Электроны в атоме распределяются по энергетическим уровням или оболочкам, каждая из которых характеризуется определённой энергией и числом доступных состояний. Квантовые числа (n) (главное), (l) (орбитальное), (m_l) (магнитное) и (m_s) (спиновое) определяют состояние электрона. Принцип Паули утверждает, что два электрона не могут одновременно иметь одинаковый набор квантовых чисел. Это ограничение обуславливает структуру электронных оболочек и, как следствие, химические свойства элементов.
Химическая связь формируется за счёт взаимодействия электронов атомов, направленного на достижение устойчивого электронного состояния. Основные типы связей:
Современное квантово-механическое понимание строения молекул основано на теории молекулярных орбиталей (MO). Атомные орбитали атомов при сближении накладываются, образуя молекулярные орбитали, которые могут быть связывающими (уменьшают энергию системы) и разрыхляющими (увеличивают энергию системы).
Полярность молекулы определяется разностью электроотрицательностей атомов и геометрией молекулы. Молекулы с центром симметрии могут быть неполярными даже при наличии полярных связей. Дипольный момент () количественно характеризует полярность и влияет на физические свойства: растворимость, температуру плавления и кипения, межмолекулярные взаимодействия.
Для объяснения геометрии молекул используется концепция гибридизации: атомные орбитали смешиваются, образуя новые гибридные орбитали, направленные под специфическими углами. Основные типы:
Гибридизация позволяет согласовать квантово-механическую модель орбиталей с наблюдаемой молекулярной геометрией.
Химическая связь рассматривается как состояние минимальной энергии, возникающее при взаимном влиянии волновых функций атомов. Современные методы вычислений, включая метод Хартри–Фока, DFT (Density Functional Theory) и многотельные конфигурации, позволяют предсказывать энергию связи, геометрию молекул и спектроскопические свойства с высокой точностью.
Слабые взаимодействия, включая ван-дер-Ваальсовы силы, водородные связи и π–π взаимодействия, определяют структуру и свойства сложных систем: биомолекул, полимеров, кристаллических органических соединений. Эти взаимодействия критичны для самоорганизации и стабильности макромолекул.
Энергетические диаграммы позволяют визуализировать:
Химическая стабильность определяется энергетической выгодой образования связи и разделением электронной плотности между атомами, что минимизирует потенциальную энергию системы.
Структура вещества на макроскопическом уровне определяется кристаллической решёткой, которая формируется исходя из электростатического взаимодействия, размера и формы атомов или ионов, а также симметрии молекул. Основные типы решёток:
Каждая решётка определяет механические, термические и оптические свойства вещества.
Химическая связь и электронная структура атомов прямо определяют структурную организацию вещества, его физические свойства и химическую реакционную способность. Квантово-механическая теория обеспечивает точное объяснение закономерностей строения, позволяя предсказывать новые вещества и их поведение.