Природа и механизмы связывания атомов

А.А. Потапов
А.А. Потапов

ПРИРОДА  И  МЕХАНИЗМЫ 
ПРИРОДА  И  МЕХАНИЗМЫ 

СВЯЗЫВАНИЯ  АТОМОВ
СВЯЗЫВАНИЯ  АТОМОВ

Москва 
РИОР 

ИНФРА-М

Монография
Монография

Потапов А.А.

П64 
 
Природа и механизмы связывания атомов : монография / А.А. По
тапов. — Москва : РИОР : ИНФРА-М, 2022. — 299 с. — (Научная 
мысль). — DOI: https://doi.org/10.12737/16049

ISBN 978-5-369-01220-8 (РИОР)
ISBN 978-5-16-006856-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102616-8 (ИНФРА-М, online)
Монография посвящена исследованию природы и механизмов образования 

химической связи и систематическому рассмотрению на их основе электронного строения молекул, начиная от простейших молекулярных ионов и заканчивая биомолекулами. Концептуальной основой для рассмотрения выступает 
диполь-оболочечная модель атома. При этом атом выступает как структурная 
единица и как носитель генетической информации о структурообразовании 
молекул и вещества в целом.

В основе образования молекул лежит универсальная водородоподобная 

(планетарная) модель химической (ковалентной) связи, механизм формирования которой заключается в обобществлении валентных электронов на молекулярной круговой орбите. Невалентные (физические) связи представляют 
результат взаимодействия электрических моментов (эффективных зарядов и 
дипольных моментов) молекул или их отдельных фрагметов. Как химическая 
(ковалентная), так и физическая связи имеют сугубо электрическую природу.

Книга предназначена для специалистов, занимающихся исследованиями 

атомно-молекулярного строения вещества.

УДК 539.19(075.4)
ББК 22.36

УДК 539.19(075.4)
ББК 22.36
 
П64

Potapov A.A. Nature and Mechanisms of Binding of Atoms : monograph / 
A.A. Potapov. — Moscow : RIOR :  INFRA-M, 2020. — 299 p. — DOI: 
https://doi.org/10.12737/16049

The present monograph is devoted to research of the nature and mechanisms of 
formation of a chemical bond and systematic consideration on their basis of an 
electronic structure of molecules, beginning from the elementary molecular ions 
and finishing a biomolecular. As conceptual basis for consideration the dipole-shell 
atom model acts. Thus the atom acts as structural unit and as the bearer of genetic 
information on structurization of molecules and substance as a whole.

At the heart of formation of molecules the universal hydrogen-like (planetary) 

model of the chemical (covalent) bond which mechanism of formation consists in 
socialization of valent electrons in a molecular circular orbit lies. Not valent (physical) 
bond represent result of interaction of the electric moments (effective charges and the 
dipolar moments) molecules or their separate fragments. Either chemical (covalent), 
or physical communications have especially electric nature.

The book is intended for the specialists who are engaged in researches of an atom 

and molecular structure of substance.

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

© Потапов А.А.

ISBN 978-5-369-01220-8 (РИОР)
ISBN 978-5-16-006856-5 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102616-8 (ИНФРА-М, online)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сегодняшнее состояние в области изучения химической связи 
можно охарактеризовать цитатой, взятой из одной из последних обобщающих работ: «Общая теория химической связи нуждается не 
просто в уточнении тех или иных конкретных своих положений. Необходима новая идеология, новая концепция, базирующаяся на реально новом принципе и обеспечивающая не только более правильный, но и более полезный способ описания электронного строения 
молекул. Целесообразно полностью пересмотреть с учетом теоремы 
вириала упрощенный вариант теории возмущений в духе Гайтлера–
Лондона. Ведь сейчас, по сути дела, нет верного во всех случаях и 
простого объяснения явления химической связи» (Корольков Д.В. 
Теоретическая химия. — М.: АКАДЕМКНИГА, 2007). Здесь же приводится характерное высказывание с одного из международных теоретических симпозиумов: «Мы сейчас так же далеки от решения 
проблемы химической связи, как и несколько десятилетий назад, во 
времена начального развития квантовой механики молекул». К аналогичному выводу приходят многие ученые, непредвзято рассматривающие проблему химической связи.
Причина создавшегося положения заключается в том, что все 
здание теоретической химии построено на вере в то, что информация 
о свойствах и структуре веществ содержится в волновой функции 
атомов и молекул, составляющих вещество. При этом сами волновые 
функции находятся путем конструирования их из «элементарных» 
волновых функций атома водорода, являющихся решением уравнения Шредингера. Но смысл волновой функции, также как гипотеза 
волновой природы микрочастиц, остаются совершенно неопределенными и не имеющими ни теоретического, ни экспериментального обоснования. Волновая функция — это абстрактное математическое понятие и все теоретические построения на ее основе в принципе 
не могут приблизить нас к пониманию химической связи.
Исааку Ньютону принадлежит высказывание, в последующем 
закрепившееся в афоризме «Примеры важнее самой теории». В значительной мере автор при подготовке монографии следовал этой 
мысли, намереваясь на простых примерах, взятых из учебников по 
химии, продемонстрировать правомерность и действенность разрабатываемой автором теории электронного строения атомов («Ренес

