Химия как музыка  А.Л. Бучаченко
Химия для абитуриента
О сайте
Порядок работы
Новости сайта
Контакт

Приёмная комиссия.
Вступительное задание.
Открытые уроки.
Учебники по физике.
Задачи по физике.
Справочник по физике.
Вопросы и консультации.
Рефераты.
Олимпиады и турниры.
Современная физика.
Весёлая наука.
Уголок крохобора.
Не только физика.
Директория ссылок.
Репетиторы
Малая академия наук.
Математика для физика.

Химия для абитуриента.

Форум.

info@abitura.com

Химия для абитуриента

 

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

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

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

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

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

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

  • понятие волновой функции электрона как распределённого в пространстве и времени заряда и спина (углового момента);
  • принцип Паули, организующий электроны по энергетическим уровням и спиновым состояниям, "рассаживающий" электроны по их собственным орбиталям (волновым функциям);
  • уравнение Шредингера как квантовый наследник уравнений классической механики.

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

Химические ноты.

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

(1)

где H есть оператор энергии

(2)

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

Функции Ё(r) есть водородные волновые функции; это базовые атомные орбитали - из них составлены электронные оболочки всех атомов и молекул, всех химических частиц, всего химического мира (а значит и всего Мира).

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

Этих функций всего шестнадцать: одна s-орбиталь, три p-орбитали, пять d-орбиталей и семь f-орбиталей; пространственная ориентация и форма s -, p - и d -орбиталей показаны на рис.1 (для f -орбиталей они чуть посложнее и не приведены на рисунке). И как из комбинации простых шахматных ходов рождаются бесконечные шахматы, как из семи простых музыкальных нот рождается волшебная и вечная музыка, так из шестнадцати простых атомных орбиталей - химических нот, сотворена могучая и неисчерпаемая химия, построена вся химическая архитектура мира. Наука и искусство химического синтеза - это знание и предвидение как комбинировать орбитали атомов, чтобы осуществлять химическую сборку атомов, создавая заданные молекулы и вещества. Образно говоря, химия - это могучая, шестнадцатинотная музыка, авторами которой являются два творца - Природа и Химик.

Обратим внимание на важнейшее обстоятельство: в уравнениях (1) и (2) потенциальная энергия электрон-протонной химической системы включает единственное взаимодействие - кулоновское. Все базовые атомные орбитали, эти химические ноты, следующие из решения уравнений (1) и (2), построены в этом приближении, т. е. на единственном кулоновском потенциале. Верно ли это? И не нужно ли учитывать какие-либо другие существенные взаимодействия (подобно тому, как в ядерной физике для описания сил между нуклонами и элементарными частицами необходимо учитывать несколько взаимодействий разной природы)?

Ответ на этот фундаментальный вопрос получен экспериментально. Идея эксперимента проста и красива. Пучок атомов (например, кальция или меди) облучается поляризованным светом; свет возбуждает заданную атомную орбиталь (например, р z в Са и d z 2 в Cu, см. рис 1), т. е. готовит атомы с электронами, населяющими эти орбитали. Далее на этот пучок направляется зондирующий пучок инертных атомов (например, гелия) и наблюдается рассеяние этих атомов на электронах, заселяющих р z или d z 2 орбитали рассеивающих атомов. Диаграмма рассеяния воспроизводит форму рассеивающего потенциала.

Результаты этих экспериментов восхитительны: оказалось, что форма рассеивающего потенциала точно воспроизводит форму атомной орбитали, выведенной из уравнения Шредингера. Можно, конечно, брюзгливо сказать, что это банально. Но надо помнить, что волновые функции (атомные орбитали) получены на кончике пера и на острие мысли - из уравнения Шредингера с кулоновским потенциалом. И отсюда следуют сразу два фундаментальных вывода.

Во-первых, уравнение Шредингера правильно описывает химический мир (и не только его, но сейчас мы говорим о химии). Утверждение классика об учении, которое "всесильно, потому что оно верно" следовало бы отнести к уравнению Шредингера как основе химического мира.

