.

71. Нурминский И.И. Физика 11. Учебник для школ и классов с углубленным изучением физики. - М.: НТ-Центр, 1993. - 160с.

72. Нурминский И. И., Гладышева Н. К. Физика 9: Учебник для 9 класса общеобразовательных учреждений. - М.: Просвещение, 1998. -256с.

73. Обучение химии в 7 классе: Пособие для учителя./А. С. Корощенко, П. Н. Жуков, М. В. Зуева и др./ Под ред. А. С. Корощенко. М.: Просвещение, 1988.-160с.

74. Органическая химия / Под ред. Тюкавкиной Н. А. М.: Медицина, 1989. -432с.82,Осидак В.Н. Электрон: внутренняя структура//Физическая мысль России,- М.: РИА "Кречет", 1996. № 2. - С. 49-59.

75. Педагогика: Учебное пособие для студентов пед. Ин-тов / Ю. К. Бабанский, В. А. Сластенин, Н. А. Сорокин и др./ Под ред. Ю. К. Бабанского. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Просвещение, 1988. - 479с.

76. Перечни учебного оборудования для общеобразовательных учреждений России. Н. Новгород: Нижполиграф, 1994. - 309с.

77. Пидкасистый П. И. Самостоятельная познавательная деятельность школьников в обучении: Теоретико-экспериментальное исследование. -М.: Педагогика, 1980.-240с.

78. Пидкасистый П. И., Портнов М. Л. Искусство преподавания: Второе издание. Первая книга учителя. М.: Педагогическое общество России, 1999.-212с.

79. Плахов И. А. Использование фланелеграфа при изучении темы «Первоначальные химические понятия» // Химия в школе, 1995. № 2. -С. 46-47.

80. Полосин В. С., Ширина Л. К. Теория и практика использования динамических средств наглядности в обучении химии / Проблемы методики преподавания химии в средней школе. Под ред. М. П. Кашина и Л. А. Цветкова. М.: Педагогика, 1973. - 272с.

81. Полосин B.C. Диссертации по методике обучения химии //Химия в школе, 1980. № 1. - С. 74-77.

82. Потапов Ю. С., Фоминский Л. П. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиций теории движения. Кишинев - Черкасы: «ОКО- Плюс», 2000, 387с.

83. Пугал Н.А. Создание и использование системы средств обучения биологии в общеобразовательной школе. Диссертация, 1994.

84. Рентгеновские микроскопы// В мире науки. М.: Мир, 1991.- № 4. - С.36-43.

85. Родина Н.А. Самостоятельная работа учащихся по физике в 7-8 классах средней школы: Дидактические материалы /Гутник У.М, Кириллов И.Г., Родина. Н.А / под ред. Н.А. Родиной. 2-е изд. - М.: Просвещение, 1994. -126с.

86. Ромазанов Б. И. Физика эфира и природа сил / Проблемы пространства, времени, тяготения: Материалы третьей Межд. конф. 22-27. 05.94. -СПб.: изд-во Политехника, 1995. С. 175-185.

87. Ромашина Т. Н., Чернобельская Г. М. Закрепление знаний по органической химии с помощью опорных схем и тренировочных упражнений // Химия в школе, 1985. № 4. - С. 39-40.

88. Эб.Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Неорганическая Химия. Учебник для 8 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1993. - 158с.

89. Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Неорганическая Химия. Учебник для 9 кл. сред. шк. М.: Просвещение, 1990. - 176с.

90. Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая Химия: Основы общей химии (Обобщение и углубление знаний). Учебник для 10 кл. сред, шк. М.: Просвещение, 1991. - 160с.

91. Садовская И. Л. Методика коррекции усвоения знаний в процессе обучения биологии в педагогическом вузе: текст диссертации к.п.н. (13.00.02)-Красноярск: КГПУ, 2000. 151с.

92. Сапогин Л. Г. Наглядный микромир. Техника молодежи, 1989. - № 1. -С. 40-45.

93. Симон Р. Эксперимент в химическом познании // Эксперимент, модель, теория. Наблюдение, эксперимент, практика. Москва-Берлин: изд-во Наука, 1982.-С. 76-87.

94. Скаткин М. Н. Методология и методика педагогических исследований. В помощь начинающему исследователю. М.: Педагогика, 1986. - 152с.

95. Скаткин М. Н. Проблемы современной дидактики. 2-е изд. М.: Педагогика, 1984. - 96с.

96. Смирнова Ж. И. Изготовление шаростержневых моделей //Химия в школе, 1984. № 1. - С. 61.

97. Смирнова Т. В. Формирование научного мировоззрения учащихся при изучении химии: Пособие для учителей. М.: Просвещение, 1984.-175с.

98. Смирнова. Т. В. К методике изучения раздела «Общая Химия» //Химия в школе, 1989. № 4. - С. 35-44.

99. Сологуб А. И. Изготовление и применение магнитных моделей//Химия в школе, 1985. № 3. - С. 55-56.

100. Соломон Д. Н., Степанов Е. Ю. Дидактический материал к магнитной доске//Химия в школе, 1982. № 1. - С. 65.

101. Суровцева Р. П. Задания для самостоятельной работы по химии в 9 классе: Книга для учителя. - М.: Просвещение, 1995. 64с.

102. Суровцева Р. П., Софронов С. В. Задания для самостоятельной работы по химии в 8 классе: Книга для учителя. М.: Просвещение, 1993. - 96с.

103. Суровцева. Р. П.; Минченков Е. Е.; Габриелян О. С. Примерное тематическое планирование учебного материала по химии для 8 класса // Химия в школе, 2000. № 3. - С. 37-46.

104. Тикавый В. Ф. Особенности строения некоторых простых и сложных неорганических веществ //Химия в школе, 1991. № 6. - С. 5-12.

105. Тюменцева Е. Ю. Дифференциация помощи слушателям подготовительного отделения в процессе обучения химии: текст диссертации к.п.н. (13.00.02) Омск: ОГПУ, 1999. - 213с.

106. Усиление политехнической направленности обучения химии. Книга для учителя: из опыта работы / под рук. Кавериной А. А. М.: Просвещение, 1987.-127с.

107. Физика и Астрономия. Пробный учебник для 8 классов общеобразоват. учрежд. / Под ред. А. А. Пинского, В. Г. Разумовского. М.: Просвещение, 1995.-303с.

108. Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. Ч. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991.-528с.

109. Фримантл М. Химия в действии. В 2-х ч. Ч. 2: Пер. с англ. - М.: Мир, 1991.-622с.

110. Хагер Н. Этапы формирования моделей // Эксперимент, модель, теория. Модели в структуре познания. Москва-Берлин: Наука, 1982. - С. 128-142.

111. Химия и Жизнь (Солтерская химия). Ч. 1. Понятия химии: Пер. с англ. -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1997. 337с., ил.

112. Химия и Жизнь (Солтерская химия). Ч. 2. Химические новеллы: Пер. с англ. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1997. -437с., ил.

113. Химия и Жизнь (Солтерская химия). Ч. 3. Практикум: Пер. с англ. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1997. -406с., ил.

114. Химия и Жизнь (Солтерская химия). Ч. 4. Руководство для учителей: Пер. с англ. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1998. - 331с., ил.

