Баллистическая


Строение вещества и химическая связь



жүктеу 8.2 Mb.
бет74/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   70   71   72   73   74   75   76   77   ...   99

Строение вещества и химическая связь

Что, наконец, представляется нам затверделым и плотным,

То состоять из начал крючковатых должно несомненно,

Сцепленных между собой наподобие веток сплетённых.

В этом разряде вещей, занимая в нём первое место,

Будут алмазы стоять, что ударов совсем не боятся…

Вещи, в которых их ткань совпадает взаимно с другою,

Так что, где выпуклость есть, у другой оказалась бы там же

Впадина, - эта их связь окажется самою тесной.

Есть и такие ещё, что крючками и петлями будто

Держатся крепко и так друг с другом сцепляются вместе.

Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н.э. [77]
Не только физика атома, ядра, но и физика твёрдого тела, термодинамика и химия опираются теперь на квантовую механику. Неужели даже в этих, исконно классических науках нельзя объяснить явления наглядно, а нужен сложный аппарат квантовой механики? В физике ядра, атома и элементарных частиц, как оказалось, квантовые представления не только не обязательны, но часто просто ошибочны и уступают классическому описанию. Да и в других разделах физики классический подход даёт естественное адекватное описание всех "квантовых" эффектов, стоит лишь правильно их истолковать, найти удачную механическую модель явлений, строения атомов и частиц. Такой моделью оказалась бипирамидальная магнитная модель атома. Её основы заложены Ритцем, Томсоном, Ленардом, Ленгмюром и Льюисом ещё в начале XX в. [19, 46]. Согласно модели атом имеет форму двух пирамид, соединённых вершинами и послойно заполняемых электронами, что объясняет спектры атомов, законы Менделеева и законы фотоэффекта (§ 3.3., § 4.3.).

Размеры атомов и межэлектронные зазоры в слоях задают и межатомные расстояния в молекулах и кристаллах. Ведь ближе атомы сойтись не могут. Но почему же они не могут разойтись? Что удерживает атомы вместе в молекулах и кристаллах? Первое научное объяснение этому предложили те же Ленгмюр и Льюис на основе разработанной ими модели атома в форме куба [19, 46]. Эта модель соответствует бипирамидальной, поскольку бипирамида вписывается в куб (Рис. 170). Модель Ленгмюра без всяких оснований отвергли, приняв квантовую теорию химической связи с абстрактными электронными облаками, орбиталями и их перекрытием. Зато в классической модели всё выглядело предельно просто. Электроны послойно заполняли пространственные уровни, оболочки атомов, и если в атоме уровень был заполнен не до конца, его могли занять электроны других атомов, входящие в вакантное место, как ключ в замок. Это позволяло образовывать химические соединения только определённым подходящим друг к другу по форме атомам. Например, атом кислорода имеет два свободных места на электронном уровне (Рис. 170). Поэтому к нему могут пристыковаться два атома водорода, содержащие по одному электрону. Так образуется молекула воды (Рис. 171). Тогда угол между отрезками, соединяющими центры атомов, составит около 109° (угол меж диагоналями куба). Это соответствует реальному углу в 105-109°, измеренному у молекул воды в экспериментах [138].



Рис. 170. Электронные слои атомов с вакансиями-петлями для образования химических связей или ионов O2-, Cl- при захвате электронов e.

Всё это очень напоминает демокритову модель сцепления атомов по принципу ключ-замок. Демокрит считал, что на атомах есть выпуклости и впадины, крючочки и петли (см. эпиграф § 4.14.). Когда выпуклость (крючок) одного атома попадает во впадину (петлю) другого, они соединяются, как детали игрушечного конструктора [105]. Выпуклости-крючки - это электроны одного атома, а вогнутости-петли, провалы - не занятые электронами места в слое другого. Такую впадину будем в дальнейшем называть вакансией, или гнездом, по аналогии с гнездом-отверстием в конструкторе, посадочным гнездом или гнездом разъёма. Такой термин был предложен В. Мантуровым в его кристаллической модели ядра [79]. При этом силы, удерживающие атомы вместе, имеют электрическую природу. Те же силы удерживают в слое электроны – это силы притяжения к электрон-позитронной решётке, аналогичные ядерным, только с иным масштабом (§ 3.12.).

Рис. 171. Образование молекулы воды с углом между атомами водорода 109º.

Так же легко модель объясняет существование отрицательных ионов. В боровской же модели атом не в силах связать избыточный электрон, а тем более несколько. А между тем есть много отрицательных ионов, скажем Cl, O2–. По Бору нейтральный атом не удержал бы лишние электроны, зато если учесть наличие в классической бипирамидальной модели вакансий в слое, то в них электрон-позитронная решётка вполне может связать и несколько электронов. В атоме хлора лишь одно свободное место (Рис. 170). Поэтому атом захватывает один электрон и прочно его удерживает, образуя ион Cl. В атоме кислорода слой имеет два незанятых места. Соответственно, по присоединении к ним электронов образуется ион O2–. Энергия связи электрона с атомом в этом случае называется сродством к электрону. Она того же порядка и той же природы, что энергия ионизации. Впрочем, если избыточных электронов чересчур много, отталкивание мешает их удержанию атомом.

