Книга за студентите във ХТМУ (ВХТИ) — София, но би могла да послужи и на студентите от всички химически, хи­мико-технологични и други сродни специалности в страната.

Светла Райчева  (автор)

Твърда корица, среден формат  |  287 стр.  |  394 гр.

(неизползвана, здрава и чиста книга с леко захабен вид)

*

Анотация

Учебникът по физикохимия е от три части: 1. Статика (Химична термодинамика), 2. Структура (Увод в квантовата химия), 3. Динамика (Химична кинетика).

Във «Физикохимия, 2 част (Увод в квантовата химия)» са разгледани точни и приближени неемпирични квантови методи, почиващи на уравне­нието на Шрьодингер, и техните приложения към строежа на атомите, мо­лекулите и веществото. Обхванати са въпросите за химичната връзка и за принципите на молекулната спектроскопия, както и основите на квантовата статистика, като емпиричните и полуемпиричните квантовохимични методи и приложната квантова химия са засегнати съвсем бегло.

Настоящата втора част е пригодена за нуждите на студентите във ВХТИ — София, но би могла да послужи и на студентите от всички химически, хи­мико-технологични и други сродни специалности в страната. Ще предста­влява интерес и за специализантите и по-младите научни работници, за учи­телите, както и за всички други висшисти и полувисшисти и специалисти със средно образование с указания профил.

**

Предговор

Физикохимията е наука, която изучава химичните процеси и свързаните с тях физични явления въз основа на най-общите физични закономерности. Най-общите физични теории по реда на историческото им възникване във физикохимията представляват три основни метода: термодинамичей, статистически и квантов.

В преподаването по физикохимия могат да се срещнат твърде различни подходи: отделяне на методите в «обща част», изла­гане само на приложенията («специална част»), смесването на двете части в различни пропорции и последователност.

Пътят, който следват авторите на трите части на този учеб­ник, е групирането на физикохимичния материал в три основни дяла. Единият е статика, т.е. излагане на всички типове физи­кохимични равновесия (фазови, химични, повърхностни, електро-химични и т. н.) главно въз основа на термодинамичния метод. Тези въпроси са разгледани във «Физикохимия, 1 част. Химична термодинамика» от Е. Соколова. Другият дял са физикохимичните процеси или преминаването на разглежданите системи от дадено равновесие в следващо, най-общо — измененията. Те ще бъдат отразени във «Физикохимия, 3 част» от С. Иконописов и Е. Со­колова. Там разглежданията ще са главно въз основа на стати­стическия метод, но с използване и на термодинамичния и на квантовия подход. Последният дял (в нашия случай втори поред) обхваща структурата, строежа на веществото, т. е. елементар­ните частици (от които са изградени системите и които участву­ват в равновесията), и взаимодействията между тях в процесите. Единственият възможен подход в този случай е квантовият ме­тод. Разглеждането на частиците и техните взаимодействия по­мага да се навлезе в интимните механизми на физикохимичните състояния и процеси, в микросвета, където се разкъсват стари и се създават нови връзки между миниатюрните частици, изграж­дащи системи в различни физични състояния.

Структурата може да се разглежда като геометрична (про­странствена), при което се отчитат дължините на валентните връзки, валентните ъгли и др. Тя може да се третира чрез енер­гетичните ефекти и диаграми. Може да бъде разгледана чрез тео­рията на графите като топологична структура. И накрая може да се третира като електронна чрез различните състояния на електроните и функциите, които ги описват.

В учебника бегло се споменават геометричните и енергетич­ните характеристики, топологията е изключена и основното съ­държание е електронната структура.