115. Хомченко Г. П. О графических и структурных формулах // Химия в школе, 1983. -№3.- С. 61-63.

116. Цветков J1. А. К обоснованию содержания базового химического образования // Химия в школе, 1999. № 5. - С. 17-22.

117. Цветков Л. А. Обобщение знаний учащихся по органической химии // Химия в школе, 1981. № 6. - С. 17-24.

118. Цветков Л. А. Органическая химия: Учебник для 10 класса средней школы. 25 -е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1988. - 240с.

119. Цветков Л. А. Преподавание органической химии в средней школе: Пособие для учителя. 3-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1984. -256с.

120. Чернобельская Г.М. Основы методики обучения химии. М.: Просвещение, 1987.-256с.

121. Чернобельская Г.М. Методика обучения химии в средней школе. М.: ВЛАДОС, 2000. - 336с.

122. Чертков И. Н. Ещё раз о понятии «степень окисления» в органической химии //Химия в школе, 1998. -№ 7.-С. 31-32.

123. Чертков И. Н. Значение работ А. М. Бутлерова для развития методики обучения химии //Химия в школе, 1991. № 6. - С. 13-19.

124. Шамилишвили О. X. К вопросу о наглядности при изучении гибридизации электронных оболочек // Химия в школе, 1982. № 5. - С. 43.

125. Шаповаленко С.Г. Методика обучения в восьмилетней и средней школе. М.: Гос. Учебно-Пед. Изд-во мин. Просвещения РСФСР, 1963. -668с.

126. Шелинский Г.И. Каким быть школьному курсу химии // Химия в школе, 1985.-№4.-С. 45-48.

127. Шпак А.И. Комплекс пособий при изучении строения вещества в курсе химии восьмого класса общеобразовательной школы: автореферат на к.п.н. (731)-Саратов: СГПИ, 1971.-26с.

128. Шредингер Э. Избранные труды по квантовой механике. М.: Наука, 1976.

129. Штофф В. А. Проблемы методологии научного познания. Монография. -М.: Высшая школа, 1978. 269с.

130. Штофф В.А. Моделирование и философия. М.: Наука, 1966.

131. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе: Пер. с англ./ Предисл. Ю. Г. Рудого. М.: Мир, 1987. - 224с., ил.

132. Юзвишин И. И. Информациология. 3-е изд., испр. и доп. - М.: Радио и связь, 1996. -215с.

133. Ярославская Г. П. Набор для моделирования химических связей и структур атомов // Химия в школе, 1986. № 3. - С. 54-55.

134. Яцуто М. А. Использование дидактических возможностей химии для подготовки учащихся к жизнедеятельности: текст диссертации к.п.н. (13.00.02) Омск: ОГПУ, 1999. - 192с.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

Строение молекул

Молекула - наименьшая частица вещества, состоящая из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой химическими связями, и являющаяся носителем его основных химических и физических свойств. Химические связи обусловлены взаимодей­ствием внешних, валентных электронов атомов. Наиболее часто в молекулах встреча­ется два типа связи: ионная и ковалентвая .

Ионная связь (например, в молекулах NаСl, КВr) осуществляется электростатичес­ким взаимодействием атомов при переходе электрона одного атома к другому, т. е. при образовании положительного и отрицательного ионов. Ковалентная связь (напри­мер, в молекулах H 2 , С 2 , СО) осуществляется при обобществлении валентных элек­тронов двумя соседними атомами (спины валентных электронов должны быть ан­типараллельны). Ковалентная связь объясняется на основе принципа неразличимости тождественных частиц, например электронов в молекуле водорода. Нераз­личимость частиц приводит к специфическому взаимодействию между ними, называ­емому обменным взаимодействием. Это чисто квантовый эффект, не имеющий клас­сического объяснения, но его можно себе представить так, что электрон каждого из атомов молекулы водорода проводит некоторое время у ядра другого атома и, следовательно, осуществляется связь обоих атомов, образующих молекулу. При сбли­жении двух водородных атомов до расстояний порядка боровского радиуса возникает их взаимное притяжение и образуется устойчивая молекула водорода.

Молекула является квантовой системой; она описывается уравнением Шредингера, учитывающим движение электронов в молекуле, колебания атомов молекулы, враще­ние молекулы. Решение этого уравнения - очень сложная задача, которая обычно разбивается на две: для электронов и ядер.

Энергия изолированной молекулы

EЕ эл +Е кол +Е вращ, (1)

где Е эл - энергия движения электронов относительно ядер, Е кол - энергия колебаний

ядер (в результате которых периодически изменяется относительное положение ядер), Е вращ - энергия вращения ядер (в результате которых периодически изменяется ориен­тация молекулы в пространстве). В формуле (1) не учтены энергия поступательного движения центра масс молекулы и энергия ядер атомов в молекуле. Первая из них не квантуется, поэтому ее изменения не могут привести к возникновению молекулярного спектра, а вторую можно не учитывать, если не рассматривать сверхтонкую структуру

спектральных линий. Отношения Е эл:Е кол:Е вращ =1: m/M , где т - масса элект­рона, М - величина, имеющая порядок массы ядер атомов в молекуле, m/M10 -5  10 -3 . Поэтому Е эл >>Е кол >>Е вращ. Доказано, что Е эл 1  10 эВ, Е кол 10 -2  10 -1 эВ, Е вращ 10 -5  10 -3 эВ.

Каждая из входящих в выражение (1) энергий квантуется (ей соответствует набор дискретных уровней энергии) и определяется квантовыми числами. При переходе из одного энергетического состояния в другое поглощается или испускается энергия E=h. При таких переходах одновременно изменяются энергия движения электронов, энергии колебаний и вращения. Из теории и эксперимента следует, что расстояние между вращательными уровнями энергии Е вращ гораздо меньше расстояния между колебательными уровнями Е кол, которое, в свою очередь, меньше расстояния между электронными уровнями Е эл. На рис. 1 схематически представлены уровни энергии двухатомной молекулы (для примера рассмотрены только два электронных уров­ня - показаны жирными линиями).

Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света

Строение молекул и свойства их энергетических уровней проявляются в молекулярных спектрах - спектрах излучения (поглощения), возникающих при квантовых переходах между уровнями энергии молекул. Спектр излучения молекулы определяется струк­турой ее энергетических уровней и соответствующими правилами отбора (так, напри­мер, изменение квантовых чисел, соответствующих как колебательному, так и враща­тельному движению, должно быть равно ± 1).

Итак, при разных типах переходов между уровнями возникают различные типы молекулярных спектров. Частоты спектральных линий, испускаемых молекулами, мо­гут соответствовать переходам с одного электронного уровня на другой (электронные спектры) или с одного колебательного (вращательного) уровня на другой (колебатель­ные (вращательные) спектры). Кроме того, возможны и переходы с одними значениями Е кол и Е вращ на уровни, имеющие другие значения всех трех компонентов, в результате чего возникают электронно-колебательные и колебательно-вращательные спектры. По­этому спектр молекул довольно сложный.