Атому, где больше свободных мест, чем занятых, проще отдавать электроны. Вот почему валентность атома – его способность образовывать химическую связь – определяется числом электронов, которые он может удержать или отдать. Причём валентность определяется ещё и способом размещения электронов на уровне - электроны могут перемещаться внутри слоя, словно фишки в "пятнашках". Совершенно так же как для нуклонов в ядре (§ 3.6.), атом может образовывать несколько устойчивых конфигураций электронов, способных захватить или отдать больше или меньше электронов (как предположил ещё А. Майер § 3.1.). Вот почему одни и те же атомы могут проявлять разную валентность, образовать разное число связей. Эта первая и самая наглядная модель химической связи объясняет, как у атомов возникает данное число связей, почему энергия связи того же порядка, что и энергия ионизации (отрыва электрона). Квантовая же физика даёт невразумительные туманные объяснения, напоминающие мистические умствования Аристотеля - вечного противника Демокрита [105]. Самое странное, что пошла эта квантовая теория химической связи из Гёттингена, словно по смерти Ритца власть там также перешла к его противникам, сторонникам неклассических взглядов - М. Борну, В. Гайтлеру, Ф. Лондону, В. Паули, В. Гейзенбергу [46]. Именно они развили абстрактную теорию связи бесструктурных атомов посредством перекрытия туманных электронных орбиталей и квантового обменного взаимодействия, не имеющего отношения к обмену частицами, а связанному с перекрытием волновых функций электронов.

Подобный механизм связи атомов работает не только в молекулах, но и в аморфных твёрдых телах, жидкостях, где связи носят беспорядочный характер, то возникая, то разрываясь, отчего атомы соединяются без всякой системы. Другое дело - кристаллы. В них связи упорядочены и порядок этот, возможно, задан во многом правильным строением атомов и электронных слоёв. Оттого и соединение атомов происходит в геометрически точном стиле. Аналогично кирпичи, блоки с их правильной формой, укладываются в зданиях и пирамидах правильным образом. Давно открыто, что форма молекулярных кристаллов напрямую связана с формой молекул. Так же и кубическая, октаэдрическая (бипирамидальная) форма алмазов, простых кристаллов, возможно, обусловлена такой же формой атомов. Итак, квантовая теория химической связи не только не обязательна, но и неестественна и даже не первична.

Атомы с их жёстким каркасом, скованные связями, обладают всё же некоторой свободой движений. Они могут отдаляться друг от друга. При этом на атомы действуют силы притяжения электронов одного атома к электрон-позитронной решётке другого. Могут атомы и сближаться, тогда их отталкивают силы упругости атомного каркаса. Поэтому есть определённое равновесное межатомное расстояние, есть сопротивление тел сжатию и растяжению, и есть хаотические тепловые колебания атомов возле положений равновесия. Полагали, что классически нельзя получить стабильных систем из положительных и отрицательных зарядов. На этот счёт есть специально доказанная теорема Ирншоу. Поэтому утверждают, что лишь квантовые неклассические законы обеспечивают стабильность атомов и вещества. И всё же стабильность этих систем объяснима классически, достаточно учесть неэлектрические, магнитные силы и изменение характера кулоновского взаимодействия на малых расстояниях (§ 3.18.).

Убедиться в стабильности некоторых типов электромагнитных систем помогают опыты А. Майера, где магниты, плавающие в воде, самопроизвольно образовывали стандартные устойчивые правильные структуры (§ 3.1.). Примечательно, что сам Альфред Майер рассматривал свои опыты именно как иллюстрацию, как модель строения атомов и структуры молекул. Он даже объяснял на основе этой модели многие свойства веществ, такие как рост объёма некоторых тел (к примеру, льда) при затвердевании, аллотропию, изомеризм, связывая их с наличием у одного атома, молекулы нескольких возможных устойчивых форм, конфигураций [78, с. 372]. И действительно, как видели, атомы и частицы могут существовать в виде разных устойчивых конфигураций электронов и позитронов. Точно так же и плавающие магниты в опыте Майера могли образовывать несколько устойчивых правильных конфигураций, с различной степенью стабильности. И видимо, прав был Майер в том, что именно смена одной устойчивой конфигурации атома другой ведёт к изменению типа кристаллической решётки материала с изменением его объёма (смена аллотропных модификаций). Наличие определённой геометрической формы, далёкой от сферической, объясняет, как заметил Майер, и расширение некоторых тел при кристаллизации. Ведь упорядоченная постройка из кубиков, где они связаны вершинами (Рис. 171), имеет больший объём, чем тех же кубики, сваленные в одну кучу. Так же и кубические, бипирамидальные атомы при кристаллизации вещества могут увеличить удельный объём тела в сравнении с жидким его состоянием, что наблюдается у таких веществ, как вода, германий, галлий, сурьма, висмут (§ 4.17.). Такое расширение представляет большую проблему для квантовой теории с её бесструктурными, размытыми сферическими атомами. Интересно, что ещё Демокрит и Лукреций высказывали эту мысль о влиянии на свойства тела не только составляющих его частиц, но и порядка их расположения в атоме, образуемых ими конфигураций, словно букв в словах (§ 5.16.).

