Глава 13. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ
§ 13 -1. Немного истории и
современная наука о химических связях
Я не химик, где то в 2014 году, я прочитал энциклопедию по химии написано, ясно понятно и прекрасно. Все Выводы и заключение говорят о том, что наука "ХИМИЯ" знает всё об изучаемом ей предмете. Однако Созданная и разработанная мной "Теория сверхплотного пространства" меняет саму основу химии и Закона "О неизменности массы вещества при химических реакциях". Поэтому излагаю выдержки из Энциклопедии со своими замечаниями.
Во Вселенной существует незначительное количество вещества в виде химических соединений: это планеты, в том числе планеты Солнечной системы. Основная масса вещества в различных звёздах и галактиках во Вселенной существует в виде плазмы, в которой не существует химических соединений. Но мы с вами живём как раз на поверхности планеты, и сами являемся электрохимическими механизмами, поэтому для нас так важна наука, называемая химией. Химики, с гордостью утверждая свои приоритеты, абсолютно справедливо говорят о том, что в многоликой и бесконечной Природе Вселенной, находится всего лишь немногим более 100 видов атомов и свыше 20 миллионов химических соединений.
Мы знаем, что к пониманию основных свойств вещества наука пришла через изучение их химических свойств. Однако когда в XX веке, исследователи получили возможность проникать в «глубины» атомов, именно тогда появились некоторые знания о строении атомов, и перед исследователями стали постепенно разворачиваться физические картины, лежащие в основе химических связей и объясняющие их. В то же время, нельзя отрицать и тот факт, что современная физика всё ещё не имеет полной картины для достаточно ясного физического объяснения химических свойств вещества. Смею надеяться, что разработанные в моих работах физические свойства электрона и картины строения ядер атомов, позволят химикам лучше представлять глубинные причины химических связей.
Как следует из истории науки, важное открытие, касающееся химической связи, принадлежит нидерландскому химику Якобу Вант-Гоффу.
В те годы в середине XIX века ещё не было разделения на физиков и химиков, были математики и философы, Вант-Гофф был доктором натуральной философии. Он доказал, что четыре связи атома углерода в органических соединениях направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится сам атом. Это означало, что химические связи имеют жёсткую направленность, а молекулы характеризуются определенной геометрической формой. В 1874 году он сформулировал теорию пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений, лежащую в основе современной стереохимии.
В самом конце XIX века, в 1897 году английский учёный Джозеф Джон Томсон открыл существование электрона. В той же статье, в которой сообщалось, об открытии электрона, Томсон предположил, что между атомами в молекуле действуют электрические силы, причём один конец химической связи имеет положительный заряд, а другой отрицательный. Эта идея легла в основу всех последующих теорий химической связи.
В 1916 году американский химик Гилберт Ньютон Льюис (1875-1946) предположил, что при образовании химической связи возникают пары электронов, которые принадлежат сразу двум атомам. Тем самым атомы заполняют до конца свой внешний электронный уровень и приобретают конфигурацию благородных газов. Льюис назвал это правилом октета, так как атомы благородных газов имеют на внешней оболочке (орбитали) восемь электронов. С помощью этого правила удалось объяснить электронное строение огромного количества соединений. А связь, образованная за счёт общей пары электронов, получила название ковалентной.
Для объяснения таких связей Льюис создал своеобразное, достаточно качественное графическое изображение расположения электронов, которое наглядно объясняет его идеи.
В центре кубов показан атом гелия, в углах кубов расположены электроны атомов 2 и 3 периодов таблицы химических элементов.
Более точное представление дал в 1957 Роналд Джеймс Гиллеспи. Он создал систему постулатов и правил для объяснения и предсказания геометрической конфигурации молекул на основе принципа Паули и модели отталкивания электронных пар валентных орбиталей.
Согласно Гиллеспи, пространственная направленность химических связей поливалентного атома в молекуле зависит, прежде всего, от общего числа электронов в его валентной оболочке (орбитали). Электронные облака, связывающих атомы электронных пар и электронов на несвязывающих орбиталях (т. е. неподеленных пар валентной оболочки атомов) грубо представляются в виде жестких сфер соответственно меньшего и большего диаметров. Атомный остов, включающий ядро и внутренние электронные оболочки, так же считается сферическим (с некоторыми исключениями). Сферические облака электронных пар окружают остов так, что их взаимное отталкивание минимально, т. е. они максимально удалены друг от друга. Такая модель позволяет оценивать валентные углы в молекулах.