Типичные молекулярные спектры - полосатые, представляющие собой совокуп­ность более или менее узких полос в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях. Применяя спектральные приборы высокой разрешающей способности, можно видеть, что полосы представляют собой настолько тесно расположенные линии, что они с трудом разрешаются. Структура молекулярных спектров различна для разных молекул и с увеличением числа атомов в молекуле усложняется (наблюдаются лишь сплошные широкие полосы). Колебательными и вращательными спектрами обладают только многоатомные молекулы, а двухатомные их не имеют. Это объясняется тем, что двухатомные молекулы не имеют дипольиых моментов (при колебательных и вра­щательных переходах отсутствует изменение дипольиого момента, что является необ­ходимым условием отличия от нуля вероятности перехода).

В 1928 г. академики Г. С. Ландсберг (1890-1957) и Л. И. Мандельштам и одно­временно индийские физики Ч. Раман (1888-1970) и К. Кришнан (р. 1911) открыли явление комбинационного рассеяния света. Если на вещество (газ, жидкость, прозрачный кристалл) падает строго монохроматический свет, то в спектре рассеянного света помимо несмещенной спектральной линии обнаруживаются новые линии, частоты которых представляют собой суммы или разности частоты  падающего света и частот  i собственных колебаний (или вращений) молекул рассеивающей среды.

Линии в спектре комбинационного рассеяния с частотами -  i , меньшими частоты

 падающего света, называются стоксовыми (или красными) спутниками, линии с часто­тами + i , большими ,-антистоксовыми (или фиолетовыми) спутниками. Анализ спектров комбинационного рассеяния приводит к следующим выводам: 1) линии спутников располагаются симметрично по обе стороны от несмещенной линии; 2) ча­стоты  i не зависят от частоты падающего на вещество света, а определяются только рассеивающим веществом, т. е. характеризуют его состав и структуру; 3) число спут­ников определяется рассеивающим веществом; 4) интенсивность антистоксовых спут­ников меньше интенсивности стоксовых и с повышением температуры рассеивающего вещества увеличивается, в то время как интенсивность стоксовых спутников практичес­ки от температуры не зависит.

Объяснение закономерностей комбинационного рассеяния света дает квантовая теория. Согласно этой теории, рассеяние света есть процесс, в котором один фотон поглощается и один фотон испускается молекулой. Если энергии фотонов одинаковы, то в рассеянном свете наблюдается несмещенная линия. Однако возможны процессы рассеяния, при которых энергии поглощенного и испущенного фотонов различны. Различие энергии фотонов связано с переходом молекулы из нормального состояния в возбужденное (испущенный фотон будет иметь меньшую частоту - возникает сто-ксов спутник) либо из возбужденного состояния в нормальное (испущенный фотон будет иметь большую частоту - возникает антистоксов спутник).

Рассеяние света сопровождается переходами молекулы между различными колеба­тельными или вращательными уровнями, в результате чего и возникает ряд симмет­рично расположенных спутников. Число спутников, таким образом, определяется энергетическим спектром молекул, т. е. зависит только от природы рассеивающего вещества. Так как число возбужденных молекул гораздо меньше, чем число невозбуж­денных, то интенсивность антистоксовых спутников меньше, чем стоксовых. С повыше­нием температуры число возбужденных молекул растет, в результате чего возрастает и интенсивность антистоксовых спутников.

Молекулярные спектры (в том числе и спектры комбинационного рассеяния света) Применяются для исследования строения и свойств молекул, используются в молеку­лярном спектральном анализе, лазерной спектроскопии, квантовой электронике и т. д.

Содержание статьи

МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ (молекулярная структура), взаимное расположение атомов в молекулах. В ходе химических реакций происходит перегруппировка атомов в молекулах реагентов и образуются новые соединения. Поэтому одна из фундаментальных химических проблем состоит в выяснении расположения атомов в исходных соединениях и характера изменений при образовании из них других соединений.

Первые представления о структуре молекул основывались на анализе химического поведения вещества. Эти представления усложнялись по мере накопления знаний о химических свойствах веществ. Применение основных законов химии позволяло определить число и тип атомов, из которых состоит молекула данного соединения; эта информация содержится в химической формуле. Со временем химики осознали, что одной химической формулы недостаточно для точной характеристики молекулы, поскольку существуют молекулы-изомеры, имеющие одинаковые химические формулы, но разные свойства. Этот факт навел ученых на мысль, что атомы в молекуле должны иметь определенную топологию, стабилизируемую связями между ними. Впервые эту идею высказал в 1858 немецкий химик Ф.Кекуле. Согласно его представлениям, молекулу можно изобразить с помощью структурной формулы, в которой указаны не только сами атомы, но и связи между ними. Межатомные связи должны также соответствовать пространственному расположению атомов. Этапы развития представлений о строении молекулы метана отражены на рис. 1. Современным данным отвечает структура г : молекула имеет форму правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, а в вершинах – атомы водорода.

Подобные исследования, однако, ничего не говорили о размерах молекул. Эта информация стала доступна лишь с разработкой соответствующих физических методов. Наиболее важным из них оказалась рентгеновская дифракция. Из картин рассеяния рентгеновских лучей на кристаллах появилась возможность определять точное положение атомов в кристалле, а для молекулярных кристаллов удалось локализовать атомы в отдельной молекуле. Среди других методов можно отметить дифракцию электронов при прохождении их через газы или пары и анализ вращательных спектров молекул.

Вся эта информация дает только общее представление о структуре молекулы. Природу химических связей позволяет исследовать современная квантовая теория. И хотя с достаточно высокой точностью молекулярную структуру рассчитать пока не удается, все известные данные о химических связях можно объяснить. Было даже предсказано существование новых типов химических связей.

Простая ковалентная связь.

Молекула водорода Н 2 состоит из двух идентичных атомов. По данным физических измерений длина связи – расстояние между ядрами атомов водорода (протонами) – составляет 0,70 Å (1 Å = 10 –8 см), что отвечает радиусу атома водорода в основном состоянии, т.е. в состоянии с минимальной энергией. Образование связи между атомами можно объяснить лишь в предположении, что их электроны локализуются в основном между ядрами, образуя облако отрицательно заряженных связывающих частиц и удерживая вместе положительно заряженные протоны.

Рассмотрим два водородных атома в основном состоянии, т.е. состоянии, в котором их электроны находятся на 1s -орбитали. Каждый из этих электронов можно рассматривать как волну, а орбиталь – как стоячую волну. При сближении атомов орбитали начинают перекрываться (рис. 2), и, как в случае обычных волн, возникает интерференция – наложение волн (волновых функций) в области перекрывания. Если знаки волновых функций противоположны, то при интерференции волны уничтожают друг друга (деструктивная интерференция), а если одинаковы, то происходит их сложение (конструктивная интерференция). При сближении атомов водорода возможны два исхода в зависимости от того, находятся ли волновые функции в фазе (рис. 2,а ) или в противофазе (рис. 2,б ). В первом случае произойдет конструктивная интерференция, во втором – деструктивная, при этом появятся две молекулярные орбитали; для одной из них характерна высокая плотность в области между ядрами (рис. 2,в ), для другой – низкая (рис. 2,г ) – фактически узел с нулевой амплитудой, разделяющей ядра.