Если рассматривать электроны и позитроны как жёсткие заряженные шарики с радиусом равным классическому радиусу электрона r0, они вполне могут образовать стабильные комплексы - элементарные частицы и ядра. Притягиваемые заряды сближаются и образуют кристаллическую решётку, как в кристалле соли. Но дальнейшее сближение либо рождает силы отталкивания, либо ослабляет кулоновское притяжение. Это и задаёт равновесное расстояние между частицами равное классическому радиусу r0=2,8·10-15 м, потому-то их и можно считать жёсткими шариками. Нарушение кулоновского закона при сближении до r0 связано с механизмом электрического взаимодействия (§ 3.18.) и признаётся физиками [60]. Электронные комплексы, как выяснили, могут иметь и другой характерный масштаб, отличный от r0 и куда более крупный, сопоставимый с радиусом атома a0=5,3·10-11 м, на котором так же должны возникать отклонения от законов Кулона (§ 3.7., § 3.18.). Вдобавок кроме электрических есть ещё магнитные силы взаимодействия электронов. Всё это, как видели, и позволяет им образовать устойчивые электронные слои масштаба a0, задавая характерный размер атома. Электроны сближаются вплоть до взаимопроникновения их сфер распада, после чего сближение электронов или образованных ими атомов останавливается.

Сопротивление атомов или электронов сближению соответствует известному в квантовой механике принципу запрета Паули, по которому два электрона не могут занять одно состояние. В классике этот закон возникает не как формальное правило, но как естественное следствие наличия у частиц (электронов и позитронов) эффективного радиуса отталкивания, отчего те ведут себя как жёсткие шарики, не способные занять одну позицию в атоме. Если один электрон занял своё положение на электронном уровне, другой уже не сможет там очутиться. Для него не будет места, как нет места в занятой ячейке для яиц. Итак, электрон-позитронная решётка, сетка имеет, подобно миллиметровке, два характерных масштаба с разницей в 104–105 раз (§ 3.7.). Один масштаб, с шагом решётки в 10–15 м (1 ферми), определяет характерные размеры ядер и элементарных частиц. Другой, с шагом в 10–10 м (1 ангстрем) задаёт типичные размеры атомов, длины связей в молекулах. Переход от крупного масштаба к мелкому происходит по достижении частицами энергий, достаточных для преодоления отталкивания.

Наличие двух масштабов расстояний между электронами и позитронами имеет много важных следствий. Подобие двух этих сеток объясняет аналогию химических и ядерных процессов. Не зря механизмы распада или синтеза молекул и ядер, выделение и поглощение энергии в реакциях во многом сходны. Ведь в обоих случаях происходит соединение и распад кристаллических комплексов, сцепляемых электростатическими силами притяжения электрон-позитронной решётки. Отличаются лишь масштабы. И поскольку масштабы расстояний отличны в 105 раз, соответственно различаются и величины сил, выделяемых энергий и энергий связи. Ведь энергия кулоновского взаимодействия зарядов пропорциональна 1/r. И точно, характерные энергии связи электронов в атоме и самих атомов, энергии единичных актов химических реакций составляют единицы электронвольт, а энергии связи ядер, нуклонов, энергии распадов измеряются мегаэлектронвольтами – то есть в 106 раз больше (§ 3.12., § 3.13.). Энергия химической связи, ионизации атома в несколько электрон-вольт - это по сути энергия электрического взаимодействия E=e2/4πε0R электрона с позитроном, с электрон-позитронной сеткой в атоме на межэлектронном расстоянии в слое R= a0=5,3·10-11 м. А характерная энергия единичного акта ядерной реакции - это суть энергия взаимодействия E=e2/4πε0R электрона с позитроном или электрон-позитронной решёткой на расстоянии R= r0=2,8·10-15 м.

Итак, классическая модель атома мало того, что помогает наглядно и естественно объяснить механизм химической связи, но и позволяет установить глубокую аналогию химических и ядерных процессов, энергий и связей. Интересно, что эта по сути геометро-механическая модель связи, впервые предложенная Демокритом, развитая Ленгмюром, но потом забытая, ныне вновь обрела признание, скажем в органической химии, в теории обонятельных рецепторов, где присоединение атомов и молекул часто происходит по принципу соответствия их геометрической формы, по принципу ключ-замок.



    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   70   71   72   73   74   75   76   77   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет