Теория молекулярных орбиталей
Связывание атомов в молекулах определяется тем, как перекрываются их волновые функции
1919 • ПРАВИЛО ОКТЕТА
1926 • УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА
кон. • теория 1920-х МОлЕКулЯРНЫХ
орбиталей
1930-е • ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ
Атомы объединяются в молекулы благодаря химическим связям. Причем участвуют в образовании этих связей электроны, находящиеся во внешнем слое этих атомов. существует несколько теорий, описьтающих процесс связывания. Одна из них — теория валентных связей, в соответствии с которой связи между атомами образуются, когда атомы обмениваются электронными парами из перекрывающихся орбиталей. Другая — теория молекулярных орбиталей.
Такого рода приблизительные теории полезны, поскольку мы получаем простой, интуитивно понятный способ представления физических процессов. С другой стороны, современные компьютеры дают нам возможность с высокой точностью вычислить энергии связи, однако такие вычисления ничуть не приближают нас к пониманию того, что же происходит, когда атомы соединяются. Роль теорий как раз в том и состоит, чтобы дать нам это понимание.
В основе теории молекулярных орбиталей лежит представление о том, что электронная орбиталь в атоме описывается волновой функцией (см. уравнение шрёдингера). Теория объясняет, как при протекании химической реакции атомные орбитали преобразуются в молекулярные. Подобно большинству известных нам типов волн, волновые функции электронов в орбиталях претерпевают интерференцию. Оказывается, орбитали в молекулах можно, с хорошим приближением, представить как результат интерференции волновых функций атомов.
например, рассмотрим, что происходит при взаимодействии двух атомных орбиталей соседних атомов. Если в области перекрывания орбиталей волновые функции претерпевают конструктивную интерференцию, электроны большую часть времени проводят между ядрами, притягивая атомы друг к другу. С другой стороны, если интерференция в области перекрывания деструктивная, электронная плотность между ядрами равна нулю и между атомами возникает результирующая сила отталкивания. Таким образом, две атомные орбитали объединяются с образованием двух молекулярных орбиталей: одна стремится связать атомы (связывающая молекулярная орбиталь), а другая — оттолкнуть их (разрыхляющая молекулярная орбиталь). и их взаимодействие определяет, будет ли образована стабильная молекула.
Чтобы понять, как работает эта модель, попробуем разобраться, почему водород образует молекулу из двух атомов, а гелий — из одного. В образовании связи между двумя атомами водорода участвуют по одному электрону от каждого атома, а на низшей (связывающей) молекулярной орбитали как раз есть место для двух электронов. Электроны основное время находятся между ядрами, значит, атомы притягиваются и молекула водорода может образоваться. У гелия же в образовании связи между двумя атомами участвуют четыре электрона, поэтому заняты как связывающая, так и разрыхляющая атомные орбитали. Численные вычисления показывают, что в этом случае будет преобладать эффект отталкивания, и даже если молекулы гелия образуются, они будут крайне нестабильны. Поэтому молекула газа гелия состоит из одного атома.
Теория оптимального фуражирования
Выбор хищником жертвы зависит от того, сколько времени занимает поиск добычи, и от того, сколько времени требуется, чтобы поймать и употребить ее в пищу
•
ЗАВИСИМОСТЬ КОЛИЧЕСТВА ВИДОВ ОТ ПЛОЩАДИ ЭКОСИСТЕМЫ
ТЕРРИТОРИАЛЬНОСТЬ У ЖИВОТНЫХ
ОТНОШЕНИЯ ХИЩНИК—ЖЕРТВА
ПРИНЦИП
КОНКУРЕНТНОГО
ИСКЛЮЧЕНИЯ
ТЕОРИЯ
| 1970-е |
ОПТИМАЛЬНОГО ФУРАЖИРОВАНИЯ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ
ТЕОРЕМА
О МАРГИНАЛЬНЫХ
ЗНАЧЕНИЯХ
Иногда чистая математика переплетается с явлениями реального мира довольно неожиданным образом. Теория оптимального фуражирования, которую разработали Роберт Макартур (см. теория равновесия макартура—уилсона) и Эрик Пианка в 1966 году, — типичный тому пример. Многие животные на самом деле могут употреблять в пищу гораздо больше разнообразных видов добычи, чем они реально употребляют. Тогда каковы принципы, которыми руководствуются животные при выборе добычи? С такого рода проблемами имеет дело раздел математики под названием теория игр.
Для начала надо сказать, что каждый тип добычи может обеспечить хищника определенным количеством энергии — назовем ее Е. Чтобы получить эту энергию, хищник должен потратить какое-то время на выполнение двух задач: он должен сначала найти добычу, а затем поймать и съесть ее — экологи называют это временем обработки добычи. Скорость потребления энергии хищником будет равна энергии Е, деленной на сумму времени поиска и обработки добычи. Согласно теории оптимального фуражирования, поведение животных будет развиваться в направлении выработки такой стратегии, которая обеспечит самую высокую скорость потребления энергии.
Из этого положения вытекает несколько выводов. В частности, если на поиск и обработку нового вида добычи животное затрачивает больше энергии, чем на поиск и обработку добычи, уже существующей в его рационе, животное ограничит разнообразие своей диеты. Вот почему животные имеют узкий рацион питания.
Теория также предсказывает, как будут вести себя животные в определенных ситуациях. Например, время поиска может быть долгим, а время обработки коротким — представьте себе птицу, скачущую вокруг дерева в поисках насекомых, или медведя, бредущего по лесу и переворачивающего стволы деревьев в поисках муравьев. Как только добыча найдена, на ее потребление уйдет совсем небольшая часть общего затраченного времени — основное время ушло на поиск. Животные в такой ситуации становятся универсалами, употребляя в пищу самую разнообразную добычу.
Если же, наоборот, время поиска мало, а время обработки велико, можно ожидать различные типы поведения. Например, лев на равнинах африканского национального парка Серенгети живет в пределах прямой видимости антилопьих стад, так что его время поиска добычи практически равно нулю, однако поимка антилопы может потребовать значительных затрат времени и энергии. В этом случае выбор добычи будет узким. Лев будет нападать на старых, хромых или совсем молодых животных, чтобы свести к минимуму время обработки.
Животные могут быть вынуждены отказаться от своей стратегии оптимального фуражирования. Для тех, кто не находится наверху пищевой цепи, существует постоянная угроза со стороны хищников. Перед лицом этой угрозы животное скорее перейдет на менее энергетическую пищу в безопасном месте, нежели будет следовать тому, что в отсутствие хищников было бы для него стратегией оптимального фуражирования. В противном случае оно может закончить свою жизнь в качестве Е в чьем-то еще уравнении.