Таким образом, при сближении атомов водорода и их взаимодействии 1s -орбитали образуют две молекулярные орбитали, а два электрона должны заполнить какую-то одну из них. Электроны в атомах всегда стремятся занять наиболее устойчивое положение – то, в котором их энергия минимальна. Для орбитали, показанной на рис. 2,в , характерна высокая плотность в области между ядрами, и каждый электрон, занявший эту орбиталь, будет бóльшую часть времени находиться вблизи положительно заряженных ядер, т.е. его потенциальная энергия будет мала. Напротив, у орбитали, показанной на рис. 2,г , максимальная плотность имеет место в областях, расположенных слева и справа от ядер, и энергия электронов, находящихся на этой орбитали, будет велика. Итак, электроны обладают меньшей энергией, когда они занимают орбиталь в , причем эта энергия даже меньше той, которая была бы у них при бесконечном удалении атомов друг от друга. Поскольку в данном случае имеются только два электрона, оба они могут занимать более выгодную с энергетической точки зрения орбиталь, если их спины антипараллельны (принцип Паули). Поэтому энергия системы, состоящей из двух атомов водорода, при сближении атомов уменьшается, и чтобы затем удалить атомы друг от друга, потребуется энергия, равная энергии образования стабильной молекулы водорода Н 2 . Заметим, что необходимым условием существования молекулы водорода является преимущественная локализация электронов между ядрами в соответствии с тем, что мы уже говорили выше. Молекулярную орбиталь в называют связывающей, а орбиталь г – разрыхляющей.

Рассмотрим теперь сближение двух атомов гелия (атомный номер 2). Здесь тоже перекрывание 1s -орбиталей приводит к образованию двух молекулярных орбиталей, одной из которых соответствует более низкая, а другой – более высокая энергия. На этот раз, однако, на орбиталях необходимо разместить 4 электрона, по 2 электрона от каждого атома гелия. Низкоэнергетическую связывающую орбиталь могут заполнить только два из них, два других должны занять высокоэнергетическую орбиталь г . Уменьшение энергии вследствие благоприятной локализации первой пары примерно равно увеличению энергии, обусловленному неблагоприятным расположением второй пары. Теперь сближение атомов не дает выигрыша в энергии, и молекулярный гелий Не 2 не образуется. Это удобно проиллюстрировать с помощью диаграммы (рис. 3); разные орбитали на ней представлены в виде энергетических уровней, на которых могут находиться электроны. Последние обозначены стрелками, направленными вверх и вниз, чтобы различить направления спинов. Два электрона могут занимать одну орбиталь, только если их спины антипараллельны.

Эти общие принципы выполняются при образовании молекул из атомов. Как только два атома сближаются настолько, что их атомные орбитали (АО) начинают перекрываться, появляются две молекулярные орбитали (МО): одна связывающая, другая разрыхляющая. Если на каждой из АО находится только по одному электрону, оба они могут занять связывающую МО с меньшей энергией, чем у АО, и образовать химическую связь. Связи такого типа, называемые теперь ковалентными, были давно известны химикам (представления о ковалентной связи легли в основу октетной теории связи, сформулированной американским физикохимиком Г.Льюисом в 1916). Их образование объясняли обобществлением пары электронов взаимодействующими атомами. Согласно современным представлениям, прочность связи зависит от степени перекрывания соответствующих орбиталей. Все сказанное выше позволяет предположить, что связи между атомами могут образовываться при обобществлении не только двух, но также одного или трех электронов. Однако они будут слабее обычных ковалентных связей по следующим причинам. При образовании одноэлектронной связи происходит уменьшение энергии только одного электрона, а в случае образования связи в результате обобществления трех электронов у двух из них энергия уменьшается, а у третьего, наоборот, увеличивается, компенсируя уменьшение энергии одного из первых двух электронов. В результате образующаяся трехэлектронная связь оказывается вдвое слабее обычной ковалентной.

Обобществление одного и трех электронов происходит при образовании молекулярного иона водорода Н 2 + и молекулы ННе соответственно. Вообще же связи такого типа встречаются редко, а соответствующие молекулы обладают высокой реакционной способностью.

Валентность. Донорно-акцепторные связи.

Все изложенное выше предполагает, что атомы могут образовывать столько ковалентных связей, сколько орбиталей у них занято одним электроном, однако так бывает не всегда. [В принятой схеме заполнения АО вначале указывают номер оболочки, затем тип орбитали и далее, если на орбитали находится более одного электрона, – их число (верхний индекс). Так, запись (2s ) 2 означает, что на s -орбитали второй оболочки находятся два электрона.] Атом углерода в основном состоянии (3 Р ) имеет электронную конфигурацию (1s ) 2 (2s ) 2 (2p x)(2p y), при этом две орбитали не заполнены, т.е. содержат по одному электрону. Однако соединения двухвалентного углерода встречаются очень редко и обладают высокой химической активностью. Обычно углерод четырехвалентен, и связано это с тем, что для его перехода в возбужденное 5 S -состояние (1s ) 2 (2s ) (2p x)(2p y)(2p z) с четырьмя незаполненными орбиталями нужно совсем немного энергии. Энергетические затраты, связанные с переходом 2s -электрона на свободную 2р -орбиталь, с избытком компенсируются энергией, выделяющейся при образовании двух дополнительных связей. Для образования незаполненных АО необходимо, чтобы этот процесс был энергетически выгодным. Атом азота с электронной конфигурацией (1s ) 2 (2s ) 2 (2p x)(2p y)(2p z) не образует пятивалентных соединений, поскольку энергия, необходимая для перевода 2s -электрона на 3d -орбиталь с образованием пятивалентной конфигурации (1s ) 2 (2s )(2p x)(2p y)(2p z)(3d ), слишком велика. Аналогичным образом, атомы бора с обычной конфигурацией (1s ) 2 (2s ) 2 (2p ) могут образовывать трехвалентные соединения, находясь в возбужденном состоянии (1s ) 2 (2s )(2p x)(2p y), которое возникает при переходе 2s -электрона на 2р -АО, но не образует пятивалентных соединений, поскольку переход в возбужденное состояние (1s )(2s )(2p x)(2p y)(2p z), обусловленный переводом одного из 1s -электронов на более высокий уровень, требует слишком много энергии. Взаимодействие атомов с образованием связи между ними происходит только при наличии орбиталей с близкими энергиями, т.е. орбиталей с одинаковым главным квантовым числом. Соответствующие данные для первых 10 элементов периодической системы суммированы ниже. Под валентным состоянием атома понимают состояние, в котором он образует химические связи, например состояние 5 S для четырехвалентного углерода.