Основният проблем, заставащ пред всеки автор, който пише за една бурно развиваща се област, каквато е квантовата химия, е подборът на материала. По-старите курсове по квантова химия започваха с основните математични и физични предпоставки на теорията. Прилагането й към атомния строеж започваше почти от средата на тези курсове, а на молекулите (собствено квантовата химия) се отделяше малко място. Днес, когато квантовите методи навлязоха широко в ежедневната практика на химика, въвеждащата теоретична информация (включително и атомната) е сведена до минимум и център на книгите са различни варианти на метода на молекулните орбитали (МО), прилаган за все по-голям брой все по-сложни молекули. Постепенно се създава положение, 'ко­гато умението да се програмира, а също и щастието да се раз­полага с мощен компютър се явяват основна гаранция за успех в тази област. Недостатъчно прецизният в теоретично отношение подход обаче може да доведе на практика до използване на не­подходящи за дадения обект или на непрецизни изчислителни процедури, а оттам и до получаване на грешни или погрешно ин­терпретирани резултати.

Важно е да се отбележи също,' че все още не съществува завършена теория на химичните съединения (на химичната връзка) Й на техните взаимодействия и превртщания, която не само да обясни опитния материал, но и да предскаже свойствата на нови системи, интересни за практиката. Развитието на тези въпроси би изисквало интензивна съвместна работа на физици, химици и математици в близкото бъдеще.

Темата на този учебник е не толкова самата изчислителна част на квантовата химия, почти вече излязла от рамките на фи­зикохимията, колкото структурата на атомите, молекулите и ве­ществото от гледна точка на квантовата теория, което е нераз­делна част от общия курс по физикохимия. Както е известно, този курс е типично фундаментален и въобще не си поставя за задача да научи студентите на практически елементарни кванто-вомеханични изчисления за сложни органични молекули.

Както се вижда от списъка на използваната* литература (всъщност са разглеждани много повече източници), в учебника е търсен балансът между квантовата механика, квантовата химия на атомите, молекулите и веществото, принципите на химичната връзка и молекулните спектри и осмислянето на целия този ма­териал от гледна точка на потребностите на физикохимията. След две издания в Печатната база сегашният коренно преработен текст (за пръв път на редовен печат) е оригинален вариант на автора и катедрата «Физикохимия» при ВХТИ — София, по отношение на подбора на материала.

В изложението на въпроса в този учебник се преплитат еле­менти на общата част — на физичните теории, които служат за методи във физикохимията, и на специалната част, която изучава приложенията на тези методи за решаване на конкретни физикохимични проблеми.

Общата част включва: старата квантова теория (квантовата хипотеза, двете нейни разширения и най-общата формулировка на квантовата теория); квантовата механика, като са обхванати: хи­потезата на Дьо Бройл; уравнението на Шрьодингер; принципът на неопределеността на Хайзенберг; елементи на релативистич-ната теория на Дирак и принципите на съответствието и на до-пълнителността на Бор, т. е. точните методи на квантовата ме­ханика. Разгледани са и основите на квантовата статистика. Бегло са обсъдени също някои методи за приближено решаване на уравнението на Шрьодингер: методът на смущенията, вариа­ционният метод, методът на симетрията. Целият този материал се разглежда възможно кратко. Неговото пълно обосноваване и подробно излагане е по-скоро обект на физиката. Тук представ­лява интерес само осмислянето му като основен физикохимичен метод.

В специалната част влизат на първо място строежът на атома и атомните спектри. Физиката изучава атомното ядро, а химия­та — атомните обвизки. По тези причини ядрото се изключва напълно от нашите разглеждания, а строежът на атомите и атом­ните спектри се развива само принципно. Стремежът на автора е да покаже конспективно как старата квантова теория обяснява тези въпроси. Строежът на атома може, разбира се, да се обсъди и направо, въз основа само на квантовата механика. Но тогава изводите неизбежно придобиват твърде математизиран вид и губят от нагледността си. Сравнението на двата подхода — на старата квантова теория (с по-ясен физичен смисъл и по-малко матема­тика) и на квантовата механика (с по-богат математичен апарат, но с по-забулен физичен смисъл), дава според нас най-добър ди­дактичен ефект.

