تعريف
الذرات في المركبات هي نظرية كمية ذرة في المركبات، وهي نموذج عن المادة الجزيئية المضغوطة، في الأنظمة الالكترونية (مثل البلورات) التي تتكون فيها المكونات الرئيسية للبناء الجزيئي- ذرات و روابط- هي تعبيرات طبيعية لوظيفة توزيع الكثافة الإلكترونية الملاحظة للنظام. إن توزيع الكثافة الالكترونية لجزيء هو توزيع احتمالي يصف معدل طريقة توزيع شحنة الإلكترون خلال الفراغ الحقيقي في مجال التجاذب المبذول من قِبل النواة. بناءً على النظرية الكمية للذرات في المركبات، البناء الجزيئي أكتشف من خلال نقاط ثابتة لكثافة الإلكترون مع مسارات التدرج لكثافة الإلكترون التي تنشأ وتنتهي عند هذه النقطة. النظرية الكمية للذرات في المركبات وضعت أولا من قبل البروفيسور ريتشارد بدر وفريقه الباحث في جامعة ماكماستر جامعة ماكماسترعلى مدى عقود، ابتداءً بالتحليل النظري لكثافات الإلكترون المحسوبة لجزيئات بسيطة في أوائل عام 1960 وبلغت ذروتها بكلا التحليلين النظري والعملي لكثافات الإلكترون المحسوبة للبلورات في أوائل عام 1990. إن تطور النظرية الكمية للذرات في المركبات كان يأخذ مساره بافتراض أن مفاهيم الذرات والروابط كانت ومازالت مفيدة جدا في التفسير والتصنيف والتوقع وفي كيمياء التواصل، كما ينبغي أن يكون لها أساس فيزيائي واضح المعالم.
النظرية الكمية للذرات في المركبات تغطي مفاهيم العمليات المركزية لفرضية البناء الجزيئي للتجمعات الوظيفية للذرات مع مجموعة من الخصائص المميزة والمضافة، معا ومع تعريف الروابط التي تربط الذرات وتنقل الهيكل. إن النظرية الكمية للذرات في المركبات تعرف الروابط الكيميائية وهيكل النظام الكيميائي بالاعتماد على بنية الكثافة الإلكترونية. بالإضافة إلى الرابطة فإن الذرات في المركبات تتيح حساب خصائص فيزيائية معينة لأساس كل ذرة من خلال تقسيم الفراغ إلى حجوم ذرية تحتوي بالضبط على نواة واحدة والتي تعمل كجاذب موضعي للكثافة الالكترونية. في النظرية الكمية للذرات في المركبات تعرف الذرة كنظام مفتوح ملائم، أي كنظام يشارك الطاقة والكثافة الإلكترونية التي تتموضع في فضاء ثلاثي الأبعاد. إن الدراسة الحسابية لهذه المفاهيم غالباً يشار إليها ببنية الكثافة الإلكترونية.
النظرية الكمية للذرات في المركبات تعتمد على حقيقة أن الملكية البنيوية السائدة لغالبية توزيعات الكثافة الإلكترونية هو وجود حد أعلى قوي يظهر حصرياً في النواة، بحيث ترتبط أزواج معينة معا بجسور من الكثافة الإلكترونية. وفق شروط توزيع الكثافة الالكترونية لميل الحقل الإشعاعي. هذا يتوافق مع التقسيم الغير متداخل الكامل للجزيء إلى ثلاثة مجالات بعدية (ذرات) التي ترتبط معا بمشاركة السطح الذري الداخلي في البعد الثنائي. خلال كل سطح ذري داخلي تكون الكثافة الالكترونية أكبر ما يمكن عند النقطة البين جزيئية للرابطة، والتي تقع أيضا على الحد الأدنى من الجسر بين زوج الأنوية ذاك، يعرف الجسر بواسطة زوج من مسارات التدرج (مسار الرابطة) تنشأ من نقطة وتنتهي عند النواة. المركبات في النظرية الكمية للذرات دائما ما ترتبطا الذرات بسطوح عديمة التدفق في منحدر الحقل الإشعاعي للكثافة الإلكترونية، والتي تمتلك بعض الخصائص الميكانيكية الكمية الفريدة مقارنة بتعريفات الأنظمة الفرعية الأخرى، بما فيها الطاقة الحركية الالكترونية الفريدة، إن الرضا عن نظرية فيريال لنظرية فيريال الإلكترونية الجزيئية وبعض الخصائص المتغيرة مثيرة.
