Успехи экспериментальной и теоретической физики в изучении атома и формирование на этой основе электронных теорий строения вещества (начало ХХ века) дали более глубокое научное обоснование структурной теории Бутлерова (1861 г.). Представления об электронном строении атомов и химических связей определили дальнейшее развитие теории строения органических соединений и её практическое применение.
Cогласно электронной теории, атом любого химического элемента состоит из соответствующего набора элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов) и построен по общей схеме:
Свойства элементарных частиц
Частица
Масса, кг
Заряд, Кл
Элем.заряд
Протон p+
1,6726·10−27
+1,602·10−19
+1
Нейтрон no
1,6749·10−27
0
0
Электрон e–
9,11·10−31
–1,602·10−19
–1
Ядро атома содержит положительно заряженные протоны p+ и не имеющие заряда нейтроны no. Многократно более лёгкие и подвижные электроны e–, обладающие отрицательным зарядом, образуют электронную оболочку атома
(схема).
Схема строения атома углерода.
Электроны связаны с ядром атома притяжением противоположных электрических зарядов. Свободный атом электронейтрален: число электронов e– равно числу протонов p+ (∑e–=∑p+).
Суммарное количество протонов p+ в атоме химического элемента определяет заряд ядра (Z+=∑p+), который является константой этого элемента (в отличие от разных чисел нейтронов в изотопах, или электронов в ионах). Именно поэтому заряд ядра (зарядовое число) атома химического элемента служит указателем его положения (порядковым или атомным номером) в таблице химических элементов Д.И. Менделеева.
Современная теория строения атомов основана на законах квантовой механики, Квантовая механика — раздел теоретической физики, исследующий свойства микрочастиц и их систем, не подчиняющихся законам классической механики. которые описывают поведение микрочастиц (электронов, протонов и др.).
Выводы теории опираются на экспериментальные данные, полученные при изучении атомных спектров испускания или поглощения излучения, регистрируемых спектральными методами.
Квантово-механическая (квантовая) теория строения атома (1920-е годы) стала физическим обоснованием Периодической системы химических элементов, открытой
Д.И. Менделеевым в 1869 г. На этой основе была установлена связь между электронной конфигурацией атомов и их положением в Периодической таблице элементов.
Приложение принципов квантовой механики к химическим соединениям привело к возникновению квантовой химии, исследующей многоатомные системы (молекулы, комплексы, кристаллы и т.п.).
Понятие о химическом строении как последовательности связей между атомами (А.М. Бутлеров) электронная (квантовая) теория дополнила представлениями об электронном и пространственном строении молекул и его влиянии на свойства органических соединений. Это дало возможность понять механизмы передачи взаимного влияния атомов (электронные и пространственные эффекты) и поведение молекул в химических реакциях.
Согласно современным представлениям свойства органических соединений определяются:
природой и электронным строением атомов;
конфигурацией электронных оболочек атомов и характером их взаимодействия;
строением и свойствами химических связей;
взаимным влиянием атомов и атомных групп в молекулах.
При изучении структуры и свойств органических соединений наряду с экспериментальными исследованиями используются вычислительные методы квантовой химии. Квантово-химические расчеты, производимые на достаточно мощных компьютерах, позволяют моделировать пространственное и электронное строение сложных атомно-молекулярных структур и прогнозировать их физико-химические свойства.
Такой подход повышает эффективность химических исследований, экономя время и затраты на проведение экспериментов.
