شیمی یکی از دانش‌های بنیادین است که به مطالعه و بررسی ساختار، خواص، ترکیبات، و دگرگونی ماده می‌پردازد. گسترهٔ زیاد این دانش باعث شده‌است تا تعریف یکپارچه برای آن مشکل گردد.

ساختار شیمیایی

ساختار شیمیایی شامل هندسهٔ مولکولی، ساختار الکترونی و ساختار کریستالی مولکول است. هندسه مولکولی اشاره به آرایش فضایی اتم‌ها در یک مولکول و نحوهٔ چیدمان پیوندهای شیمیایی اتم‌ها باهم می‌باشد. هندسهٔ مولکولی می‌تواند بسیار ساده باشد، مانند اکسیژن دواتمی یا مولکول‌های نیتروژن، یا بسیار پیچیده باشد مانند پروتئین‌ها یا مولکول دی‌ان‌ای. هندسه مولکولی را می‌توان تقریباً با استفاده از یک فرمول ساختاری نشان داد. ساختار الکترونی توصیف اشغال اوربیتال‌های مولکولی یک مولکول توسط الکترون‌ها است. نظریهٔ ساختار شیمیایی در دهه‌های ۱۸۵۰ و ۱۸۶۰ توسط شیمی‌دان‌های مختلف، از جمله فریدریش آگوست ککیوله، آرچیبالد اسکات کوپر و الکساندر بوتلروف توسعه داده شد. این شیمیدانان نشان دادند که ترکیبات شیمیایی از گروه‌های فرعی و گروه‌های عاملی تشکیل شده‌اند، اما ساختار با نظم مشخصی بر اساس ظرفیت ظرفیت شیمیایی اتم‌ها شکل گرفته‌اند.

نظریه اتمی پایه و اساس علم شیمی است. این تئوری بیان می‌دارد که تمام مواد از واحدهای بسیار کوچکی به ناماتم تشکیل شده‌اند. یکی از اصول و قوانینی که در مطرح شدن شیمی به عنوان یک علم تأثیر به‌سزایی داشته، اصل بقای جرم است. این قانون بیان می‌کند که در طول انجام یک واکنش شیمیایی معمولی، مقدار ماده تغییر نمی‌کند. (امروزه فیزیک مدرن ثابت کرده که در واقع این انرژی است که بدون تغییر می‌ماند و همچنین انرژی و جرم با یکدیگررابطه دارند)

این مطلب به‌طور ساده به این معنی است که اگر ده‌هزار اتم داشته باشیم و مقدار زیادی واکنش شیمیایی انجام پذیرد، در پایان ما همچنان بطور دقیق ده‌هزار اتم خواهیم داشت. اگر انرژی از دست رفته یا به‌دست‌آمده را مد نظر قرار دهیم، مقدار جرم نیز تغییر نمی‌کند. شیمی کنش و واکنش میان اتم‌ها را به تنهایی یا در بیشتر موارد به‌همراه دیگر اتم‌ها و به‌صورت یون یا مولکول (ترکیب) بررسی می‌کند.

این اتم‌ها اغلب با اتم‌های دیگر واکنش‌هایی را انجام می‌دهند. (برای نمونه زمانی‌که آتش چوب را می‌سوزاند واکنشی است بین اتم‌های اکسیژن موجود در هوا و مواد آلی چوب؛ که نور بر روی مواد شیمیایی فیلم عکاسی ایجاد می‌کند شکل می‌گیرد)

یکی از یافته‌های بنیادین و جالب دانش شیمی این بوده‌است که اتم‌ها روی‌هم‌رفته همیشه به نسبت برابر با یکدیگر ترکیب می‌شوند. سیلیس دارای ساختمانی است که نسبت اتم‌های سیلیسیوم به اکسیژن در آن یک به دو است. امروزه ثابت شده‌است که استثناهایی در زمینهٔ قانون نسبت‌های معین وجود دارد(مواد غیر استوکیومتری).

یکی دیگر از یافته‌های کلیدی شیمی این بود که زمانی که یک واکنش شیمیایی مشخص رخ می‌دهد، مقدار انرژی که بدست می‌آید یا از دست می‌رود همواره یکسان است. این امر ما را به مفاهیم مهمی مانند تعادل، ترمودینامیک وسینتیک شیمیایی می‌رساند.

شیمی فیزیک بر پایهٔ فیزیک پیشرفته (مدرن) بنا شده‌است. اصولاً می‌توان تمام سیستم‌های شیمیایی را با استفاده از تئوری مکانیک کوانتوم شرح داد. این تئوری از لحاظ ریاضی پیچیده بوده و عمیقاً شهودی است. به هر حال در عمل و بطور واقعی تنها بررسی سیستم‌های سادهٔ شیمیایی قابل بررسی با مفاهیم مکانیکی کوانتوم امکان‌پذیر است و در اکثر مواقع باید از تقریب استفاده کرد (مانند تئوری کاری دانسیته). بنابراین درک کامل مکانیک کوانتوم برای تمامی مباحث شیمی کاربرد ندارد؛ زیرا نتایج مهم این تئوری (بخصوص اربیتال اتمی) با استفاده از مفاهیم ساده‌تری قابل درک و به‌کارگیری هستند.

با اینکه در بسیاری موارد ممکن است مکانیک کوانتوم نادیده گرفته شود، اما از مفهوم اساسی آن، یعنی کوانتومی کردن انرژی، نمی‌توان صرف نظر کرد. شیمی‌دان‌ها برای بکارگیری کلیه روش‌های طیف نمایی به آثار و نتایج کوانتوم وابسته‌اند. علم فیزیک هم ممکن است مورد بی‌توجهی واقع شود، اما به هر حال برآیند نهایی آن (مانند رزونانس مغناطیسی هسته‌ای) پژوهیده و مطالعه می‌شود.