Таблица: Валентные состояния и валентности первых десяти элементов периодической таблицы

ВАЛЕНТНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ВАЛЕНТНОСТИ ПЕРВЫХ ДЕСЯТИ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ
Элемент	Основное состояние	Обычное валентное состояние	Обычная валентность
H	(1s )	(1s )	1
He	(1s ) 2	(1s ) 2	0
Li	(1s ) 2 (2s )	(1s ) 2 (2s )	1
Be	(1s ) 2 (2s ) 2	(1s ) 2 (2s )(2p )	2
B	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p )	(1s ) 2 (2s )(2p x)(2p y)	3
C	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x)(2p y)	(1s ) 2 (2s )(2p x)(2p y)(2p z)	4
N	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x)(2p y)(2p z)	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x)(2p y)(2p z)	3
O	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x) 2 (2p y)(2p z)	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x) 2 (2p y)(2p z)	2
F	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x) 2 (2p y) 2 (2p z)	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x) 2 (2p y) 2 (2p z)	1
Ne	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x) 2 (2p y) 2 (2p z) 2	(1s ) 2 (2s ) 2 (2p x) 2 (2p y) 2 (2p z) 2	0

Указанные закономерности проявляются в следующих примерах:

Все сказанное выше применимо лишь к нейтральным атомам. У ионов и соответствующих атомов число электронов различается; ионы могут обладать той же валентностью, что и другие атомы с таким же числом электронов. Так, у ионов N + и В – столько же электронов (шесть), что и у нейтрального атома углерода, и соответственно они четырехвалентны. Ионы аммония NH 4 + и гидрида бора ВН 4 – образуют комплексные соли и по своей электронной конфигурации аналогичны метану СН 4 .

Предположим теперь, что молекулы аммиака NH 3 и трифторида бора BF 3 сближаются друг с другом. При переходе электрона с атома азота на атом бора мы получим два иона, NH 3 + и BF 3 – , каждый с незаполненной орбиталью, что может привести к образованию ковалентной связи. Молекула H 3 N–BF 3 является электронным аналогом 1,1,1-трифторэтана Н 3 С–СF 3 . Связи, образующиеся в результате межатомного переноса электрона с последующим образованием ковалентной связи, называются донорно-акцепторными.

Геометрия молекул. Гибридизация.

Все атомные орбитали, кроме s , сферически несимметричны, и степень их перекрывания с АО других атомов зависит от взаимной ориентации орбиталей. Так, р -АО будет перекрываться с АО другого атома в наибольшей степени, если последняя расположена вдоль ее оси (рис. 4,а ). Это означает, что связи, образующиеся в результате перекрывания АО, должны обладать специфической геометрией. Рассмотрим атом углерода в 5 S -состоянии. У него имеется по одному электрону на трех р -орбиталях и на четвертой, сферически симметричной s -орбитали. Казалось бы, три связи, которые он образует, будут отличаться от четвертой, при этом р -связи будут располагаться во взаимно перпендикулярных направлениях вдоль осей р -АО. На самом деле наблюдается другая, совершенно симметричная картина. Проще всего объяснить ее следующим образом. Набор орбиталей (2s )+(2p x)+(2p y)+(2p z) – это некий объем «орбитального пространства», способный удерживать четыре пары электронов. Мы можем получить эквивалентное описание этой ситуации, смешав все орбитали и разделив их сумму на четыре равные части, так что на каждой из образовавшихся смешанных, или гибридных, орбиталей будет располагаться одна пара электронов. Следовательно, 5 S -состояние углерода можно представить в виде (1s ) 2 (t 1)(t 2)(t 3)(t 4), где t i – гибридные орбитали, что с успехом объясняет образование симметричной молекулы четырехвалентного углерода. Рассмотрим теперь, что произойдет при смешивании р -АО с s -АО. Усиление одной половины р -гантели при интерференции неизменно будет сопровождаться ослаблением другой ее половины (рис. 4,б ), в результате чего образуется асимметричная гибридная орбиталь (рис. 4,в ). Она будет эффективно перекрываться другими орбиталями, ориентированными в том же направлении, с образованием достаточно прочных связей. Это одна из причин, почему атом углерода предпочитает образовывать связи через гибридизацию АО. Но есть и другая причина. Рассмотрим типичное соединение четырехвалентного углерода, например метан СН 4 . В нем каждый водородный атом удерживается вблизи атома углерода парой обобществленных электронов. Эти пары взаимно отталкиваются, и оптимальной является такая конфигурация молекулы, при которой они находятся друг от друга на максимально возможном расстоянии. В этом случае атомы водорода будут располагаться в вершинах правильного тетраэдра, а атом углерода – в его центре. Такая геометрия может реализоваться с помощью т.н. sp 3 -гибридных орбиталей, каждая из которых образована 1/4 частью 2s -АО и одной из 2р -АО. Все эти орбитали одинаковы по форме, легко образуют связи и направлены от углеродного атома в центре правильного тетраэдра к четырем его вершинам (рис. 1,г ).

Атом азота мог бы образовать связи только с помощью 2р -АО, углы между которыми составляли бы 90°, но взаимное отталкивание пар связывающих электронов и пар несвязывающих электронов 2-й оболочки минимизируется, если в образовании связей участвуют «тетраэдрические» sp 3 -орбитали. Здесь, однако, проявляется еще одна особенность. Для иона N + конфигурации (1s ) 2 (2s )(2p ) 3 и (1s ) 2 (t ) 4 , где t – sp 3 -гибридные АО, действительно эквивалентны. Другое дело – нейтральный атом азота, 7-й электрон которого может занять либо 2s -АО, и тогда получится конфигурация (1s ) 2 (2s )(2p ) 4 , либо t -АО в конфигурации (1s ) 2 (t ) 5 . Поскольку 2s -АО расположена ниже 2p -АО и, следовательно, ниже любой sp -гибридной орбитали, первая конфигурация оказывается энергетически более выгодной и можно было бы ожидать, что при прочих равных условиях трехвалентный азот предпочтет «негибридизованную» конфигурацию. Однако взаимного расталкивания пар электронов, по-видимому, достаточно для того, чтобы произошла гибридизация, при которой валентные углы в таком соединении азота, как аммиак NH 3 , близки к соответствующим углам в правильном тетраэдре, т.е. к 109°. То же относится и к двухвалентному кислороду в составе молекулы воды Н 2 О. Во всех этих случаях связанные атомы занимают три (или две) вершины тетраэдра, а пары неподеленных электронов 2-й оболочки – оставшиеся вершины.

Аналогичные рассуждения применимы и к другим типичным элементам IV, V и VI групп периодической таблицы. Четырехвалентные элементы IV группы (Si, Ge, Sn и Pb) всегда образуют тетраэдрические структуры, однако другие элементы V и VI групп (P, S, As, Se, Sb, Te) отличаются от азота и кислорода и образуют соединения с валентными углами, близкими к 90°. По-видимому, из-за большего размера этих атомов взаимного отталкивания валентных электронов оказывается недостаточно, чтобы стала возможна гибридизация, наблюдаемая для N и О.

Связи с участием d-орбиталей.