Во-вторых, экспериментальное доказательство точности атомных базисных орбиталей - это не просто торжество интеллекта (и в эксперименте, и в теории); это ещё и надёжное доказательство - в химии работает только кулоновское взаимодействие. И волшебство химии, её очарование состоит в том, что из этой кулоновской единственности, кулоновской бедности рождается богатство химических связей (ионные, ковалентные, донорно-акцепторные, водородные, металлические, вандерваальсовы, и т.д.), богатство химических частиц (атомы, ионы, карбены, эксимеры, ридберги, эксиплексы, молекулярные сэндвичи, вандерваальсовы молекулы, кластеры, радикалы, и др.), богатство механизмов реакций (ионные, молекулярные, нуклеофильные, электрофильные, радикальные, цепные, разветвлённо-цепные, и т.д.), богатство химических состояний (молекулярных, зарядовых, спиновых, состояний по электронной и ядерной симметрии, и т. д.).

С точки зрения канонического физика химия представляется простой: действительно, нужно учесть только кулоновское отталкивание электрон-электрон и ядро-ядро, а также кулоновское притяжение электрон-ядро. И больше, кажется, физику в химии нечего делать. Но, во-первых, химические системы - многочастичные (много электронов, много ядер), а уже задача трёх тел в физике не является тривиальной. Во-вторых, в кулоновском взаимодействии электрон-электрон есть часть, зависящая от электронного спина (она следует из антисимметрии полной волновой функции по принципу Паули, ибо электроны являются фермионами - так уж устроен мир). Эта часть кулоновской энергии называется обменной энергией (название неудачное, но оно прижилось уже навсегда); она выстраивает угловые моменты (спины) электронов и создаёт ферромагнетизм, на котором построены ферромагнитные вещества - основа генераторов, радио, телевидения, связи, стиральных машин, лифтов, компьютеров и прочих бесчисленных благ цивилизации. Можно образно сказать, что если химический мир построен "на Кулоне", то цивилизация держится "на Паули".

Фундаментальность физических проблем химии и самостоятельность физики химических процессов ясно осознавал великий физик Р. Фейнман, выразив это одной фразой: "Химия - это самая сложная физика:; физики отдали её химикам:" (продолжение фразы не цитируется, ибо оно звучит обидно для плохих физиков).

Логика современной химии

Современная химия - гигантская разветвлённая наука, огромная мозаика из множества разных химий, химических "губерний", число которых приближается к числу субъектов Российской Федерации. И всё-таки химия фундаментально едина, в ней есть общие заботы, общие стратегические направления, единая логика.

Логика химии открывается наукой и искусством химического синтеза. Это ключ всей химии, источник всех её достоинств и сокровищ; это то, что делает химию самой созидательной наукой, крупной частью мировой культуры, мощным фактором устойчивого развития цивилизации. В этом смысле химия больше чем наука.

Следующий логический элемент - связь химической структуры с её функцией; смысл его - увидеть или предвидеть, на что способны молекулы и вещества, что они умеют делать и где их можно использовать (от электроники до медицины).

Третье направление - как управлять химическими процессами, как дирижировать химией, чтобы получать нужные молекулы и вещества с нужными функциями.

Вещество - это ещё не материал, его надо научить работать как товар, и это забота химического материаловедения.

Задача пятого направления - дать веществу путёвку в жизнь через химическую технологию - умную, чистую, экономичную, безопасную.

Шестое направление включает химическую энергетику - от молекулярного уровня запасания и преобразования энергии до химических источников тока и энергоёмких веществ.

Химическая аналитика и диагностика (в том числе химические сенсоры, химия вкуса и запаха) - важнейший элемент безопасности окружающего мира.

И, наконец, химия живого - гигантская химическая галактика, цель которой - познать тот деликатный и тонкий химический макрореактор, который каждый из нас носит в себе (включая химию мозга, памяти, мышления, сознания, чувств, страстей, химические механизмы генерации идей).

Представленная в таком виде структура превращает химию в стройное, логически единое здание; это структурирование химии по её задачам, целям и объединяющей логике. Это логика единства химии и химиков как профессионального сообщества.

Новые мелодии нового века

В химии (как, впрочем, и во всякой живой науке) постоянно рождаются новые идеи, совершаются крупные прорывы, формируются новые тенденции, пишется новая химическая музыка.

Главные, ключевые события происходят в химическом синтезе; здесь совершаются каждодневные открытия - большие и малые, значимые и мало заметные. Ни одним из них нельзя пренебрегать, ибо, как заметил один философ, в науке "мусор сегодняшнего дня может оказаться сокровищем дня завтрашнего".