При това в глава четвърта се демонстрира приложението на точните методи на квантовата механика за най-прости атоми. А в глави шеста и седма — някои приложения на приближените методи за по-сложни атомни системи.

Следваща група въпроси на специалната част са строежът на молекулите, химичната връзка и молекулните спектри.

Строежът на молекулите започва с кратко изложение на ня­кои опитни факти и класически теории. Следва приложението на квантовата механика за най-простите молекули. Важно методично значение има разглеждането на най-простата едноелектронна мо­лекула (молекулният водороден йон, Н+), което може да стане както по точния метод, така и по приближените. При разглеж­дането на двуелектронни системи (водородна молекула, Н₂) е по­казана необходимостта от отчитане на орбиталната част на вълно­вата функция и на нейната спинова част. Дават се сведения за метода на Хайтлер — Лондон, за метода на Джеймс — Кулидж и за МО. Разглеждането на многоелектронните системи става чрез методите на валентните връзки, молекулните орбитали, симетрията, както и на техните комбинации.

В изложението на някои въпроси на химичната връзка цен­трално значение имат проблемите на валентността; съвсем схема­тично са разгледани принципите на координационната химия.

В молекулната спектроскопия ударението пада върху кла­сификацията на методите и механизмите на явленията, стоящи в основата на появата на спектрите, като се прави сравнение между методите на старата квантова теория и на квантовата механика. Подробно са разгледани основните насоки за използване на мо­лекулната спектроскопия в химията.

Последният въпрос на специалната част е строежът на ве­ществото — на простите хомогенни системи (системи, състоящи се от едно вещество в една фаза), разгледани са агрегатните състоя­ния. Тук влизат невалентните сили (водородна, метална връзка) и междумолекулните сили в газообразно състояние (което може до голяма степен да се разгледа само с помощта на класическия подход), а също така в твърдо и течно състояние, които непре­менно изискват квантовото обосноваване (и то чрез разгледания метод на квантовата статистика).

Обемистата глава четвърта (демонстрация на точните методи за най-простите атоми) е за по-напредналите студенти и аспиранти, за читатели с по-големи специални интереси.

Направено е усилие почти всяка глава от приложенията (атоми, молекули, химична връзка, спектри, вещество) да може да се чете отделно в зависимост от моментния интерес на кон­кретния читател. За улеснение на читателите се редуват част от методите с част от приложенията, като всеки метод е тясно свър­зан с най-преките му приложения.

Авторът изказва най-сърдечна благодарност на своя учител във физикохимията акад. Стефан Христов, който със своите научни резултати създаде новата област «квантова електрохимия» в све­товната наука.

Голямо значение за успешното приключване на този учебник имаха и книгите на изтъкнатите български специалисти в об­ластта: акад. Р. Каишев и акад. Ст. Христов, акад. А. Дацев, проф. д-р Н. Тютюлков, проф. д-р Д. Бончев, проф. д-р Г. Ни­колов.

Авторът е много признателен и на двамата рецензенти: проф. д-р Данаил Бончев, ръководител на катедра «Физикохимия» във ВХТИ — Бургас, и на доц. к. х. н. Георги Щерев, ръково­дител на катедра «Физикохимия» в Пловдивския университет, които много помогнаха за подобряване на ръкописа. Изказва благодарност и на всички, които дадоха ценни бележки по него, и особено на доц. Димитър Токарев, доц. д.ф.н. Христо Кана­зирски, доц. к. х. н. Мария Манева-Петрова, проф. д-р Борис Алексиев, к. х. н. Петър Карадаков, а също и на Зоя Кралчева и Людмила Пеева.

Авторът благодари и на машинописките Мария Тодорова и Лина Дюгмеджиева, на чертожничката Мими Христова и на всички, помогнали в различни етапи за подготвянето на ръко­писа на този учебник, дълго писан, дълго преработван и от­давна очакващ издаването си, и ще се радва, ако той бъде приет добре от читателите.

Авторът