В отличие от азота атом фосфора может образовывать пять ковалентных связей. В основном состоянии фосфор имеет конфигурацию (1s ) 2 (2s ) 2 (2p ) 6 (3s ) 2 (3p x)(3p y)(3p z) и является трехвалентным, образуя, как и азот, соединения типа PF 3 . Однако в этом случае возможно участие 3s -электронов в образовании связей, поскольку d -АО (3d ) имеют такое же главное квантовое число. Действительно, известны и соединения пятивалентного фосфора типа PF 5 , где фосфор находится в валентном состоянии +5, согласующемся с электронной конфигурацией (1s ) 2 (2s ) 2 (2p ) 6 (3s )(3p x)(3p y)(3p z)(3d ); связи с этом случае образуются в результате sp 3 d -гибридизации (т.е. в результате смешивания одной s -, трех р - и одной d -АО). Оптимальной структурой с точки зрения уменьшения взаимного отталкивания пар валентных электронов является треугольная бипирамида (рис. 5,а ). Сера может быть не только двухвалентной, но также четырех- (SF 4) и шестивалентной (SF 6), находясь в состояниях (1s ) 2 (2s ) 2 (2p ) 6 (3s ) 2 (3p x)(3p y)(3p z)(3d ) и (1s ) 2 (2s ) 2 (2p ) 6 (3s )(3p x)(3p y)(3p z)(3d 1)(3d 2) соответственно. В соединениях четырехвалентной серы взаимное отталкивание электронов 3-й оболочки оптимизируется при гибридизации орбиталей всех ее электронов. Структура соединений этого типа подобна структуре PF 5 , но одна из вершин треугольной бипирамиды занята парой неподеленных электронов 3-й оболочки (рис. 5,б ). В соединениях шестивалентной серы взаимное отталкивание электронов минимизируется при sp 3 d 2 - гибридизации, когда все орбитали эквивалентны и направлены к вершинам правильного октаэдра (рис. 5,в ).

До сих пор мы рассматривали только те элементы периодической таблицы, у которых оболочки, имеющие d -орбитали, либо целиком заполнены, либо совсем свободны. Остановимся теперь на переходных элементах, у которых эти оболочки заполнены не до конца. Энергия электронов на разных орбиталях 3-й оболочки возрастает в следующем порядке: 3s p d; все орбитали расположены слишком далеко от орбиталей 2-й оболочки, чтобы могла произойти их гибридизация. В то же время 3d -орбитали и орбитали 4-й оболочки энергетически достаточно близки, так что возможно взаимодействие 3d -, 4s - и 4р -орбиталей, и переходные элементы от Sс до Cu могут образовывать ковалентные связи путем гибридизации этих орбиталей. Во всех случаях, когда имеются две 3d -орбитали, образование связей происходит через d 2 sp 3 -гибридизацию, при этом гибридные орбитали по форме похожи на sp 3 d 2 -орбитали. Элементы в соединениях этого типа шестивалентны, а молекулы самих соединений имеют форму октаэдра (рис. 5,в ). Большинство из них содержат ионы, и можно считать, что они образовались в результате взаимодействия иона центрального атома с шестью молекулами, каждая из которых имеет пару неподеленных электронов. Ковалентные связи с центральным ионом называются донорно-акцепторными. Простой пример такого соединения – гексаммин-ион трехвалентного кобальта Co(NH 3) 6 3+ . Ион Co 3+ имеет электронную конфигурацию (1s ) 2 (2s ) 2 (2p ) 6 (3s ) 2 (3p ) 6 (3d 1) 2 (3d 2) 2 (3d 3) 2 , причем полностью заняты три из пяти его 3d -орбиталей, а две 3d -АО свободны. Эти орбитали могут гибридизоваться с 4s - и 4р -АО с образованием шести октаэдрических d 2 sp 3 -орбиталей; все они свободны и могут участвовать в образовании акцепторных связей с шестью молекулами аммиака.

Другая картина наблюдается, когда центральный атом имеет только одну свободную d -орбиталь. В качестве примера можно привести двухзарядный ион никеля Ni 2+ , у которого оптимальная конфигурация возникает при образовании четырех связей с помощью dsp 2 -орбиталей. Эти орбитали лежат в одной плоскости под углом 90° друг к другу.

Кратные связи.

Одно из известных соединений углерода – этилен С 2 Н 4 , в котором каждый атом углерода связан только с тремя другими атомами. По аналогии с бором можно предположить, что оптимальной будет такая геометрия, при которой sp 2 -гибридные орбитали лежат в одной плоскости. В этом случае у каждого атома углерода будет по одной неиспользованной (в sp 2 -гибридизации) р -орбитали, которая содержит один из четырех валентных электронов. Если все шесть атомов этилена лежат в одной плоскости, то две неиспользованные р -АО перекрываются друг с другом так, как это изображено на рис. 6,а . Такое перекрывание приводит к образованию пары МО: одной связывающей (рис. 6,б ) и одной разрыхляющей (рис. 6,в ). Поскольку каждая из них содержит только один электрон, они могут образовать низкоэнергетическую связывающую МО. Так возникает дополнительная связь между атомами углерода, и структурная формула этилена имеет вид

Этот новый тип связи отличается от тех, которые образуются при перекрывании орбиталей по линии соединения атомов, в двух отношениях. Связи последнего типа, одинарные связи С–С, аксиально симметричны, и поэтому на них не влияет вращение соединяемых ими групп. Напротив, перекрывание р -орбиталей зависит от того, лежат ли все шесть атомов в молекуле этилена в одной плоскости, поскольку для оптимального перекрывания р -АО должны быть параллельны. Таким образом, если вращение вокруг одинарной связи С–С может происходить относительно свободно, то вокруг двойной связи С=С оно сильно затруднено. И действительно, молекула этилена – это жесткая плоская структура. Второе различие касается степени перекрывания орбиталей. Поперечное перекрывание р -АО относительно неэффективно, и, следовательно, связи такого типа слабые. Поэтому этилен химически более активен, чем насыщенные соединения, имеющие только одинарные связи.

S -связями, а при поперечном перекрывании – p -связями.

Молекулы некоторых соединений, например ацетилена С 2 Н 2 , содержат тройные связи. В них каждый атом углерода связан со своим соседом s -связями, образованными sp -гибридными орбиталями. Они коллинеарны, поэтому четыре атома в молекуле ацетилена лежат на одной прямой. Остальные р -АО атомов углерода при перекрывании образуют две p -связи.

Ароматические соединения.

Молекулу бензола С 6 Н 6 представляют в виде шестичленного кольца из атомов углерода, к каждому из которых присоединен еще и атом водорода (рис. 7,а ). Поскольку у каждого углеродного атома три соседа, можно предположить, что соответствующие связи образуются в результате sp 2 -гибридизации и лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другу. И в самом деле, молекула бензола – плоская структура. Неиспользованные р -АО атомов углерода могут образовывать p -связи (рис. 7,б ), однако для бензола ситуация оказывается сложнее, чем в рассмотренных выше случаях, когда связи образовывались в результате перекрывания пар АО. В бензоле 2р -АО каждого углеродного атома должна перекрываться одинаково эффективно с 2р -АО всех соседних атомов. (Здесь можно провести аналогию с многократной интерференцией волн, сопоставив перекрывание орбиталей в молекуле бензола с перекрыванием волн, дифрагировавших на двух щелях или на дифракционной решетке.) В результате для бензола получим набор кольцевых молекулярных орбиталей, охватывающих все шесть атомов углерода (рис. 7,в ). Полная энергия системы при такой электронной конфигурации меньше, чем если бы р -АО попарно образовывали обычные p -связи. И действительно, бензол более стабилен и менее активен, чем можно было ожидать исходя из его «классической» структуры (рис. 7,г ). Все связи в его молекуле симметричны, и их длины одинаковы, а по прочности они занимают промежуточное положение между одинарной и двойной связями. Известны и другие соединения, в которых p -электроны участвуют в образовании «многоцентровых» МО и для которых наблюдаются аналогичные особенности длин связей и химической активности.