На рисунке представлены возможные идеальные варианты различных атомов с расположением электронов, на максимально возможном расстоянии друг от друга. Они образуют соответственно различные геометрические фигуры.
Рисунок № 1
Идеальные конфигурации и значения валентных углов для молекул с числом сфер одинакового диаметра приведены в таблице.
§ 13 -2. Свойства электронов, лежащие в основе
химических связей
Итак, наука о химических связях говорит, что: - «Сферические облака электронных пар окружают остов так, что их взаимное отталкивание минимально, т. е. они максимально удалены друг от друга. Такая модель позволяет оценивать валентные углы в молекулах». Сегодня такая теория объясняется принципом Паули, ниже я предлагаю рассмотреть, что же на самом деле физически – реально и материально лежит в основе принципа Паули?
Ещё в 1986 году, мной была создана Теория заряда-импульса электрона; здесь она изложена в 3-ей Главе, в которой подробно рассмотрены свойства электрона. Импульс как следует из механики, - всегда вектор, имеющий определённое направление в пространстве. Таким образом, электрический заряд - импульс-вектор любого электрона в атоме вещества всегда направлен в сторону соответствующего конкретного протона, находящегося в ядре атома. Кроме того, вокруг электрического импульса действует магнитный импульс электрона, который совместно с электрическим импульсом заряда электрона создаёт электромагнитные свойства электрона.
В атоме, все отрицательные заряды-импульсы каждого электрона направлены строго к центру атома, к его ядру, имеющему положительный заряд, а перпендикулярные им магнитные импульсы электронов, при взаимодействии друг с другом отталкиваются друг от друга. Эти магнитные свойства электронов, отталкиваться на максимально возможные расстояния, проявляются особенно наглядно в каждой наружной орбитали, образуя указанные фигуры Гиллеспи, и, соответственно, обнаруживаются в конфигурации химических молекул и кристаллов. По идее Гиллеспи, все электроны атома во всех орбиталях, располагаются с учётом их отталкивания на максимально возможное расстояние, тот же принцип, по его мнению, действует во взаимодействиях электронов между собой расположенных в соседних орбиталях.
Исходя из этого, образуется сложная, но интересная картина расположения всех электронов в каждом атоме. Если говорить о модели Кеннета Снельсона, то она ничем не отличается от принципов Гиллеспи, кроме рисунка. Нарисованные Снельсоном кольца только лишний раз доказывают существование магнитных импульсов электронов. Они являются как бы графическим изображением магнитных полей электронов, образуемых в соответствии с моей теорией, магнитными импульсами электронов, в SP-пространстве атомных орбиталей Шредингера.
Примечание: Исследование импульсов энергии электрона, в том числе магнитного, описано в моей книге: «О физических свойствах пространства. Взаимодействие вещества и пространства» ISBN 978-5-9902379-1-9 издания 2010 года, и в книге: «Некоторые проблемы натуральной философии» ISBN 978-5-99-02379-3-3 издания 2013 года.
Для наглядного изображения энергии электронного облака в молекулах используют понятие электронной плотности. Для изображения электронной плотности обычно используют поверхности равной плотности. Для этого в трёхмерном изображении выбирают определённый интервал энергии и показывают все точки в пространстве, в которых электронная плотность принимает одинаковое значение. Если выполнить сечение, проходящее, как правило, по центрам ядер атомов молекулы, то мы можем на полученной плоскости сечения рассматривать значения электронной плотности в определённом нами масштабе на этой плоскости.
Рисунок № 2
На рисунке представлены (слева на право) молекулы LiH; H2; HF. Поверхности с уровнем 0,002 свидетельствуют о том, что в молекуле LiH электроны смещены к атому водорода. В молекуле H2 электронная плотность поровну поделена между атомами, в молекуле HF она смещена к фтору. Форма уровней электронных плотностей даёт достаточно реалистичное представление о геометрии молекул.
§ 13-3. SP-пространство и энергетические, квантованные
орбитали электронов в атомах вещества.
Физическое материальное понимание пространства атома определенно в разработанной мной Теории сверхплотного пространства (ТСП) - SP-пространства (Глава 11). В этой теории, квантованные энергетические орбитали атомов являются физической реальностью в материальных SP-оболочках атомного ядра. Выше мы говорили о том, что размер атома водорода, то есть расстояние от ядра до электрона в 10000 раз больше размера ядра атома, весь этот громадный, по атомным меркам объём, занят SP-пространством. Мне также удалось создать Теорию строения (конструкции) ядер всех атомов химических элементов. Они размещены в Таблице Липова Б.Е - "Последовательная система образования структур ядер атомов химических элементов.» (Теория и таблица представлены в Главе 12).