النظرية الكمية للذرات في المركبات أصبحت تدريجياً طريقة للإجابة عن أسئلة مطروحة بخصوص الأنظمة الكيميائية، في المواقف المتنوعة التي كان من الصعب التعامل معها سابقا بأي نموذج أو نظرية في الكيمياء
تطبيقات
النظرية الكمية للذرات في المركبات تطبق لوصف بلورات عضوية معينة ذات مسافات قصيرة جدا بين الجزيئات المجاورة كما هو ملاحظ بواسطة حيود الأشعة السينية. كمثال البناء البلوري لجزيء الكلور المسافة
المُقاسة عملياً بين جزيئي كلور هي 327 بيكومتر والتي هي اقل من مجموع نصف قطر فاندرفال المساوي 350 بيكومتر. في احد نتائج النظرية الكمية للذرات في المركبات 12 مسارات رابطة تبدأ من كل ذرة كلور لذرات كلور أخرى بما فيها ذرة الكلور الأخرى في الجزيء. النظرية تهدف أيضا إلى تفسير الخصائص الفلزية للهيدروجين الفلزي بنفس الطريقة.
النظرية أيضا تطبق على ما يسمى روابط الهيدروجين-هيدروجين والتي توجد في جزيئات مثل جزيء الفينانثرين والكريسين. في هذه المركبات المسافة بين ذرتي هيدروجين(على موقع أورثو) مرة أخرى أقصر من نصف قطر فانرفال وبالنسبة لتجارب في السيليكا تعتمد على هذه النظرية، فإن مسار الرابطة محدد بينهم.
كلتا ذرتي الهيدروجين تمتلك كثافة الكترونية متطابقة ومدار مغلق وبالتالي فهما تختلفان جدا عما يسمى بروابط ثنائية الهيدروجين المفترضة لمركبات مثل CH3 2NH BH3 وتختلف أيضا عما يسمى بالتفاعلات الاغوستيكية.
في سياق الكيمياء وعلى مقربة من ذرتين غير مرتبطتين يؤدي ذلك إلى إثارة التنافر الفراغي لكن في النظرية الكمية للذرات في المركبات فإن تفاعلات الهيدروجين هيدروجين الملاحظة هي في الحقيقة مستقرة.
من المعروف أن كلا الفينانثرين والكريسين الملتويين حوالي 6 كيلو كالوري/مول (25 كيلوجول/مول) أكثر استقرار من نظيريهما الخطيين انثرا سين و تيتراسين. أحد التفسيرات التقليدية تعرف بقاعدة كلار. النظرية الكمية للذرات في المركبات تظهر أن الاستقرار المحسوب للفينانثرين بواسطة 8 كيلو كالوري/ مول (33 كيلو جول/مول) هو الناتج عن إثارة المركب بواسطة 8 كيلو كالوري/ مول (33 كيلو جول/مول) تبدأ من انتقال الإلكترون من الكربون إلى الهيدروجين، يقابله 12.1 كيلو كالوري/مول (51 كلوجول/مول) للاستقرار الناتج عن مسار رابطة الهيدروجين-هيدروجين. إن الكثافة الالكترونية عند النقطة الحرجة بين ذرتي هيدروجين قليلة، 0.012 إلكترون للفينانثرين. خاصية أخرى لمسار الرابطة هي انحنائها.
جزيء أخر درس بناءً على النظرية الكمية للذرات في المركبات هو البايفينيل (ثنائي الفينيل). حيث تكون كل حلقة الفينيل على زاوية 38 درجة من الأخرى مع المستوى الجزيئي الهندسي (يعرف بالدوران حول رابطة الكربون كربون المركزية) تثار بمقدار2.1 كيلو كالوري/مول (8.8 كيلو جول/مول) والعمودية تثار بمقدار 2.5 كيلو كالوري / موال (10.5 كيلو جول / مول). التفسيرات التقليدية لهذا الحاجز الدوراني هو التنافر الفراغي بين ذرات الهيدروحين الأورثو (على المستوى) وكسر كثافة رابطة الباي الثنائية الغير متمركزة على كلتا الحلقتين المتعامدتين.