Атомная архитектура и природных, и синтетических молекул бесконечно разнообразна и эстетически совершенна. Созданы молекулы-ротаксаны (кольцо, двигающееся по стержню с ограничителями на концах), молекулы-катенаны (продетые кольца), фуллерены (молекулы-футбольные мячи), высокоспиновые ферромагнитные молекулы; синтезированы молекулы, функционирующие как молекулярные машины; синтезированы органические сверхпроводники и сверхпроводящие керамики, органические ферромагнетики, молекулы-лестницы, молекулы-тороиды и многопалубники, молекулярные контейнеры с пленёнными в них атомами и ионами. Созданы дендримерные молекулы, построенные по фрактальному типу - когда всё вещество составлено одной гигантской молекулой (по принципу алмаза).

Крупный прорыв - синтез углеродных нанотрубок диаметром 10 нм; созданы технологии манипулирования этими молекулярными трубками (их можно резать, укладывать, перемещать, изгибать, и т.д.); их можно нагружать металлом и получать проводящую молекулярную проволоку. Впервые открывается реальный путь к молекулярной наноэлектронике.

Синтезирован металлический водород; желанная цель оказалась не слишком экзотической - электропроводность его около 2000 сименсов, т.е. на уровне расплавленного цезия или рубидия. Нельзя также не отметить монументальные успехи трансгенной инженерии; на их острие стоит химия. Конечно, часть огромного творчества химиков останется невостребованной экзотикой, но в основном оно даёт новые точки роста и новые блага цивилизации. (Именно здесь уместно заметить, что использовать плоды химии во вред или благо - это не проблема химии, это проблема тех, кто использует эти плоды; здесь всё как в ядерной энергетике).

Новое лицо всякой науки (химия - не исключение) отчётливо просматривается в особых точках времени (например, на рубеже веков), когда подводятся итоги. Отметим здесь некоторые новые черты химии, её новые мелодии, с которыми она входит в новый век [1].

Триумфальные успехи ковалентной химии (в которой химические связи формируются пбрами электронов) демонстрируют и её мощь, и её концептуальный предел: в рамках ковалентной химии трудно (а часто и невозможно) создать молекулярно-организованные наносистемы, молекулярные устройства и ансамбли (типа каталитических антител и молекулярных машин), которыми пользуется Природа. Но уже сейчас открывается новая эра нековалентной химии, которая строится на нековалентных взаимодействиях (электростатические взаимодействия ионов и диполей, водородные связи, вандерваальсовы силы и т.д.). Комбинация принципов классической, ковалентной и новой, нековалентной химии открывает необозримый потенциал сотворения любой химической архитектуры любого масштаба.

Когерентная химия - новое лицо химии. Химическая когерентность - свойство химических систем генерировать осциллирующие, периодические режимы реакций. Есть два типа химических осцилляторов: квантовые (в них осциллирует во времени реакционная способность частиц) и классические (в них осциллируют макроскопические характеристики - концентрации реагентов, электрические токи, потенциалы и др.).

В осциллирующих режимах случайное, хаотическое, статистически независимое поведение реагирующих молекул превращается в упорядоченное, синхронное поведение организованных ансамблей молекул - когерентных волновых пакетов. Хаос становится порядком: волновой пакет реагирует как целое, как единый молекулярный ансамбль. Появляется новый фактор управления химией - фаза волнового пакета. Классическая, некогерентная химия управляется двумя факторами - энергией и спином; в когерентной химии можно также осуществлять и фазовый контроль реакции.

Примерами квантовых волновых пакетов являются: ансамбль молекул, в которых коротким лазерным импульсом (длительностью 10 -13 -10 -14  с) возбуждаются мгновенно синхронные колебания избранных атомов; ансамбль радикальных пар, генерированных почти мгновенно диссоциацией молекул на радикалы; такой спиновый волновой пакет осциллирует между двумя спиновыми состояниями - триплетным (нереакционноспособным) и синглетным (химически активным).

Классическая химическая когерентность обнаруживается в десятках новых электрохимических осциллирующих реакций, в окислении аммиака и оксида углерода на платине как катализаторе, в некоторых фотохимических реакциях, и т.д.