Соединения, содержащие многоцентровые связи.

Даже в таких простых молекулах, как СН 4 , отдельные молекулярные орбитали обязательно взаимодействуют друг с другом. Поэтому представление о локализованных двухцентровых ковалентных связях можно рассматривать лишь как некое приближение. Как правило, однако, эти взаимодействия слабые, поскольку степень перекрывания орбиталей невелика (за исключением p -МО в ароматических и сходных с ними соединениях). Тем не менее нельзя исключить существования молекул с многократно перекрывающимися АО, ответственными за образование связей путем обобществления электронов тремя и более атомами. В качестве примера можно привести диборан В 2 Н 6 , у которого имеется шесть пар валентных электронов; этого недостаточно для образования семи связей, необходимых для создания классической структуры Н 3 В–ВН 3 . Х.Лонге-Хиггинс предложил структуру диборана, представленную на рис. 8,а . В этой структуре центральные атомы водорода соединены трехцентровыми связями, образующимися в результате перекрывания sp 3 -гибридных орбиталей двух атомов бора с 1s -АО атома водорода (рис. 8,б ). Четыре из шести пар валентных электронов участвуют в формировании обычных s -связей с «концевыми» водородными атомами, а две пары – трехцентровых связей. Более сложный пример многоцентровой связи дает молекула дибензолхрома (рис. 8,в ). Бензольные кольца в этой молекуле соединяются с атомом металла сложными многоцентровыми орбиталями, образующимися в результате перекрывания p -МО бензола с 3d -, 4s - и 4р -АО центрального атома. Известны и другие аналогичные соединения, имеющие структуру типа сандвича.

Перспективы.

К настоящему времени общие принципы строения молекул можно считать установленными. Разработаны физико-химические методы определения структуры сложных молекул, в том числе и биологических. В ближайшее время возможен прогресс в двух связанных между собой направлениях. Следует ожидать, во-первых, повышения точности квантовомеханических расчетов и, во-вторых, усовершенствования экспериментальных методов измерения соответствующих молекулярных параметров.

Все тела, которые нас окружают, состоят из атомов. Атомы, в свою очередь, собираются в молекулу. Именно благодаря различию в молекулярном строении, можно говорить об отличных друг от друга веществах, опираясь на их свойства и параметры. Молекулы и атомы всегда находятся в состоянии динамики. Двигаясь, они все же не разбегаются в разные стороны, а удерживаются в определенной структуре, чем мы обязаны существованию такого огромного разнообразия веществ во всем окружающем нас мире. Что же это за частички и каковы их свойства?

Общие понятия

Если отталкиваться от теории квантовой механики, то молекула состоит не из атомов, а их ядер и электронов, которые постоянно взаимодействуют между собой.

Для некоторых веществ молекула - это наименьшая частица, имеющая состав и химические свойства самой субстанции. Так, свойства молекул с точки зрения химии определяются ее и составом. Но только для веществ с молекулярным строением работает правило: химические и молекул одинаковы. Для некоторых полимеров, например, этилена и полиэтилена, состав не соответствует молекулярному.

Известно, что свойства молекул определяются не только количеством атомов, их типом, но и конфигурацией, порядком соединения. Молекула - это сложная архитектурная постройка, где каждый элемент стоит на своем месте и имеет своих конкретных соседей. Атомная структура может быть более или менее жесткой. Каждый атом совершает колебание относительно своего равновесного положения.

Конфигурация и параметры

Бывает, что некоторые части молекулы совершают вращение по отношению к другим частям. Так, в процессе теплового движения свободная молекула обретает причудливые формы (конфигурации).

В основном свойства молекул определяются связью (ее типом) между атомами и архитектурой самой молекулы (структурой, формой). Таким образом, в первую очередь общая химическая теория рассматривает химические связи и основывается на свойствах атомов.

При сильно выраженной полярности свойства молекул трудно описать двух- или трехконстантными корреляциями, которые отлично подходят для неполярных молекул. Поэтому был введен дополнительный параметр с дипольным моментом. Но такой способ не всегда успешен, так как полярные молекулы имеют индивидуальные характеристики. Также были предложены параметры для учета квантовых эффектов, имеющие важность при низких температурах.

Что мы знаем о молекуле самого распространенного вещества на Земле?

Из всех веществ на нашей планете, самое распространенное - это вода. Она, в прямом смысле, обеспечивает жизнь всему сущему на Земле. Только вирусы могут без нее обойтись, остальные живые структуры в своем составе по большей части имеют воду. Какие свойства молекулы воды, характерные только ей, используются в хозяйственной жизни человека и живой природе Земли?

Ведь это поистине уникальная субстанция! Набором свойств, присущих воде, не может похвастаться больше ни одно вещество.

Вода — это основной растворитель в природе. Все реакции, протекающие в живых организмах, так или иначе происходят в водной среде. То есть вещества вступают в реакции, находясь в растворенном состоянии.

Вода обладает отличной теплоемкостью, но низкой теплопроводностью. Благодаря таким свойствам мы можем использовать ее в качестве транспортировки тепла. Этот принцип входит в механизм охлаждения большого числа организмов. В атомной энергетике свойства молекулы воды послужили поводом для использования этого вещества в качестве теплоносителя. Помимо возможности быть реактивной средой для других веществ, вода сама может вступать в реакции: фотолиз, гидратацию и другие.

Природная чистая вода - это жидкость, не имеющая запаха, цвета и вкуса. Но на толщине слоя, большем чем 2 метра, цвет становится голубоватым.

Вся молекула воды - это диполь (два разноименных полюса). Именно дипольная структура в основном определяет необычные свойства этого вещества. Молекула воды является диамагнетиком.

Еще одним интересным свойством обладает талая вода: ее молекула приобретает строение золотой пропорции, а структура вещества - пропорции золотого сечения. Многие свойства, которыми обладает молекула воды, установлены с помощью анализа поглощения и испускания полосатых спектров в газовой фазе.

Естествознание и молекулярные свойства

Все вещества, кроме химических, имеют физические свойства молекул, входящих в их структуру.

В физической науке понятие молекул используют для объяснения свойств твердых тел, жидкостей и газов. Способность всех веществ к диффузии, их вязкость, теплопроводность и другие свойства определяются подвижностью молекул. Когда французский ученый-физик Жан Перрен изучал броуновское движение, он экспериментально доказал существование молекул. Все живые организмы существуют благодаря тонко сбалансированному внутреннему взаимодействию в структуре. Все химические и физические свойства веществ имеют фундаментальное значение для естествознания. Развитие физики, химии, биологии и молекулярной физики послужило возникновению такой науки, как молекулярная биология, исследующая основные явления в жизни.

Используя статистическую термодинамику, физические свойства молекул, которые определяют методами молекулярной спектроскопии, в физической химии определяют веществ, необходимые для расчета химических равновесий и скоростей его установления.

Чем отличаются свойства атомов и молекул между собой?