في النظرية الكمية للذرات في المركبات الطافة تزداد كلما قلت الزاوية الحادة عن 38 درجة إلى 0 درجة وهي مجموعة لعدة عوامل، عوامل الإثارة تزداد مع ازدياد طول الرابطة بين ذرات الكربون المتصلة (بسبب استيعابهم لذرات الهيدوجين المجاورة) وانتقال الشحنة الالكترونية من الكربون إلى الهيدروجين. عوامل الاستقرار تزيد عدم تمركز الكترونات الباي (الرابطة الثنائية) من حلقة إلى أخرى والحلقة التي تكسر التوازن هي رابطة الهيدروجين- هيدروجين بين هيدروجينات الاورثو.
رابطة الهيدروجين هي ليست خالية من الانتقادات، بناءا على الاستقرار النسبي للفينانثرين مقارنة بنظائره ممكن أن تفسر بشكل كاف بمقارنة الاستقرار الرنيني. انتقاد أخر يجادل استقرار الفينانثرين يمكن أن ينسب لتداخل باي-باي أكثر فاعلية في مركز الرابطة الثنائية، إن وجود مسارات الرابطة ليس موضع سؤال لكن طاقة الاستقرار مستمدة منها هي في موضع السؤال.
مراجع
Richard F. W. Bader (1994). Atoms in Molecules: A Quantum Theory. Clarendon Press. . مؤرشف من الأصل في 28 يناير 2020.
- {{نسخ:refs}}References[edit] 1.Jump up^ Bader, Richard (1994). Atoms in Molecules: A Quantum Theory. USA: Oxford University Press. . 2.Jump up^ Bader, R. (1991). "A quantum theory of molecular structure and its applications". Chemical Reviews 91: 893¨C928. doi:10.1021/cr00005a013. 3.Jump up^ Bader, R.F.W. (2005). "The Quantum Mechanical Basis for Conceptual Chemistry". Monatshefte fur Chemie 136: 819¨C854. doi:10.1007/s00706-005-0307-x. 4.Jump up^ Bader, R.F.W. (1998). "Atoms in Molecules". Encyclopedia of Computational Chemistry 1: 64–86. 5.Jump up^ Hydrogen - Hydrogen Bonding: A Stabilizing Interaction in Molecules and Crystals Cherif F. Matta, Jesus Hernandez-Trujillo, Ting-Hua Tang, Richard F. W. Bader Chem. Eur. J. 2003, 9, 1940 ± 1951 doi:10.1002/chem.200204626 6.Jump up^ Molecular Recognition in Organic Crystals: Directed Intermolecular Bonds or Nonlocalized Bonding? Jack D. Dunitz and Angelo Gavezzotti Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1766–1787doi:10.1002/anie.200460157 7.Jump up^ Polycyclic Benzenoids: Why Kinked is More Stable than Straight Jordi Poater, Ruud Visser, Miquel Sola, F. Matthias Bickelhaupt J. Org. Chem. 2007, 72, 1134-1142 doi:10.1021/jo061637p
مراجع اخرى
References[edit]
1. Jump up^ Bader, Richard (1994). Atoms in Molecules: A Quantum Theory. USA: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855865-1.
2. Jump up^ Bader, R. (1991). "A quantum theory of molecular structure and its applications". Chemical Reviews 91: 893¨C928. doi:10.1021/cr00005a013.
3. Jump up^ Bader, R.F.W. (2005). "The Quantum Mechanical Basis for Conceptual Chemistry". Monatshefte fur Chemie 136: 819¨C854. doi:10.1007/s00706-005-0307-x.
4. Jump up^ Bader, R.F.W. (1998). "Atoms in Molecules". Encyclopedia of Computational Chemistry 1: 64–86.
5. Jump up^ Hydrogen - Hydrogen Bonding: A Stabilizing Interaction in Molecules and Crystals Cherif F. Matta, Jesus Hernandez-Trujillo, Ting-Hua Tang, Richard F. W. Bader Chem. Eur. J. 2003, 9, 1940 ± 1951 doi:10.1002/chem.200204626
6. Jump up^ Molecular Recognition in Organic Crystals: Directed Intermolecular Bonds or Nonlocalized Bonding? Jack D. Dunitz and Angelo Gavezzotti Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1766–1787doi:10.1002/anie.200460157
7. Jump up^ Polycyclic Benzenoids: Why Kinked is More Stable than Straight Jordi Poater, Ruud Visser, Miquel Sola, F. Matthias Bickelhaupt J. Org. Chem. 2007, 72, 1134-1142 doi:10.1021/jo061637p