(а)


(б)

Рис. 2. Когерентные процессы в сердечной мышце (а) и в каталитической реакции окисления оксида углерода на платине (б). Чередование светлых и тёмных областей - индикатор когерентных химических волн в обоих системах

Биологические осцилляции есть прямой результат функционирования биохимических осцилляторов. Огромный интерес к химическим осцилляторам связан, конечно, с функционированием биологических ансамблей - клеток, синапсов, нейронов. И первое место здесь принадлежит исследованию систем связанных осцилляторов (сердце - самая "близкая" нам биосистема химических осцилляторов). В связанных осцилляторах реализуются яркие предельные режимы: смерть осцилляторов, когда один осциллятор "гасит" другой (инфаркт), "прыжки" от порядка к хаосу (фибрилляции), синтез новой частоты или модуляция частот (тахикардия). Ясно, что когерентная химия в буквальном смысле жизненно важная химия. Рис. 2 демонстрирует генетическое родство химических и биологических осцилляторов.

Нельзя также умолчать о ярком примере самоорганизованной и самоорганизующейся биохимической системы - головном мозге, в котором химическая и, как следствие, электрическая активность синапсов и нейронов великолепно синхронизованы. В этом макрореакторе нормальным состоянием является порядок, когерентность; хаос - это страшные патологии (типа болезни Альцгеймера). Идеальный порядок, идеальная когерентность - это генерация мыслей, идей и это свойство талантливого, гениального ума. И чем выше когерентность, тем ярче гениальность - мысль не доказанная, но похожая на правду.

Энергично развивается химия в экстремальных и экзотических условиях: в сверхтекучем гелии; в кристаллических газовых решётках ультрахолодных атомов; в мощных ударных волнах при гигантских сжатиях; в сильных электрических полях лазеров с мощностью ~ 10 16  Вт/см 2 (в них напряжённость поля ~ 200 В/нм, сравнимая с напряжённостью внутренних электрических полей в молекулах); в сильных микроволновых и магнитных полях; в сильных гравитационных полях. Цель этих исследований - поиск новых реакций, новых процессов и новых режимов с возможными выходами в высокие технологии.

Освоение лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило крупный прорыв в фемтохимию; это новая химия, детектирующая химические события в масштабе ультракоротких времён 10 -15 -10 -14  с (1-10 фемтосекунд). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10 -13 -10 -11  с). Благодаря такому соотношению времён фемтохимия "видит" саму химическую реакцию - как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов. Это крупный прорыв в современной химии: он открыл прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями.

Этим прорывом химия обязана и благодарна физике лазеров; значительная часть современной экспериментальной физики химических реакций базируется на методах фемтохимии, создание которой отмечено в 1999 г . Нобелевской премией (А. Зевайл, США) [2].

Ещё одна "новая земля" в химической науке - спиновая химия. Она основана на фундаментальном и универсальном принципе сохранения спина в химических реакциях: все реакции селективны по спину - они разрешены только для таких спиновых состояний продуктов, в которых полный спин идентичен спину реагентов. Реакции запрещены, если в них требуется изменить спин.

Спиновая химия уникальна: она вводит в химию магнитные взаимодействия. Будучи пренебрежимо малыми по энергии, магнитные взаимодействия переключают реакцию между спин-запрещенными и спин-разрешёнными каналами. В конечном счете, они контролируют химическую реакционную способность и пишут новый, магнитный сценарий реакции.

Рис. 3. Схема спиновой химии: магнитные взаимодействия (зеемановское, ферми и микроволны) переключают реакцию двух радикалов R из триплетного, запрещённого для реакции канала, в синглетный канал; вероятность реакции Р есть функция всех магнитных параметров

Схема спиновой химии показана на рис.3 для частного, но химически значимого случая двух радикалов - частиц с неспаренным, одиночным электроном и электронным спином. Когда спины обоих электронов радикальной пары складываются, это состояние пары (триплетное по спину) нереакционноспособно. Магнитные взаимодействия (зеемановское, ферми, т.е. электрон-ядерное, и микроволновое) изменяют спин пары, превращая триплетное состояние в реакционноспособное, из которого рождаются продукты. По этой причине вероятность реакции Р в радикальной паре есть функция всех параметров, характеризующих магнитные взаимодействия:

P = f(H, a, m n , I, m I , H 1 , w , J) (3)

где H магнитное поле, a электрон-ядерное, ферми-взаимодействие, m n , I, m I ядерный магнитный момент, спин и проекция ядра, H 1 и w амплитуда и частота микроволнового облучения, J обменное взаимодействие электронов в паре. Функция (3) означает, что радикальная пара является микрореактором, селективным к электронному и ядерному спину реагентов, к магнитному полю, к СВЧ-накачке, к электрон-ядерному магнитному взаимодействию, к ориентации и магнитному моменту ядер. Эта функция является источником многочисленных магнитно-спиновых эффектов в химии:

  • химически индуцированная магнитная поляризация электронов и ядер;
  • химически детектируемый магнитный резонанс;
  • радиоизлучение химических реакций;
  • магнитный изотопный эффект;
  • микроволновой изотопный эффект;
  • спиновая когерентность в химических реакциях;
  • магнитно-полевой эффект;
  • спиновый катализ.

