Механикаи квантӣ — асоси назариявии химияи асри 20

Тавре қайд намуда будем, танҳо пас аз пайдоиши механикаи квантӣ ва дар асоси он бунёд шудани химияи квантӣ, илми химия асоси назариявӣ пайдо намуда, системаи донишҳои химиявӣ аз савияи таҷрибавӣ то ба дараҷаи назариявӣ бароварда шуд.

Мафҳумҳо ва объектҳои асосии химия атомҳо ва молекулаҳомебошанд. Атом –зарраи майдатарини элементи химиявӣ мебошад, ки хосиятҳои ин элементро дорад. Атомҳо бо ёрии бандҳои химиявӣ пайваст шуда, молекулаҳоро ба вуҷуд меоранд. Молекула – зарраи майдатарини модда мебошад, ки хосиятҳои ин моддаро соҳиб аст.

Шумораи атомҳои маълум, ё худ элементҳои химиявӣ имрӯз зиёда аз 100 (~110) мебошад. Дар айни замон шумораи молекулаҳои табиӣ ва бо роҳи сунъӣ ҳосил шуда зиёда аз 18 миллион мебошад. Ин қадар шумораи зиёд аз он сабаб аст, ки аксари атомҳо (ғайр аз газҳои инертӣ) ба ҳамдигар таъсир намуда, молекулаҳоро ба вуҷуд оварда метавонанд. Сониян дар молекулаҳо шумораи атомҳо гуногунанд. Масалан, молекулаҳои газҳои инертӣ якатома, ҳидроген ва нитроген дуатома, об – сеатома ва ҳоказо. Молекулаҳои моддаҳои мураккаб ба монанди сафедаҳо ва кислотаҳои нуклеат (макромолекулаҳо) аз даҳҳо ва садҳо ҳазор атомҳо иборатанд. Атомҳо дар молекулаҳо бо тартиб ва ҷойгиршавии фазоии муайян алоқаманданд. Аз ин рӯ, бо вуҷуди нисбатан кам будани элементҳои химиявӣ (~110), шумораи моддаҳои химиявӣ ниҳоят зиёданд (~18 миллион).

Химияи квантӣ таълимотест, ки дар асоси мафҳумҳо ва принсипҳои механикаи квантӣ ва физикаи статистикӣ бунёд гардида, барои омӯхтани хосияти атомҳо, молекулаҳо ва моддаҳои химиявӣ татбиқ карда мешавад. Ба хотир меорем, ки яке аз муваффақиятҳои механикаи квантӣ бунёди назарияи квантии сохти атом мебошад. Таҷрибаҳои дақиқтарин ва борҳо такроршуда нишон доданд, ки атомҳо аз ядрои заряди мусбат дошта иборат буда, дар атрофи он электронҳои заряди манфӣ дошта давр мезананд. Дар айни замон, андозаи атом тақрибан ба 10-10 м ва андозаи ядрои он наздик ба 10-15 м мебошад.

Аз физикаи ядроӣ маълум аст, ки ядрои атомҳо аз протонҳои заряди мусбати электрикӣ дошта ва нейтронҳои безаряд таркиб ёфтаанд. Аз ин рӯ, ба протон ва нейтрони дохили ядро номи махсус – нуклондодаанд. Яке аз характеристикаҳои муҳимтарини атом заряди ядрои вай мебошад. Дар навбати худ заряди ядро аз шумораи протонҳои он вобаста буда, ба ин ё он атом мансуб будани ин ядроро нишон медиҳад.

Ҳамин тавр, ядрои атоми рақами тартибиаш N ва адади массавиаш М аз N протонҳо ва (М – N) нейтронҳо иборат буда, дар атрофи он электронҳои шумораашон ба шумораи протонҳо баробар давр мезананд. Азбаски заряди протонҳо ба заряди электронҳо ададан баробар, вале мусбат мебошад, пас заряди ядрои атоми додашуда ба +eN, суммаи заряди электронҳо ба -eN баробар ва, бинобар он, атом дар ҳолати нормалӣ нейтрал, яъне безаряд мебошад. Агар атоми нейтрал як ва ё якчанд электрони худро гум кунад, ба иони мусбат (катион) ва агар электронҳои изофа қабул намояд, ба иони манфӣ (анион) табдил меёбад. Массаи атомро асосан массаи ядрои вай ташкил медиҳад, зеро массаи электрон аз массаи протону нейтрон (нуклонҳо) тақрибан 2000 маротиба хурд мебошад. Дар айни замон ядрои ҳамон як элемент шумораи гуногуни нейтронҳо дошта метавонад. Дар натиҷа ин ядроҳо ба заряди якхела, вале адади массавии гуногун соҳибанд. Атомҳое, ки ядрои онҳо танҳо ба шумораи нейтронҳояш фарқ мекунанд, изотопҳо номида мешаванд. Масалан, элементи химиявии ҳидроген, ки ядрои он танҳо аз як протон иборат аст, се изотоп – протий, дейтерий ва тритий дорад. Ядрои ин изотопҳо, мувофиқан, нейтрон надорад, як ва ду нейтрон дорад.

