 |
Глава 18. Простые соединения
|
|
|
|
Глава 18
Простые соединения
В предыдущих главах мы выделили определенные комбинации простых вращений, устойчивых в материальном секторе Вселенной, и отождествили каждую из комбинаций (в экспериментальной области) с наблюдаемой субатомной частицей или атомом элемента. Затем мы продемонстрировали, что в космическом секторе имеется точный дубликат системы материальных комбинаций вращения, но с переворотом пространства и времени. Также, все наблюдаемые частицы, не принадлежащие материальному сектору, мы определили как атомы или частицы космического сектора. Мы установили согласованность между теоретическими и наблюдаемыми структурами в той степени, в какой имеются данные наблюдений и экспериментов. Поскольку объем информации растет, у петли нет конца. Все наблюдаемые сущности соотнесены с теорией. В отношении ненаблюдаемых сущностей нам пока придется довольствоваться теоретическими объяснениями.
Количество наблюдаемых частиц значительно увеличивается за счет общепринятой договоренности рассматривать частицы одного и то же вида, но с разными электрическими зарядами, как разные частицы. Сейчас мы не будем рассматривать действия электрических зарядов, поскольку существование зарядов не оказывает влияния на базовую структуру единицы. Заряды могут играть значимую роль при рассмотрении следующих вопросов: 1) будут ли происходить определенные виды реакций при определенных условиях; 2) влияют ли заряды на детали таких реакций; 3) может ли наличие, как таковое, или присутствие концентраций кинетической энергии оказывать материальное влияние на ход событий. Дело в том, что электрический заряд не является частью базовой структуры атома или субатомной частицы. Как выяснится при рассмотрении электрических явлений, относительно легко прибавляться или убираться может именно компонент времени. Следовательно, электрически заряженный атом или частица являются модифицированной формой первичной комбинации вращения, а не абсолютно другим видом структуры.
|
|
|
Однако наше исследование базовых структур еще не завершено, поскольку имеются некоторые соединения определенных элементов, которые сопротивляются распаду и выступают как отдельные единицы в процессах с низкой или умеренной энергией. Такие соединения или молекулы играют очень важную роль в физической активности. И чтобы завершить исследование единиц, из которых состоят совокупности материи, сейчас мы займемся развитием теории структуры молекул и определим, какие виды молекул теоретически возможны.
Концепция молекулы появилась из учения о поведении газов, и исходная формулировка была по сути эмпирической. Согласно исходному определению, в совокупности газа молекула является независимой единицей. Но такое определение не распространяется на твердые тела, поскольку независимой единицей в твердых телах обычно является индивидуальный атом или небольшая группа атомов. Поэтому в твердых телах молекула не обладает физической идентичностью. В целях расширения области применения концепции молекулы, скорее на теоретической, чем на эмпирической основе, ей дали новое определение. Как она понимается сейчас, молекула - это мельчайшая единица вещества, способная (теоретически) независимо существовать и сохранять все свойства вещества.
Атомы молекулы удерживаются вместе межатомными силами, природа и величина которых будут детально исследоваться позже. Интенсивность действия межатомных сил не зависит от того, будут ли молекулы распадаться под действием разрушающих сил, и от влияния способа, как определенные атомы объединяются в молекулу. Как одни атомы могут объединяться с другими атомами, и в каких пропорциях обуславливается абсолютно другим набором факторов.
|
|
|
Современная теория допускает, что факторы, отвечающие за межатомную силу или “связь”, обладают двойной функцией. Они определяют не только интенсивность силы сцепления, но и то, какая комбинация будет иметь место. Результаты современного исследования указывают на то, что сила, обуславливающая расстояние равновесия между двумя атомами, возникает одинаково и обладает идентичной характеристикой, невзирая на вовлеченные в процесс атомы и способность этих атомов принимать участие в формировании молекулы.