یکی دیگر از تئوری‌های اصلی فیزیک مدرن که نباید نادیده گرفته شود نظریه نسبیت است. این نظریه که از دیدگاه ریاضی پیچیده‌است، شرح کامل فیزیکی علم شیمی است. مفاهیم نسبیتی تنها در برخی از محاسبات خیلی دقیق ساختمان هسته، به‌ویژه در عناصر سنگین‌تر، کاربرد دارند و در عمل تقریباً با شیمی پیوند ندارند.

 

فهرست مطالب:

فصل اول: تعاریف و قضایای نظریه گروه

گروه

خواص گروه

مرتبه گروه

جدول ضرب گروه

گروههای دوری

زیرگروه

عناصر مزدوج

خواص عناصر مزدوج

طبقه گروه

و…

فصل دوم: تقارن مولکولی و گروههای تقارن

عمل تقارنی

عنصر تقارن

صفحه تقارن

مرکز تقارن

مولکولهای دارای مرکز تقارن

محور دوران متعارف

محور دوران مرکب

عنصر یکسانی

حاصلضرب اعمال تقارنی

عناصر تقارن هم ارز

اتمهای هم ارز

قواعد حاصلضرب بین اعمال تقارنی

اعمال تعویض پذیر

مولکولهای نامتقارن

گروه های نقطه ای تقارن

تعیین گروه های نقطه ای یک مولکول

گروه های نقطه ای مولکولهای خطی

اجسام افلاطونی

گروه نقطه ای Td

گروه نقطه ای Oh

طبقات اعمال تقارنی

و…

فصل سوم: نمایش گروه ها

تعریف ماتریس

نمایش بردار به کمک ماتریس

ترکیب ماتریسها

ضرب دو ماتریس

کاراکتر ماتریسهای مزدوج

قضایای کاراکتر ماتریس

استفاده از ماتریس برای تبدیلهای هندسی

ماتریسهای متعامد

نمایش اعمال تقارنی محورهای مرتبه 3 در یک مولکول چهاروجهی به کمک ماتریس

بردارها و حاصلضربهای عددی آنها

نمایش گروهها

قضیه تعامد

قواعد مربوط به نمایشهای کاهش ناپذیر و خواص آنها

رابطه میان نمایشهای کاهش پذیر و کاهش ناپذیر

جدول کاراکتر

نمایشهای گروههای حلقوی

و…

فصل چهارم: نظریه گروه و مکانیک کوانتوم

توابع موجی

همترازی در مقدار ویژه

حاصلضرب مستقیم

قضایا

شناسایی عناصر غیرصفر ماتریس

عناصر انرژی

احتمال انتقالات طیفی

و…

فصل پنجم: ترکیبات خطی تقارن – سازگار

مفهوم ترکیبات خطی تقارن – سازگار (SALC)

اوپراتور تصویر

نحوه تبدیل تابع xz + yz + z2 توسط اوپراتورهای تقارنی گروه

مختصات تقارنی برای یک مولکول هرمی AB3

فصل ششم: نظریه اوربیتال مولکولی از دیدگاه تقارن

تقریب LCAO

معادلات سکولار

تقریب هوکل

نمودارهای تراز انرژی

ماهیت تشکیل پیوند در اوربیتالها

قطعه بندی تقارنی معادلات سکولار

سیستمهای هیدروکربنهای حلقوی

توابع موجی اوربیتالهای مولکولی

محاسبه انرژی اوربیتالهای مولکولی با استفاده از تقریب هوکل

انرژی رزنانس

قاعده 4n + 2

موارد عمومی نحوه تشکیل اوربیتالهای مولکولی π

محاسبه انرژی عدم استقرار در مولکول تترامتیل سیکلوبوتان

انتقالات الکترونی در مولکول نفتالن

قواعد انتخاب

تبادل آرایشی

پیوندهای سه مرکزی گشوده با اتمهای یکسان

پیوندهای سه مرکزی گشوده با اتمهای غیریکسان

و…

فصل هفتم: اوربیتالهای هیبریدی و اوربیتالهای مولکولی برای مولکولهای نوع ABn

خواص تبدیلی اوربیتالهای اتمی

ارتباط مختصات قطبی و دکارتی

شماهای هیبرید شدن اوربیتالها

شماهای هیبرید شدن برای تشکیل پیوند π

بدست آوردن اوربیتالهای هیبریدی از ترکیب خطی اوربیتالهای اتمی

و…

فصل هشتم: نظریه میدان لیگاند

توابع موجی و اعداد کوانتومی برای یک الکترون منفرد

اعداد کوانتومی برای اتمهای چند الکترونی

ممان زاویه ای کل

شکاف سطوح و ترمها در محیط شیمیایی

حالت ها در گروههای نقطه ای

نمودارهای سطوح انرژی

روش بدست آوردن نمودار سطوح انرژی

اصول تنظیم نمودارهای سطوح انرژی

روش کاهش تقارن برای بدست آوردن نمودارهای همبستگی

نمودارهای سطوح انرژی در محیطهای چهاروجهی

فرمالیسم حفره

تخمین انرژیهای اوربیتالی بر اساس نظریه میدان بلور

و…

فصل نهم: ارتعاشات مولکولی

حرکت ارتعاشی مولکولها

خواص شیوه های ارتعاشی نرمال

تعیین انواع تقارن شیوه های ارتعاشی نرمال

محاسبه ثابتهای نیرو

ماتریس F

ماتریس G

قواعد انتخاب برای انتقالات ارتعاشی اصلی

قاعده طرد

و…