Из этой таблицы следует, что квантованные орбитали, на которых находятся электроны атомов, существуют в объёме SP-пространства атома не только потому, что их рассчитали великие физики, но потому, что они совершенно точно соответствуют расположению положительных зарядов – протонов, внутри атомных ядер, и действии электромагнитной ЭНЕРГИИ протонов. Таким образом, математическая конструкция, созданная гением физиков, с созданием теории SP-пространства, и разработанной мной «Последовательной системы образования структур ядер атомов элементов», становится материальной.
Квантованные орбитали являются уровнями энергии SP-пространства, созданными протонами ядра в SP-оболочке атома – материальной среде пространства, окружающей ядра атомов.
До настоящего времени никто не задумывался, о том, почему электроны в атоме имеют так называемые s, p, d, f - орбитали. Группу орбиталей с одинаковым квантовым числом называют оболочкой. Оболочку с n = 1 называют K-оболочкой; с числом n = 2 называют L-оболочкой с числом n = 3 M-оболочкой и.д. Исключительное значение имеет предположение физиков, что квантованные оболочки, на которых находятся электроны атомов, определяются уровнем энергии.
Физики полагают, что с увеличением числа n увеличивается энергия квантованной оболочки, то есть энергия М-оболочки выше энергии К-оболочки, и так далее. В то же время они считают, что в каждой оболочке имеются подоболочки образуемые орбиталями - s, p, d, f, при этом в том же порядке увеличивается их энергия, то есть низшая энергия у подоболочки – s, высшая у подоболочки – f.
В своих книгах я пишу о том, что материальные SP-оболочки сверхплотного пространства окружают ядра атомов. Электромагнитная энергия протонов ядра создаёт в SP-оболочках кантованные орбитали, на которых находятся электроны атомов. Электроны не вращаются на квантованных орбитах, так как не имеют для этого энергии, но пульсируют на них, притягиваясь к ядру. Электроны не падают на ядра, не потому, что в квантовой механике существует красивая теория (Принцип неопределённости), а потому, что они пульсируют на поверхности материальных квантованных энергетических орбиталей в SP-оболочках сверхплотного пространства атома.
§ 13-4. Экзотермические и эндотермические
реакции. Закон сохранения масс Лавуазье –
Ломоносова не верен. Излучение и поглощение квантов энергии веществом
В современной науке все рассуждения об энергии системы электронов в атоме носят чисто математический характер, физики и химики говорят о том, что главный результат образования химической связи – уменьшение энергии системы ядер и электронов атома, и что он достигается путём совместного использования электронов разными ядрами. В объяснении физики и химики, часто забывают указать, что, например, при соединении двух атомов водорода не просто уменьшается их энергия на величину 268 кДж/моль, а то, что эта энергия излучается в пространство в виде квантов электромагнитного излучения, имеющих вполне определенную длину и частоту.
Физики в современной квантовой механике, построенной на идее модели атома Бора, утверждают, что излучение квантов энергии при химических реакциях производят электроны атомов при экзотермических реакциях, а при эндотермических реакциях электроны поглощают кванты энергии.
В то же время, в квантовой механике мнения физиков о взаимодействии квантов света с электронами весьма противоречивы, они пишут: «С квантовой точки зрения, рассеяние света, как и фотоэффект, являются результатом взаимодействия квантов света падающего на вещество с электронами этого вещества».
Это свойство электронов сообщёно нам физиками, несмотря на то, что далее они сообщают нам совершенно противоположное: «Для свободных электронов, при произвольных значениях – v, отличных от нуля и бесконечности эти два условия не могут выполняться одновременно, это противоречит законам сохранения энергии. Поэтому фотоэффект может происходить только на «связанных электронах, находящихся в атоме вещества». Далее они говорят ещё более категорично: «Однако, не смотря на всю красоту обменной схемы взаимодействий, она вообще не имеет права на существование; так как элементарные процессы вида:
а ←→ а + Х, запрещены законом сохранения энергии, и реально не протекают; например свободный электрон не может ни поглотить ни испустить квант энергии света».