Опыт свидетельствует о том, что было бы полезно подчеркнуть независимость вышеуказанных двух аспектов от межатомного взаимодействия. Исходя из этого, план представления, разработанный в первом издании, будет меняться. Как уже упоминалось, информация, связанная с молекулярной структурой, будет предоставляться до того, как будет предпринято исследование межатомных сил. Кроме того, преимущества использования знакомого термина “связь” для описания разных молекулярных структур перевешиваются тем, что термин “связь” почти неминуемо подразумевает обозначение какого-то вида силы. Поскольку разные молекулярные “связи” отражают относительные ориентации вращений взаимодействующих атомов, мы будем избегать употребления термина “связь” в этом смысле. В нынешних целях мы будем заменять его термином “ориентация”. В следующей главе термин “связь” будет использоваться в другом смысле, где будет действительно относиться к силе.
Существование молекул, будь то комбинации определенного числа одинаковых атомов или химические соединения - комбинации разных атомов, - обуславливается ограничениями, связанными с межатомным равновесием. В свою очередь межатомное равновесие обуславливается существованием движения во времени в электрическом измерении атомов определенных элементов. Подобным ограничениям не подвергаются те элементы, атомы которых вращаются только в пространстве (положительное смещение во всех измерениях вращения), или способны обретать положительный статус посредством переориентации на основе 8 – x. Атом элемента такого вида может устанавливать равновесие с любыми другими атомами в любых пропорциях, хотя пропорции ограничиваются степенью влияния физических свойств вовлеченных элементов (точки плавления) или условий окружающей среды (температура). Материальные совокупности такого вида называются смесями. В некоторых случаях, если смеси однородны, а состав постоянен, используется термин сплав.
|
|
|
Имеется класс интерметаллических соединений, в которых положительные составляющие комбинируются в определенных пропорциях. К соединениям такого класса относятся CuZn и Cu5Zn8. Комбинации меди и цинка не ограничиваются определенными отношениями, какими ограничивается состав реальных химических соединений. Коммерчески важные сплавы двух металлов занимают целую область, начиная с латуни (90% меди и 10% цинка) и кончая припоем (50% меди и 50% цинка). Вероятные сплавы выходят за рамки этих пропорций. Интерметаллические соединения – это такие сплавы, пропорции которых особенно благоприятны с геометрической точки зрения. В учебниках по химии типичное описание таково: “Теория сил сцепления, вовлеченных в интерметаллические соединения, очень сложная и еще не очень хорошо понята”. Причина в том, что в таких субстанциях нет “сил сцепления” в том смысле, в каком этот термин употребляется в связи с реальными химическими соединениями.
Как было установлено, отрицательное вращение в электрическом измерении атома возможно по следующей причине: требование, чтобы общее результирующее смещение вращения было положительным (в материальном секторе), может удовлетворяться до тех пор, пока имеется положительное магнитное вращение. Однако в области времени внутри единицы расстояния электрические и магнитные вращения действуют независимо друг от друга. Существование случайно ориентированного электрического вращения во времени исключает сохранение фиксированного межатомного равновесия. Любое отношение пространства ко времени является движением, а движение нарушает равновесие. Однако в некоторых случаях равновесие может устанавливаться. Если два взаимодействующих атома ориентированы по линии взаимодействия так, что отрицательное смещение в электрическом измерении одного атома уравновешивается равным положительным смещением в одном из измерений второго атома так, тогда величина результирующего относительного движения равна нулю относительно естественного уровня. Или равновесие многоатомной группы может устанавливаться тогда, когда общие отрицательные смещения атомов с электрическим вращением во времени равны общим действующим положительным смещениям атомов, с которыми происходит взаимодействие.
|
|
|
В таких случаях устанавливается равновесие, поскольку общее результирующее, положительное и отрицательное смещение равно нулю. В качестве альтернативы равновесие может основываться на 8 или 16 единицах, поскольку, как мы обнаружили, между одной нулевой точкой и другой имеются 8 единиц смещения. Отрицательное смещение x может уравновешиваться положительным смещением 8 – x, что в сумме дает 8 и является следующей нулевой точкой, эквивалентной исходному нулю.