Электронҳои атом дар атрофи ядрои он қабат-қабат ҷойгир шудаанд ва тақсимоти электронҳо дар қабатҳо ба қонуне итоат мекунад, ки принсипи Паулӣ номида мешавад. Мувофиқи ин принсип дар ҳар як ҳолати квантии атрофи ядро зиёда аз як электрон мавҷуд буда наметавонад. Ҳолати квантии электронҳоро чор адади квантӣ – адади квантии асосӣ, адади квантии орбиталӣ, адади квантии орбиталии магнитӣ ва адади квантии хусусӣ (спин) муайян мекунанд. Онгоҳ, мувофиқи принсипи Паулӣ, ҳар як электрони атрофи ядрои атом аз дигараш аққалан бо як адади квантиаш бояд фарқ кунад. Ҳамин аст, ки ин принсипро одатан принсипи манъи (ё худ манъкунандаи) Паулӣ меноманд.

Мувофиқи принсипи Паулӣ электронҳо қабатҳоро танҳо бо тарзи муайян пур мекунанд. Инак, дар қабати якуми ба ядро наздиктарин то ду электрон, дар қабатҳои дуюм ва сеюм то 8 электрон, дар қабатҳои чорум ва панҷум то 18 электрон ва дар қабатҳои шашум ва ҳафтум то 32 электрон ҷойгир шуда метавонанд.

Дар ҳосилшавии бандҳои химиявӣ танҳо электронҳои қабати берунӣ иштирок мекунанд. Бинобарон шумораи электронҳои қабати берунӣ дараҷаи фаъолнокии химиявии элементҳо ва валентнокии онҳоро муайян мекунад. Тартибу низоми пуршавии қабатҳои электронӣ ҷойгиршавии элементҳоро дар системаи даврии Менделеев муқаррар менамояд. Мувофиқи ин низом шумораи элементҳои химиявӣ дар ҳар як давр ба шумораи электронҳои қабати берунӣ баробар аст.

Бунёди назарияи квантии атомҳо натанҳо муҳимияти фундаменталии назариявӣ, балки аҳамияти сирф амалӣ низ дорад. Пеш аз ҳама ин назария ба рушду такомули энергетикаи атомӣ мусоидат намуд. Сониян вай барои васеътар намудани ҳудуди олами атомҳо такони ҷиддӣ дод. Дар замони Менделеев зиёда аз 60 (~63) элементи химиявӣ маълум буд. Солҳои 30 – уми асри 20 давраи кашфи элементҳои химиявии табиӣ ба охир расида, системаи даврии Менделеев бо элементи уран (рақами тартибиаш 92) анҷом ёфт.

Дар давоми солҳои 1940 – 1955 бо усули синтези ядрои атомҳо як қатор элементҳои нави химиявӣ ҳосил карда шуд. Дар замони ҳозира шумораи элементҳои системаи даврӣ ба 110 баробар аст. Суръатфизоҳои зарраҳои элементарӣ ҳоло имкон медиҳанд, ки ядроҳои боз ҳам вазнинтар синтез карда шаванд, аммо онҳо бениҳоят ноустуворанд, ё худ давраи ҳаёташон ниҳоят ночизанд (аз миллионҳо як ҳиссаи сония ва аз ин ҳам кӯтоҳтар). Вале ақидае маълум аст, ки мувофиқи он баъзе элементҳои рақами тартибиашон аз 120 боло эҳтимол устуворанд. Бино бар он проблемаи номгӯи пурраи системаи даврии Менделеев масъалаи кушода ҳисобида мешавад.

Дар хотима зикри он нукта аз фоида холӣ нест, ки физикаи атомии муосир ба орзуву ормони кимиёгарони асримиёнагӣ ҷомаи амал пушид. Суръатфизоҳои зарраҳои элементарӣ имкон медиҳанд, ки бо роҳи синтез аз як модда моддаи дигар ҳосил карда шавад. Бо ин роҳ масалан, аз симоб тилло ҳосил кардан мумкин аст, яъне орзуи деринаи кимиёгаронро амалӣ гардонидан мушкил нест, вале тиллои бо ин усул ҳосилшуда хеле ва хеле қимат хоҳад буд.