Кіріспе
Кванттық химияның теориялары релятивистік механика арқылы түсіндіріледі. Релятивистік кванттық химия, элементтік қасиеттер мен құрылымын есептеу үшін, әсіресе периодтық кестедегі ауыр элементтер үшін, релятивистік механиканы кванттық химиямен біріктіреді. Мысалы, алтынның түсін түсіндіруге болады: релятивистік эффектілерге байланысты, ол көптеген басқа металдар сияқты күміс түсті емес. Релятивистік эффектілер термині кванттық механиканың даму тарихында қалыптасты. Алғашқыда кванттық механика, аралық теорияны ескермей жасалды. Релятивистік эффектілер – аралықты ескеретін және ескермейтін модельдермен есептелген мәндер арасындағы айырмашылықтар. Релятивистік эффектілер лантаноидтар мен актиноидтар сияқты жоғары атомдық саны бар ауыр элементтер үшін маңызды. Химиядағы релятивистік эффектілерді, Шредингер теңдеуінің шешімдеріне негізделген релятивистік емес химия теориясына енгізілетін бұзылыстар немесе шағын түзетулер деп қарастыруға болады. Бұл түзетулер, электронның жылдамдығы жарық жылдамдығымен салыстырғандағы айырмасына байланысты, электрондарға әртүрлі әсер етеді. Релятивистік эффектілер ауыр элементтерде күштірек байқалады, себебі тек осы элементтерде электрондар, элементтердің релятивистік емес химия болжағаннан өзгеше қасиеттерге ие болуы үшін қажетті жылдамдыққа жетеді.
Relativistic quantum chemistry combines relativistic mechanics with quantum chemistry to calculate elemental properties and structure, especially for the heavier elements of the periodic table. A prominent example is an explanation for the color of gold: due to relativistic effects, it is not silvery like most other metals. The term relativistic effects was developed in light of the history of quantum mechanics. Initially, quantum mechanics was developed without considering the theory of relativity. Relativistic effects are those discrepancies between values calculated by models that consider relativity and those that do not. Relativistic effects are important for heavier elements with high atomic numbers, such as lanthanides and actinides. Relativistic effects in chemistry can be considered to be perturbations, or small corrections, to the non relativistic theory of chemistry, which is developed from the solutions of the Schrödinger equation. These corrections affect the electrons differently depending on the electron speed compared with the speed of light. Relativistic effects are more prominent in heavy elements because only in these elements do electrons attain sufficient speeds for the elements to have properties that differ from what non relativistic chemistry predicts.
Периодикалық кестедегі ауытқулар
Периодтық кесте сол кездегі белгілі элементтердегі кезеңдік заңдылықтарды байқаған ғалымдармен құрастырылды. Шындығында, оның ішіндегі үлгілер периодтық кестенің күшін анықтайды. 5-ші кезең (Rb–Xe) мен 6-шы кезең (Cs–Rn) арасындағы көптеген химиялық және физикалық айырмашылықтар соңғысының күштірек релятивистік әсерлерінен туындайды. Бұл релятивистік әсерлер алтын мен оның жанындағы платина және сынап элементтері үшін ерекше айқын. Ван дер Ваальс күші – маңызды кванттық релятивистік әсер.
Жиде
Сынап (Hg) балқу температурасы шамамен -39 °C болатын сұйық күйде сақталады. Hg–Hg байланыстарының байланысу күштері кадмий (балқу т. 321 °C) және алтынға (балқу т. 1064 °C) қарағанда әлсіз. Лантаноидтардың тарылуы осы аномалияны толық түсіндірмейді. Au2(g) және Hg(g) H2(g) және He(g) сияқты айырмашылықтарының ұқсас болуымен байланысты. 6s2 орбиталының релятивистік тарылуы газ тәрізді сынапты кейде псевдо инерт газ деп атайды. Цезий – көруге жеткілікті мөлшерде жинауға болатын ең ауыр сілті металлы, ол алтын түстес, ал қалған сілті металдар күміс ақ түсті болады. Дегенмен, цезий үшін Z = 55-тегі релятивистік эффекттер (күміс үшін Z = 47-ден көп айырмашылық жоқ) аса маңызды емес. Цезийдің алтын түсі сілті металдардың электрондарын қоздыру үшін қажетті жарық жиілігінің төмендеуінен туындайды. Литийден рубидийге дейін бұл жиілік ультракөк түсті спектрде, ал цезий үшін көк-фиолет спектрінің соңына жетеді; яғни, сілті металдардың плазмалық жиілігі литийден цезийге қарай төмендейді. Осылайша, цезий фиолетті жарықты көбірек өткізеді және ішінара сіңіреді, ал басқа түстер (төмен жиілікті) шағылыстырады; сондықтан ол сары түсті көрінеді.
Қорғасын қышқыл аккумуляторы
Салыстырмалылық теориясы болмаса, қорғасын (Z = 82) қалайыға (Z = 50) ұқсас қасиеттерге ие болар еді, сондықтан қалайы-қышқыл аккумуляторлары автомобильдерде кеңінен қолданылатын қорғасын-қышқыл аккумуляторларымен бірдей тиімді жұмыс істеуі керек. Дегенмен, есептеулер көрсеткендей, 6 элементтен тұратын қорғасын-қышқыл аккумуляторынан алынатын 12 В-тың шамамен 10 В-ы салыстырмалы эффектілердің нәтижесінде пайда болады, осы себепті қалайы-қышқыл аккумуляторлары жұмыс істемейді.
Инерт жұп әсері
Тл(I) (таллий), Пb(II) (сырық) және Bi(III) (бисмут) кешендерінде 6s² электрон жұбы болады. Инерт жұп эффектісі – бұл 6s орбиталының релятивистік тартылуына байланысты осы электрон жұбының тотығуға қарсы тұру бейімі. Ван және авторлар (2021) керісінше, итергіш әсерді есептеген. Цезий ауриді сияқты қосылыстардағы алтын мен платина аниондарының тұрақтылығы. Францийдің цезийге қарағанда реакциялық қабілеті аздап төмендеуі. Лантанидтер жиырылуының шамамен 10% жоғары жылдамдықты электрондардың релятивистік массасына және одан туындайтын Бор радиусының кіші болуына байланысты.