Но тогда мы вправе задать вопрос: - имеют ли «связанные в атоме электроны, «взаимодействующие с квантами света», другие свойства, отличные от свойств свободных электронов? Можно сказать и так: - изменяет ли электрон свои свойства, если он находится в атоме вещества. Ответ однозначный - «связанные в атоме электроны» имеют те же свойства, что и свободные электроны.
Читатель вправе задать вопрос, что же тогда является той физической основой, благодаря которой при химических реакциях выделяется и поглощается энергия, если этого не делают электроны. И здесь я вынужден ещё раз вернуться к ковалентным связям и ковалентным радиусам, мне кажется это более наглядной картиной взаимодействия.
Ниже на рисунке показаны ковалентные и вандерваальсовы радиусы водорода и хлора.
Рисунок № 3
Рисунок а – молекула Н2; rК - ковалентный радиус равен 0,037 нм, rВ – вандерваальсов радиус равен 0,12 нм;
Рисунок б – молекула Cl2; rК – 0,104 нм, rВ – 0,180 нм
Рисунок в – молекула HCl; lCB – длина связи равна сумме ковалентных радиусов водорода и хлора – 0,141 нм.
Рассматривая плоское изображения атомов в молекулах на рисунке № 3, мы должны помнить, что реально, атомы и молекулы вещества занимают в пространстве определённый объём. На этих рисунках, очевидно, что общий объём атомов в молекулах меньше суммарного объёма атомов. взятых по отдельности.
В предыдущей статье вы рассмотрели представленную мной Теорию сверхплотного пространства, из которой следует, что элементарные частицы, в том числе нейтроны и протоны, имеют оболочку сверхплотного пространства - SP-оболочку. В целом энергия этой оболочки равна энергии элементарной частицы W = m·c2. Следовательно, масса элементарной частицы равна m = W/c2, то есть энергия частицы и её масса зависят от величины оболочки. Следовательно, при изменении величины оболочки изменяется как величина энергии, так и масса элементарной частицы. Далее из моей теории сверхплотного пространства следует, что при образовании ядра атома из нескольких протонов и нейтронов, часть оболочки каждого нуклона (нуклон - общее название нейтронов и протонов в ядре атома) становится принадлежностью общей SP-оболочки атома в целом.
То есть весь объём каждого, любого атома, фактически заполнен сверхплотным пространством – SP-пространством.
В то же время протоны атомного ядра, в зависимости от своего расположения в атомном ядре, создают в общей оболочке SP-пространства атома - квантованные энергетические орбитали Шредингера, на которых находятся электроны атома. При этом каждый протон атомного ядра, добавляет, часть своей энергии в ту или иную энергетическую орбиталь в зависимости от своего расположения в ядре атома. После того как была отвергнута теория строения атома Гейзенберга, а волновая теория де Бройля не достаточно качественно описывала объёмный характер волн электрона, Шредингером была создана теория орбиталей, в которых главной является характеристика энергетического состояния пространства атома, в котором находятся его электроны.
Однако как раз в те годы, когда физиками с подачи Эйнштейна была отвергнута теория эфира и пространство стали считать пустым, встал философский вопрос, что же собой представляют пространственные орбитали Шредингера физически. Макс Борн предложил читать их абстрактным математическим феноменом. С появлением моей Теории сверхплотного пространства и SP-оболочек сверхплотного пространства, энергетические орбитали Шредингера приобрели физическую основу.
Стало понятным, что энергия протонов создаёт энергию не в пустоте, а в материальной среде сверхплотного пространства атома. Стало понятным, что уровни энергии электронных орбиталей атома, определяемые уравнениями Шредингера, являются уравнениями энергии, описывающими энергетическое состояние среды сверхплотного пространства, в котором находятся электроны атомов.
Физики и химики, определили, что главный результат образования химической связи – уменьшение энергии системы ядер и электронов атома, он достигается путём совместного использования электронов разных атомов. Уменьшение энергии атомов в молекуле сопровождается излучением квантов энергии и уменьшению объёма сверхплотного пространства атома. Это видно на рисунке 3. Следовательно, в соответствии с Эйнштейном, изменяется не только энергия атомов, участвующих в химических взаимодействиях, но и соответственно масса атомов эквивалентная излучаемых квантов энергии. Изменение массы при химических реакциях делает несостоятельным закон сохранения масс Лавуазье - Ломоносова.
Статья из книги"Физика и философия вещества и пространства" издательство "Спутник+" г. Москва 2019 года. Можно посмотреть на сайте: WWW. b-lipov.irkutsk.ru в книге "Физика вещества и пространства".