Молекула как система атомов

Важная часть квантовой химии — теория молекулярного строения вещества. Как уже отмечалось выше, атомы, соединяясь химическими связями, образуют молекулы, которые являются наименьшей частицей вещества, обладающей его химическими свойствами. (Одноатомные молекулы инертных газов, строго говоря, молекулами не являются.) Как и атомы, молекулы — это квантовые системы.

Понятие о молекулярном строении вещества утвердилось в химии в середине XIX в. в связи с развитием термодинамики и теории газов, и окончательно было подтверждено экспериментами Ж.Б. Перрена, проводившимися над явлением броуновского движения (беспорядочного движения малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, вызванного движением ударов молекул окружающей среды) в 1906 г. Эти эксперименты подтверждали теорию броуновского движения как флуктуаций давления окружающих молекул, разработанную в 1905—1906 гг. А. Эйнштейном и М. Смолуховским.

Молекулы как атомные системы характеризуются составом (из атомов каких элементов они состоят), молекулярной массой и структурной формулой, указывающей последовательность химических связей атомов. Так, молекула воды имеет состав Н2О, молекулярную массу 18 единиц, из которых 16 приходится на кислород (О) и 2 на водород (Н), и структурную формулу Н—О—Н. Размеры молекул определяются их массой и структурой и у больших молекул могут достигать 10-5 см.

Некоторые молекулы, обладая одинаковым составом, тем не менее различаются расположением атомов, последовательностью химических связей. Такие молекулы называются изомерами и изображаются разными структурными формулами. Их химические свойства обычно также значительно разнятся. В любом случае расположение атомов в молекуле всегда симметрично.

Молекула — это сложная, находящаяся в постоянном движении квантовая система. Атомы входят в состав молекулы и в то же время совершают непрерывные колебательные движения. Причем в многоатомной молекуле колебания различных атомов зависят друг от друга, и каждое характеризуется своей частотой. Кроме того, сами молекулы как целое, например в газах, совершают еще и поступательные, и вращательные движения.

В квантовой химии состояние молекулы как квантовой системы также описывается уравнением Шрёдингера. Решение этого уравнения обычно распадается на два уравнения — для электронов и для ядер. Решение для электронов позволяет определять уровни энергии электронов, которых значительно больше, чем уровней энергии составляющих молекулу атомов. Ведь каждый атом находится в электрическом поле остальных атомов, и в результате уровни расщепляются. При решении уравнения Шрёдингера для электронов учитываются электростатические взаимодействия электронов с ядрами, друг с другом, а также кинетическая энергия ядер и электронов. Решения уравнения Шрёдингера для ядер дает возможность охарактеризовать колебательные и вращательные движения молекул как целого.