© Игорь А. Мерзляков, 2026

ISBN 978-5-4498-2768-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

1. Введение

Квантовая химия представляет собой фундаментальную область науки, объединяющую принципы квантовой механики с задачами изучения строения и свойств химических соединений. Её методы позволяют не только описывать уже известные вещества, но и предсказывать существование новых материалов с уникальными характеристиками, которые могут быть недостижимы в стандартных условиях.

Данная книга «Квантовая химия в примерах» призвана стать практическим руководством для тех, кто стремится глубже понять взаимосвязь между квантово-механическими моделями и реальными химическими структурами. В её основу положен оригинальный подход, сочетающий геометрическую интерпретацию волновых функций с анализом распределения потенциальных ям, занятых электронами и ядрами.

В первых главах читатель познакомится с базовыми понятиями, такими как модели атомов в виде кубических и гексаэдральных структур, правила заполнения электронных оболочек, а также принципы формирования химических связей через взаимодействие «треугольников» (вакантных потенциальных ям) и «крестиков» (областей, занятых фермионами). Далее будут рассмотрены конкретные примеры кристаллических решёток — от классических (медь, графит, алмаз) до экзотических соединений, стабильных только при экстремально высоких давлениях (например, динатриевый гелид Na₂He, тригидрид серы H₃S).

Отдельное внимание уделяется методологии предсказания химических реакций и материалов, в том числе с использованием алгоритмов эволюционного типа, таких как разработанный А. Р. Огановым. В книге также обсуждаются вопросы устойчивости структур, электропроводности, фазовых переходов и тепловых эффектов, что позволяет взглянуть на химические процессы через призму квантовой термодинамики.

Цель книги — не только изложить теоретические основы, но и дать читателю инструменты для самостоятельного моделирования и анализа химических систем. Представленные примеры, расчёты и графические иллюстрации помогут сформировать целостное представление о том, как квантовая механика определяет строение и поведение вещества на атомном уровне.

Мы надеемся, что этот материал будет полезен студентам, исследователям и всем, кто интересуется современной химией и её квантовыми основами.

Данное пособие является продолжением книги «Путешествие в квантовую механику».

Приятного чтения!

2. Общие положения о строении кристаллов и молекул

Во второй главе настоящей монографии мы рассмотрим химические соединения, состоящие из двух простых ионов, имеющих квантовые уровни с номером h=2. В Периодической таблице Менделеева исследуемые атомы расположены во втором периоде: Li, Be, B, C, N, O, F, Ne. На чертежах 2.1—2.4 изображены фрагменты молекулярных или кристаллических структур, включающие ядра и электроны.

Условные обозначения

Введём следующие обозначения:

Крестиками отмечены потенциальные ямы, занятые отрицательными фермионами (электронами (в дальнейшем — лептонами)).

Треугольниками обозначены пустые потенциальные ямы, участвующие в образовании химических связей.

В центре каждого иона находится положительно заряженное ядро.

Звёздочками выделены те области синусоидальной функции A``, в которых крестики и треугольники объединяются.

Типы химических связей

На иллюстрации 2.1 показаны две пары одиночных атомов: слева — разделённые, справа — соединённые в общую структуру.

Рисунок 2.1. Пример пересечения двух кубов в окрестностях их вершин.

Треугольники внутри первого нуклида лежат на одной прямой, что позволяет им взаимодействовать с крестиками (потенциальными ямами с фермионами) другого нейтрального иона (см. изображение 2.2). Такое соединение является более прочным по сравнению с показанным на эскизе 2.1.

Рисунок 2.2. Пример пересечения двух правильных шестигранников вдоль семейства вертикальных отрезков, удовлетворяющих условию z=R_z/ (2*m_z).

Наиболее стабильная химическая связь возникает при совмещении пары ионов вдоль двух параллельных плоскостей, перпендикулярных горизонтальному сечению синусоидальной функции A`` и удовлетворяющих условию A``=0, когда z=R_z/ (2*m_z).

Рисунок 2.3. Вариант объединения двух прямоугольных параллелепипедов вдоль их граней.

На картинке 2.3 треугольники локализованы в центрах граней взаимодействующих нуклидов. Такое расположение свободных потенциальных ям указывает на то, что синтезированный материал будет проявлять свойства дырочного полупроводника.

Ван-дер-Ваальсово взаимодействие

Силы Ван-дер-Ваальса, возникающие при поляризации молекул и образовании диполей, следует учитывать только в случае, когда все треугольники в квантовой системе заняты лептонами. Ярким примером является графен: двумерные слои графена притягиваются друг к другу, образуя трёхмерный графит. Вклад Ван-дер-Ваальсова взаимодействия становится особенно заметным, когда площадь поверхности соприкосновения монослоёв углерода C возрастает до некоторого максимума.

Рисунок 2.4. Ван-дер-Ваальсова связь.

Ионы в узлах устойчивой химической структуры остаются неподвижными в пространстве потенциальных ям до тех пор, пока не изменятся полупериоды R_x/m_x, R_y/m_y, R_z/m_z, R_r/m_r, R_θ/m_θ, R_φ/m_φ синусоидальных функций A`` или B``.

Условия реализации соединений

Если хотя бы один из треугольников на рисунках 2.1—2.3 остаётся незанятым отрицательно заряженным фермионом, синтез надлежащего химического соединения в природе невозможен. Исключения составляют потенциальные ямы, которые:

Соответствуют полностью или частично свободным орбиталям, относящимся к уровню h и более высоким уровням h+1,…, h+g (где (g∈N)) рассматриваемого химического элемента.

Могут вызвать дырочную проводимость в кристалле.

Например, для иона натрия Na⁺ в соединении Na₂He орбиталь 3d¹⁰ остаётся пустой.

Представленный подход может быть применён для моделирования молекул, кристаллических решёток, других атомных соединений, а также для предсказания химических реакций.