санс классического атома» — М.: Издательский Дом «Наука»; LAP 
LAMBERT Academic Publishing. 2011).
Вместе с этим в процессе написания монографии вопросы, связанные с установлением природы и механизмов физической и химической связи, приобрели самостоятельное значение. Установлено, 
что все виды химической связи могут быть сведены к ковалентной 
связи. В рамках теории ковалентной связи получены выражения для 
расчета энергетических и геометрических параметров молекул. Теория ковалентной связи в своих основаниях опирается на модель кольца на оси молекулы, которая была предложена Н. Бором еще в 1913 г. 
Фактически она была продолжением планетарных представлений о 
характере движения электронов в атомах. В настоящее время получены надежные данные по длинам связей и потенциалам ионизации, 
которые позволили довести данную модель до количественных расчетов. Сегодня она принята за основу теории ковалентной связи и 
представляет собой результат обобществления валентных электронов 
атомов на молекулярной орбите как естественное продолжение электронных орбит атомов, образующих молекулу.
В теории разрабатываемой ковалентной связи приобрели законченный физический смысл такие основополагающие понятия теоретической химии, как валентность, электроотрицательность, химическое сродство, правило электронных пар Льюиса.
Теория ковалентной связи основана на классических законах 
электростатики и электродинамики. Тем самым она вступает в конфликт с квантово-волновой доктриной, господствующей по настоящее время в теоретической химии. Опыт взаимодействия с редакциями академических журналов показывает, что в условиях квантововолнового диктата дискуссия по вопросам теории химической связи 
сегодня не возможна.
С другой стороны, проблема химической связи приобрела практическую значимость в связи с реальными запросами практики, 
которая, собственно, была и остается критерием действительности 
вновь создаваемой теории. В этих условиях единственно возможный 
путь к апробации теории ковалентной и физической связей видится 
в прямом диалоге с разработчиками высоких технологий на основе 
атомно-молекулярной сборки. С целью демонстрации потенциальных возможностей разрабатываемой теории ковалентной связи в 
монографию введена дополнительная глава, в которой намечены пути 
построения атомно-молекулярных технологий и создания на их основе будущих нанофабрик и нанопроизводств.

Считаю своим долгом поблагодарить сотрудников редакционноиздательского отдела Института динамики систем и теории управления СО РАН и особенно О.И. Гречка и Е.Ю. Батурину за помощь 
в подготовке монографии к изданию.
Свои замечания и отзывы на монографию прошу направлять по 
адресу: aleksey.potapov.icc@gmail.com.
А.А. Потапов

ВВЕДЕНИЕ

Молекулы выступают в роли строительных элементов вещества. 
Вместе с этим молекулы предопределяют архитектуру вещества и его 
физико-химические свойства. В этом заключается теоретическая и 
практическая значимость исследований молекул — их строения, природы и механизмов образования.
Молекула представляет собой ковалентно связанную между собой 
группу атомов. Характерной особенностью молекул является их 
структурная устойчивость, обеспечивающая надежную идентификацию молекул по составу образующих их атомов.
Трудности построения теории химической связи обусловлены 
недостаточным пониманием характера и механизмов структурообразования вещества в процессах его самоорганизации. Речь идет об 
основополагающих закономерностях формирования различных классов веществ, существенно различающихся по своим физико-химическим свойствам. Сегодня можно выделить три генеральных направления теоретических исследований в этой области: 1) квантовомеханическое, основанное на решении уравнения Шредингера в том 
или ином приближении; 2) классическое, основанное на решении 
уравнения движения микрочастиц и применении законов электростатики; 3) полуклассическое.
Квантовомеханическое описание. Методологическим основанием 
квантовомеханического описания химической связи выступает волновая функция ψ атомов, которая является решением уравнения 
Шредингера. Считается, что волновая функция ψ системы содержит 
всю необходимую информацию о ее состоянии. И вся проблема сводится к установлению связи молекулярной волновой функции с волновыми функциями атомов, составляющих данную молекулу.
Метод валентных связей предложен в 1927 г. В. Гайтлером и 
Ф. Лондоном. В основе данного метода лежит гипотеза о том, что при 
образовании молекулы из атомов последние в значительной мере 
сохраняют свою электронную конфигурацию, а связывание атомов 
достигается в результате обмена электронов между ними в результате спаривания спинов двух электронов, находящихся на атомных 
орбитах. Это предполагает возможность построения волновой функции молекулы на основе волновых функций отдельных атомов.