Все они основаны на спиновом контроле химических реакций, и этот контроль осуществляется энергетически ничтожными магнитными взаимодействиями - в этом величие и уникальность спиновой химии. Большинство эффектов в спиновой химии, причём наиболее значимых, открыто российскими учёными [3, 4].

Рис. 4. Туннельная спектроскопия одиночной молекулы: слева - схема расположения иглы туннельного микроскопа и единичной молекулы на поверхности; справа - схема туннельного тока на электронно-колебательных переходах одиночной молекулы

Новый, совсем недавний, крупномасштабный прорыв в химии - открытие туннельной спектроскопии (и, конечно, химии) одиночных, индивидуальных молекул. Идея новой спектроскопии и химии одиночных молекул проста и красива (рис. 4): в автоэмиссионном режиме электроны, эмитируемые иглой туннельного сканирующего микроскопа, оказываются в полости между иглой и молекулой, сидящей на поверхности твёрдого тела под иглой. Движение электронов в этой полости ограничено двумя квантовыми барьерами - на игле и на молекуле. Время пребывания электронов в полости - 10 -11 -10 -12  с, так что полость "работает" как наномасштабный резонатор, характеристическая частота которого есть функция потенциала на игле. Когда эта частота совпадает с собственной частотой электронно-колебательного перехода в молекуле, нижний барьер становится прозрачным и туннелирующие электроны легко просачиваются через него. Туннельный ток как функция потенциала иглы есть электронно-колебательный "портрет", электронно-колебательный спектр индивидуальной, одиночной молекулы [5].

Эта замечательная спектроскопия открывает новые границы в химии одиночных молекул, ионов, кластеров; она создаёт также прорыв в детектировании одиночных парамагнитных частиц (туннельная спектроскопия одиночных электронных спинов). Теперь реально обсуждать спектроскопию электронного парамагнитного резонанса одиночных радикалов, ионов, парамагнитных молекул как прорыв в новую область магнитного резонанса [6].

* * * *

Наивно думать, что в одной короткой статье можно показать всю гигантскую панораму химии; цель этой статьи раскрыть логику и красоту химии в надежде, что это прибавит у непрофессионалов уважения к этой яркой науке, а профессионалы увидят за строками этой статьи гораздо больше и прочтут недосказанное:

Приятный долг автора - поблагодарить Российский Фонд Фундаментальных Исследований и Фонд "Интеграция" за финансовую (скромную и потому особенно дорогую) помощь, а также академиков В.И. Минкина, И. И. Моисеева, Н. А. Платэ, В. А. Кабанова, П. Д. Саркисова за стимулирующие дискуссии.

Литература

  1. Бучаченко А. Л. Химия на рубеже веков: свершения и прогнозы. Успехи химии, 1999, т. 68, 85-102.
  2. Zewail A. H. Femtochemistry. J. Phys. Chem.,1996, v.100, 12701.
  3. Бучаченко А. Л., Салихов К. М., Молин Ю. Н., Сагдеев Р. З. Магнитные и спиновые эффекты в химических реакциях, 1978, Наука, Новосибирск.
  4. Buchachenko A. L. , Frankevich E. L. Chemical generation and reception of microvawes. N.Y., VCH, 1994.
  5. Далидчик Ф. И., Ковалевский С. А., Гришин М. А., Шуб Б. Р. Туннельная спектроскопия одиночных молекул. Письма в ЖЭТФ, 1997, т. 66, 37.
  6. Далидчик Ф. И. , Ковалевский С. А. Наблюдение одиночного парамагнитного центра. Письма в ЖЭТФ, 1998, т.67, 965.

 

Кто осуществит ремонт стиральных машин в Зеленограде? | Продается пассажирский лифт и цена от производителя оборудования!

О сайте
Порядок работы
Новости сайта
Контакт

Вверх .

Главная страница .

Rambler's Top100Rambler's Top100