XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Химия – это наука, охватывающая множество аспектов, включая структурные, кинетические, термодинамические и механистические свойства веществ. Поэтому одной из задач химии также является доступное представление понятий и процессов. Например, тема химической связи часто непонятна для целевой аудитории, и ее трудно объяснить на научном языке на школьном уровне, без профильного углубления в строение вещества и физико-химические законы.

Метод валентных связей (метод валентных схем, метод локализованных электронных пар) – это приближённый квантово-химический расчётный метод, основанный на представлении о том, что каждая пара атомов в молекуле удерживается вместе при помощи одной или нескольких общих электронных пар.

Метод молекулярных орбиталей (МО) линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО) — это метод описания электронной структуры молекул с использованием квантовой механики. В нём молекула рассматривается как единая система ядер и электронов, а химическая связь – как многоцентровая и многоэлектронная.

Отметим, что методы валентных связей и молекулярных орбиталей являются приближенными. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.

Метод МО ЛКАО позволяет описывать и прогнозировать свойства молекулы, зависящие от состояния в них отдельных электронов, такие как устойчивость и неустойчивость. С позиций метода ВС это необъяснимо. В рамках метода МО ЛКАО хорошо объясняются и прогнозируются магнитные свойства молекул, также необъяснимые с позиций МВС. Расчет геометрической структуры и определение важнейших параметров молекулы с помощью метода МО ЛКАО является трудной математической задачей, для решения которой необходимы мощные ЭВМ.

Так как вышеописанные определения описаны научным языком, учащимся среднего и старшего звена школы будет непросто разобраться в понятиях. Поэтому нужно найти способ, благодаря которому можно наглядно объяснить тонкости этих методов, несмотря на их сложность. Самое актуальное решение данной проблемы - это использование метода ассоциативного ряда, то есть перенос характеристик сложного абстрактного понятия на простой и понятный пример, сравнение ключевых параметров и, как следствие, создание ассоциативных связей. Ассоциации — это важный и многогранный феномен, который находит свое отражение в различных областях знания, включая химию. Мы рассмотрим ассоциации как механизм формирования связей между понятиями, объектами или явлениями, который играет ключевую роль в нашем понимании химической теории. Используем метод ассоциативного ряда на примере молекулы метана CH₄ при использовании методов ВС и МО ЛКАО.

Метод ВС.

Метод валентных связей в химии описывает, как атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы [1]. Здесь прослеживается аналогия с дружбой, где «атмосфера» и «связи» между людьми играют ключевую роль (рисунок 1). Так, валентность атома определяется количеством связей, которые он может образовать с другими атомами, как у каждого человека есть свои качества и способности, которые определяют, с кем он может установить близкие отношения. Люди, разделяющие схожие жизненные ценности, чаще становятся друзьями. Это можно сравнить с тем, как атомы с подходящей валентностью соединяются друг с другом. Как молекулы могут распадаться, так и дружеские отношения могут прекращаться по различным причинам.

Таким образом, метод валентных связей можно использовать как метафору для понимания динамики дружбы и человеческих отношений.

Рисунок 1 – Ассоциация структуры метана по методу ВС с дружескими отношениями

Гибридные орбитали в методе ВС по своей форме и расположению могут напоминать твистинг — искусство моделирования из воздушных шариков-конструкторов (рисунок 2). С такой ассоциацией можно наглядно показать, как молекула метана меняет форму атомных орбиталей для выравнивания по форме и энергии, чтобы образовывался минимум энергии.

Рисунок 2 – Ассоциация структуры метана по методу ВС с твистингом

Ещё один не менее интересный вариант представления структуры метана по методу ВС – сравнение молекулы с цветком (рис. 3). Четыре лепестка олицетворяют атомы водорода, а то время как серединка – углерод. Связь между лепестком и серединкой прочная, но её реально разорвать также, как и в химическом представлении атома метана. Цветок-молекула симметричен относительно оси, проходящей через центр и перпендикулярной серединке.

Рисунок 3 - Ассоциация структуры метана по методу ВС с цветком

Метод МО ЛКАО.

МО ЛКАО - простейший метод определения волновых функций молекулярных орбиталей [2]. Рассмотрим молекулу метана, используя данный метод (рис. 4)

Рисунок 4 – Молекула метана, представленная по методу МО ЛКАО.

Принцип метода МО ЛКАО (см. рис. 4) напоминает детскую игру в виде конструктора (рис. 5). Он вмещает в себя набор разноцветных пластиковых шариков, которые символизируют атомные орбитали, а гибкие соединительные трубочки напоминают связи между атомами. Соединительные трубочки могут быть разной длины и гибкости, что позволяет моделировать разные типы связей (одинарные, двойные, тройные). Цвет шариков помогает различать тип орбитали и направление спина. Можно менять расположение шариков и трубочек, чтобы увидеть, как меняется структура молекулы и её свойства.

Рисунок 5 - Ассоциация структуры метана по методу МО ЛКАО с конструктором

Еще одной ассоциацией в методе МО ЛКАО можно назвать рыболовную сеть (рис. 6), в которую попались «рыбки» - импровизированные электроны. В данном примере атомные орбитали могут выступать как свободное пространство вне сети, а молекулярные орбитали уже представляют собой сеть, в которую и попадают электроны-рыбки. И где-то «рыбки» попадаются в одном месте парно, а где-то - в одиночку. Важно заметить: ни одна пара рыбок не может смотреть в одну сторону – это отражение принципа Паули.

Рисунок 6 - Ассоциация структуры метана по методу МО ЛКАО с рыбками в сетке

Также в методе МО ЛКАО взаимодействие атомных орбиталей атомов углерода и водорода можно представить как две виноградные лозы
(см. рис. 7), которые переплетаются между собой, образуя «связь» или же молекулярную орбиталь. Кисти спелого винограда можно ассоциировать как занятые электронами связывающие и разрыхляющие МО. А незанятые электронами МО – листья виноградной лозы.

Рисунок 7 - Ассоциация структуры метана по методу МО ЛКАО с листьями виноградной лозы.

Заключение

Метод ассоциаций хорошо помогает разобраться при описании строения веществ в химии, соотнося абстрактные понятия с реальными примерами из жизни. Доказательством могут служить ассоциативные ряды на тему «образование ковалентной химической связи», приведенные в данной статье, для методов валентных связей (ВС) и молекулярных орбиталей линейной комбинации атомных орбиталей (МО ЛКАО).

Список источников:

1. Глинка, Н.Л. Общая химия / Н.Л. Глинка. – Москва: Изд-во Интеграл-Пресс, 2002. ‒ С. 113‒118.

2. Степанов, Н. Ф. Квантовая механика и квантовая химия / Н. Ф. Степанов. – Москва: Изд-во Мир, 2001. – 519 с.