Метод молекулярных орбиталей является основным методом расчета молекул. Метод молекулярных орбиталей основывается на трех 
основополагающих положениях — одноэлектронного приближения, 
метода самосогласованного поля и гипотезы о возможности представления молекулярной орбитали в виде линейной комбинации 
атомных орбиталей. В методе молекулярных орбиталей полная волновая функция строится из функций, описывающих поведение отдельных электронов в поле, создаваемом остальными электронами 
и всеми атомными ядрами, образующими молекулу. В этом отношении метод молекулярных орбиталей примыкает к методу атомных 
орбиталей, но в отличие от последних молекулярные орбитали являются многоцентровыми.
Входящие в основополагающие уравнения квантовомеханического описания волновые функции многоэлектронных атомов в свою 
очередь определяются через посредство волновой функции атома 
водорода, для которого, как принято считать, известно точное решение уравнения Шредингера. Обоснованием для данной связи служит 
гипотеза, предложенная Паули: электронные орбитали многоэлектронных атомов подобны орбиталям атома водорода. Это предположение (не имеющее ни теоретического, ни экспериментального обоснования) затем переросло в так называемый принцип заполнения 
(ауфбау-принцип), согласно которому строение многоэлектронных 
атомов уподобляется строению атома водорода. Это означает, что 
атому в его основном состоянии приписывается некоторая конфигурация атома водорода в возбужденном состоянии, соответствующая 
корням решения уравнения Шредингера n, l, m. Это и есть орбиталь 
ψn, l, m, представляющая функцию пространственных координат. Корни n, l, m определяют ряд стандартных конфигураций s-, p-, d-, f-
орбиталей, которые отождествляются с действительными электронными конфигурациями атомов в виде сферических конфигураций 
(s-элементы), в виде гантелеобразных конфигураций (p-элементы), 
конфигураций в виде 4-х лепестковых розеток и т.д. В процедурном 
отношении перенос волновых функций ψn, l, m атома водорода на многоэлектронные атомы осуществляется с помощью так называемых 
слэтеровских функций, которые с целью согласования их с экспериментом включают в себя подгоночные параметры типа эффективных 
зарядов и/или эффективных квантовых чисел.
Классическое описание. Физические представления о природе 
химической связи восходят к электронной теории валентности. Начало этой теории было положено Г.Н. Льюисом и В. Косселем (1916 г.). 

Согласно электронной теории валентности, атомы в своем стремлении к объединению приобретают более устойчивую конфигурацию. 
Можно выделить два характерных способа образования устойчивых 
структур. Первый связан с переносом электронов одного атома на 
внешнюю оболочку другого атома; при этом возникает так называемая ионная связь, имеющая чисто кулоновскую природу. Второй 
способ образования химической связи является результатом обобществления пары электронов разных атомов; такого рода химическая 
связь называется ковалентной.
В классическом подходе предполагается, что атомы в молекуле 
соединяются попарно. Причина их соединения, согласно классическим представлениям, заключается в способности атомов к сродству 
к другим атомам. Количественной мерой этого свойства атома служит 
целое число единиц сродства, каждая единица которого при образовании молекулы должна быть использована для соединения данного 
атома с другими. Характерное число единиц сродства атома данного 
элемента называется валентностью, а число единиц сродства, затрачиваемое данным атомом на соединение с другим атомом — кратностью химической связи.
Характерным для классического описания химической связи является представление о стабильной оболочке атома, имеющей некоторое «магическое» число электронов; для гелия это число равно 2, 
для атомов второго периода периодической системы — 8, для следующего периода — 18 и т.д. Одним из эффективных продолжений 
данной теории является теория отталкивания электронных пар Р. Гиллеспи.
В модели отталкивания электронных пар валентной оболочки 
(ОЭПВО) предполагается, что электронные пары валентной оболочки (как связывающие, так и неподеленные), размещаются таким 
образом, чтобы находиться на максимальном удалении друг от друга, 
т.е. они ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались. Такое 
распределение электронов на валентной оболочке атомов предопределяет соответствующую координацию молекул и/или кристаллов. 
Физический смысл модель ОЭПВО раскрылся в ее непосредственной 
связи с диполь-оболочечной моделью атомов. В действительности 
формирование конфигурации молекул осуществляется не в результате отталкивания электронных пар, а благодаря тому, что сами атомы имеют высокосимметричное распределение электронов, которое 
собственно и предопределяет электронную структуру молекул.
Полуклассическое описание. С целью упрощения решения уравнения Шредингера обычно принимается адиабатическое приближе

