Введение. Курс «Ведение в теории строения атома и химической связи» имеет цель (наряду с курсом «Общая химия») подготовить студентов к восприятию на современном уровне

Курс «Ведение в теории строения атома и химической связи» имеет цель (наряду с курсом «Общая химия») подготовить студентов к восприятию на современном уровне материала неорганической и органической химии. Необходимость такой последовательности при изучении химической части программы подготовки бакалавров по направлению «Химия, физика и механика материалов» вытекает из предмета химии, заключающегося в изучении веществ и их превращений. В свою очередь, свойства вещества предопределяются их атомным составом и строением, а изменение состава или строения представляет собой сущность химического превращения. В связи с этим понимание изменений в системе происходящих в процессе и по завершении химических реакций невозможно без знаний основ теорий строения атома и химической связи.

Как известно, число описанных в настоящее время соединений приближается к пяти миллионам, а число химических реакций, которые теоретически могут протекать между этими веществами, оценивается величиной порядка 10⁴⁰. Поэтому для приобретения навыков, позволяющих ориентироваться в таком объёме химической информации, необходимо знание общих закономерностей протекания химических процессов и факторов, с помощью которых этими процессами можно управлять и оценивать возможность их осуществления при определённых (или заданных) параметрах системы. Одной из таких теорий является химическая термодинамика, которая позволяет определить направление самопроизвольного протекания химической реакции, если известны термодинамические данные для всех компонентов рассматриваемой системы. Однако для многих известных веществ ∆G^o₂₉₈, ∆H^o₂₉₈, S^o₂₉₈, теплоёмкости и т.д. ещё экспериментально не определены, но они могут быть с высокой точностью оценены, если известно строение молекул или кристаллов реагентов, а также, если исследователю известна связь между термодинамическими и структурными характеристиками веществ. Также можно отметить, что статистическая термодинамика позволяет рассчитывать равновесные концентрации веществ по молекулярным постоянным, значения которых, в свою очередь, могут быть получены опытным или расчётным путём. В последнем случае необходимо знание законов описывающих состояние электронов в атомах, молекулах, кластерах и активных комплексах, а также строение принимающих участие в реакциях частиц. Такие же расчёты можно провести в случае процессов с участием твёрдых фаз, при этом в ряде случаев для таких реакций расчёт является единственным путем, позволяющим оценить их термодинамику.

Умение вычислить скорость процесса и научиться ею управлять не менее важно, чем определить направление протекания реакции. Для определения скорости реакции необходимо иметь представления о ёе элементарных актах, в процессе которых происходит разрушение одних и возникновение других химических связей, т.е. меняется состав и структура участвующих во взаимодействии частиц. Следовательно, без знаний теорий строения вещества и химической связи невозможно понять механизм химической реакции и прогнозировать её развитие.

Необходимо отметить, что без знания теории строения веществ невозможно решать основные задачи материаловедения - создание материалов с заранее заданными свойствами, т. е. разработки технологии этих объектов. Кроме практической ценности, которую имеет для материаловеда учение о строении атома и химической связи, оно помогает построить цельную и гармоническую картину химических явлений и во многом определяет общетеоретическую подготовку специалиста в области технологии и свойств фаз, а также материалов на их основе.

Осознавая важность данного курса в общей системе знаний о веществах и их свойствах, не следует забывать, что он читается в первом семестре и предназначен для вчерашних школьников. Студенты – первокурсники ещё не знают высшей математики, а их знания в области строении атома и химической связи, сформировавшиеся на основе школьной программы, эклектичны и скудны. В связи с этим, при разработке данного курса было учтено, что основы теорий строения атома и химической связи следует раскрыть, преимущественно, на качественном уровне, без использования математического аппарата квантовой механики. Однако изложение материала по возможности должно соответствовать строгим математическим моделям и физической реальности, а возможные упрощения не изменяли бы сущность основных положений теорий и на качественном уровне позволяли бы студентам решать поставленные перед ними задачи.

В настоящем учебнике рассмотрены вопросы строения атома, истории формирования представлений о химической связи и изложены основные теории, базирующиеся на электростатических и квантовомеханических представлениях, в том числе рассмотрены основные типы межмолекулярного взаимодействия. Кроме общетеоретических вопросов указанных тем большое внимание уделено практике описания различных ионных и молекулярных систем, в том числе прогнозу формирования определённых кристаллических структур и их относительной стабильности, изменению физико-химических свойств молекулярных веществ при изменении их состава и строения и т.д.