Прежде всего, атомы не встречаются в свободном состоянии.

У молекул оптические спектры более богаты. Это связано с меньшей симметрией системы и с появлением возможности новых вращений и колебаний ядер. У молекулы суммарная энергия складывается из трех энергий, отличных по порядку величин составляющих:

• электронной оболочки (оптическое или ультрафиолетовое излучение);
• колебания ядер (инфракрасная часть спектра);
• вращения молекулы в целом (радиочастотный диапазон).

Атомы излучают характерные а молекулы - полосатые, состоящие из множества близко расположенных линий.

Спектральный анализ

Оптические, электрические, магнитные и другие свойства молекулы определяются еще и связью с Данные о состояниях молекул и вероятном переходе между ними показывают молекулярные спектры.

Переходы (электронные) в молекулах показывают химические связи и структуру их электронных оболочек. Спектры, имеющие большее количество связей, имеют длинноволновые полосы поглощения, попадающие в видимую область. Если вещество построено из таких молекул, оно имеет характерную окраску. Это все

Свойства молекул одной и той же субстанции являются одинаковыми во всех агрегатных состояниях. Это значит, что у одних и тех же веществ свойства молекул жидких, газообразных субстанций не отличаются от свойств твердого. Молекула одного вещества всегда имеет одинаковую структуру, независимо от агрегатного состояния самого вещества.

Электрические характеристики

То, как вещество ведет себя в электрическом поле, определяется электрическими характеристиками молекул: поляризуемостью и постоянным дипольным моментом.

Дипольный момент - это электрическая асимметрия молекулы. У молекул, которые имеют центр симметрии, как H 2 , нет постоянного дипольного момента. Способность электронной оболочки молекулы перемещаться под воздействием электрического поля, в результате которого в ней образуется наведенный дипольный момент, - это поляризуемость. Чтобы найти значение поляризуемости и дипольного момента, необходимо измерить диэлектрическую проницаемость.

Поведение в переменном электрическом поле световой волны характеризуют оптические свойства вещества, которые определяются поляризуемостью молекулы этой субстанции. Непосредственно с поляризуемостью связаны: рассеяние, преломление, оптическая активность и другие явления молекулярной оптики.

Часто можно услышать вопрос: «От чего, кроме молекул, зависят свойства вещества?» Ответ на него достаточно прост.

Свойства веществ, кроме изометрии и кристаллической структуры, определяются температурой окружающей среды, самой субстанции, давлением, наличием примесей.

Химия молекул

До формирования такой науки, как квантовая механика, природа химических связей в молекулах была нераскрытой тайной. Классическая физика объяснить направленность и насыщаемость валентных связей не могла. После создания базовых теоретических сведений о химической связи (1927 г.) на примере простейшей молекулы Н2, теория и методы расчёта стали постепенно совершенствоваться. К примеру, на основе широкого применения метода молекулярных орбиталей, квантовой химии, стало возможным вычислять межатомные расстояния, энергию молекул и химических связей, распределение электронной плотности и других данных, которые вполне совпадали с экспериментальными.

Вещества с одинаковым составом, но разным химическим строением и разными свойствами, называются структурными изомерами. У них разные структурные формулы, но одинаковые молекулярные.

Известны различные типы структурной изомерии. Различия заключаются в строении углеродного скелета, положении функциональной группы или положении кратной связи. Кроме того, еще существуют пространственные изомеры, у которых свойства молекулы вещества характеризуются одинаковым составом и химическим строением. Поэтому и структурные, и молекулярные формулы у них одинаковые. Отличия заключаются в пространственной форме молекулы. Для изображения разных пространственных изомеров используют специальные формулы.

Есть соединения, которые называются гомологами. Они похожи по строению и свойствам, но отличаются по составу на одну или несколько групп СН2. Все вещества, похожие по строению и свойствам, объединены в гомологические ряды. Изучив свойства одного гомолога, можно рассуждать о любом другом из них. Совокупность гомологов - это гомологический ряд.

При преобразованиях структур вещества химические свойства молекул резко меняются. Примером служат даже простейшие соединения: метан, соединяясь даже с одним атомом кислорода, становится ядовитой жидкостью с названием метанол (метиловый спирт - СН3ОН). Соответственно, его химическая комплементарность и действие на живые организмы становятся другими. Аналогичные, но более сложные изменения, происходят при модификации структур биомолекул.

Химические молекулярные свойства сильно зависят от строения и свойств молекул: от в ней и геометрии самой молекулы. Особенно это работает в биологически активных соединениях. Какая конкурирующая реакция окажется преобладающей, часто определяется только пространственными факторами, зависящими, в свою очередь, от исходных молекул (их конфигурации). Одна молекула, имеющая «неудобную» конфигурацию, вообще не вступит в реакцию, а другая, с таким же химическим составом, но другой геометрией, может среагировать на реакцию мгновенно.

Большое число биологических процессов, наблюдающихся при росте и размножении, связано с геометрическими соотношениями между продуктами реакции и исходными веществами. К сведению: действие немалого количества новых лекарств основывается на аналогичном строении молекул какого-либо соединения, вредного с биологической точки зрения для человеческого организма. Лекарство занимает место вредоносной молекулы и затрудняет ее действие.

С помощью химических формул выражают состав и свойства молекул разных веществ. На основании молекулярной массы, устанавливается атомное соотношение и составляется эмпирическая формула.

Геометрия

Определение геометрической структуры молекулы производится с учетом равновесного расположения атомных ядер. От расстояния между ядрами атомов зависит энергия взаимодействия атомов. При очень больших расстояниях эта энергия нулевая. При сближении атомов начинает формироваться химическая связь. Тогда атомы сильно притягиваются друг к другу.

Если наблюдается слабое притяжение, то образование химической связи при этом не обязательно. Если атомы начинают сближаться на более близкие расстояния, между ядрами начинают действовать электростатические силы отталкивания. Препятствием для сильного сближения атомов является несовместимость их внутренних электронных оболочек.

Размеры

Невооруженным глазом увидеть молекулы невозможно. Они так малы, что даже микроскоп с 1000-кратным увеличением нам не поможет их разглядеть. Биологи наблюдают бактерии размером 0,001 мм. Но молекулы в сотни и тысячи раз меньше их.

Сегодня строение молекул некой субстанции определяют дифракционными методами: дифракцией нейтронов, рентгеноструктурным анализом. Также существует колебательная спектроскопия и электронный парамагнитный метод. Выбор метода зависит от типа вещества и его состояния.

Размер молекулы - это условная величина, если учитывать электронную оболочку. Дело в расстояниях электронов от атомных ядер. Чем они больше, тем вероятность найти электроны молекулы меньше. На практике размер молекул можно определить, учитывая равновесное расстояние. Это тот промежуток, на который сами молекулы могут сблизиться при плотной упаковке в молекулярном кристалле и в жидкости.

Большие расстояния располагают молекулы к притяжению, а малые, наоборот, к отталкиванию. Поэтому рентгеноструктурный анализ молекулярных кристаллов помогает найти размеры молекулы. Используя коэффициент диффузии, теплопроводности и вязкости газов, а также плотности вещества в конденсированном состоянии, можно определить порядок величины молекулярных размеров.