ние, согласно которому движение электронов рассматривается в поле 
неподвижных ядер. Однако данное приближение непригодно, когда 
целью исследования является движение всей молекулы или ее отдельных фрагментов.
В этом случае предметом анализа выступает собственно движение 
ядер и для него можно сформулировать приближение, обратное адиабатическому, т.е. рассматривать движение ядер в потенциальном 
поле сил электрон-ядерного и электрон-электронного взаимодействия. При этом атомы в молекуле рассматриваются как классические 
частицы, а взаимодействие между ними описывается с помощью 
потенциальных функций. Такое приближение составляет основу 
классической механики молекул.
Анализ известных подходов к описанию химической связи так 
или иначе сводится к представлениям об электронной плотности, 
распределение которой отражает реальное строение молекул.
Таким образом, с одной стороны, имеем интуитивное понимание 
электростатической природы химической связи, подкрепленное многолетним опытом исследований строения и динамики молекул, и, с 
другой стороны, претензии квантово-волновой парадигмы на ее 
исключительную роль в теоретической химии. Как сейчас выясняется, надежды на решение центральной проблемы химии — проблемы химической связи, не оправдались. Причиной тому является 
отход от эмпирического пути исследования вещества и переход к 
абстрактным математическим построениям. Осознание этого факта 
шло по пути понимания причинной обусловленности молекулярного строения электронным строением атомов, образующих молекулу. 
Появились новые данные по потенциалам ионизации и поляризуемостям, которые позволили совершенно по-новому взглянуть на 
строение атомов и объяснить их способность к связыванию в более 
устойчивые структуры. Анализ этих данных позволил в конечном 
итоге разработать непротиворечивую модель электронного строения 
атомов, которая, в свою очередь, стала ключом и естественным фундаментом для построения модели электронного строения молекул. 
Сегодня выстраивается цепь логически обусловленных звеньев: электронное строение атомов → природа химической связи → электронное строение молекул.
Материал монографии представлен следующим образом. В главе 1 
дается краткий анализ методов и средств измерений геометрических 
и электрических параметров молекул, отражающих сегодняшнее состояние экспериментальных возможностей в получении достоверной 

информации о химической и физической связи. Здесь же дается краткий анализ состояния исследований в области химической и физической связи. Рассматриваются принципиальные возможности квантовомеханического, классического и полуклассического описаний 
валентных и невалентных связей.
Глава 2 посвящается исследованию природы и механизмов химического и физического способа связывания. Основой данного рассмотрения выступает диполь-оболочечная модель атомов. Последовательно рассмотрены физические основы ковалентной связи с разным числом электронов на молекулярной орбите (с разной кратностью 
связи). Раскрывается физическое содержание химической связи и 
механизм образования устойчивой молекулярной системы как результат обобществления валентных электронов на молекулярной 
круговой орбите, которая фактически является естественным продолжением исходных электронных орбит атомов, образующих молекулу. Показан универсальный характер ковалентной связи, являющийся основой структурообразования вещества. Рассмотрены 
ключевые вопросы формирования невалентной связи, являющейся 
основой образования молекулярных веществ.
В главе 3 на примере известных структур молекул показана применимость к их описанию ковалентной связи.
В главе 4 рассматривается вопрос проектирования и конструирования изделий и продуктов на основе технологии атомно-молекулярной сборки. В основе проектирования лежат установленные законы образования ковалентной связи как основы для инженерных 
расчетов элементов наноизделий и нанопродуктов.