В качестве аналогии можно рассмотреть окружность, длина которой разделена на 8 равных частей. Любая точка на окружности может быть описана любым из двух способов: как x единиц от нуля по часовой стрелке или как 8 – x единиц от 8-ми против часовой стрелки. Расстояние 8 единиц от нуля по часовой стрелке эквивалентно нулю. Следовательно, равновесие между x и 8 – x со средней точкой в положении 8 эквивалентно равновесию между x и –x со средней точкой в положении нуля. Аналогичная ситуация возникает и в случае внутриатомного равновесия пространства-времени. До тех пор, пока относительное смещение двух взаимодействующих движений (результирующая двух индивидуальных величин) равно эквиваленту любой из нулевых точек, система пребывает в равновесии.
Из-за особых требований к установлению равновесия компоненты комбинаций такого вида - молекулы химических соединений - существуют в определенных пропорциях. Каждые n атомов одного компонента связаны с определенным числом атомов другого компонента или компонентов. Помимо постоянных пропорций компонентов соединения отличаются от смесей или сплавов тем, что их свойства не обязательно подобны свойствам компонентов, что обычно справедливо для всех положительных комбинаций. Они могут обладать другой природой, поскольку результирующая равновесия пространства-времени требуемого характера может сильно отличаться от любой из действующих величин вращения индивидуальных элементов.
|
|
|
Смещение вращения в измерении взаимодействия определяется объединенным “могуществом” или валентностью элемента. Поскольку отрицательное смещение является инородным компонентом материальной молекулы и для соединения должно уравновешиваться надлежащим положительным смещением, отрицательная валентность элемента – это число единиц действующего отрицательного смещения, которым обладает атом этого элемента. Из этого следует (с некоторыми возможными исключениями, которые будут обсуждаться позже), что у каждого элемента существует лишь одна величина отрицательной валентности. В любой определенной ориентации положительная валентность атома – это число единиц отрицательного смещения, которые могут нейтрализоваться, будучи ориентированы таким образом. Следовательно, каждый элемент обладает числом возможных положительных валентностей в зависимости от смещений вращения и разных способов их ориентации. Наличие альтернативных ориентаций во многом зависит от положения элемента внутри вращающейся группы. Готовясь к продолжению обсуждения этой темы, было бы желательно разработать классификацию в связи с положением элемента.
Внутри каждой вращающейся группы у элементов первой половины группы минимальное электрическое смещение положительное, а у элементов второй половины группы - отрицательное. Поэтому для соответствующих половин мы будем пользоваться терминами “электроположительный” и “электроотрицательный”. Однако следует понимать, что подобное деление основано на следующем принципе: самая вероятная ориентация в электрическом измерении, рассматриваемом независимо, - это ориентация, возникающая в результате минимального смещения. Из-за молекулярной ситуации в целом электроотрицательный элемент часто действует как электроположительный. Конечно, при некоторых условиях почти все электроотрицательные элементы играют положительную роль в химических соединениях, а многие поступают так при всех условиях; это не влияет на разработанную классификацию.
Также важные различия имеются между поведением первых четырех членов каждых серий положительных и отрицательных элементов и элементов с более высокими смещениями вращения. Поэтому мы будем делить каждую серию на нижнее деление и верхнее деление так, чтобы элементы с похожими общими характеристиками рассматривались вместе. Классификация будет основываться на величине смещения, причем в каждом случае нижнее деление будет включать элементы со смещениями от 1 до 4 включительно, а верхнее деление – от 4 и выше. Элементы со смещениями 4 принадлежат обоим делениям, поскольку способны действовать либо как самые высокие члены нижних делений, либо как самые низкие члены верхних делений. Следует осознать, что в электромагнитных сериях члены нижних делений обладают более высоким общим результирующим, положительным смещением (более высоким атомным номером).
В целях удобства деления внутри каждой вращающейся группы будут нумероваться в порядке увеличения атомного номера следующим образом:
| Деление I | Нижнее электроположительное |
| Деление II | Верхнее электроположительное |
| Деление III | Верхнее электроотрицательное |
| Деление IV | Нижнее электроотрицательное |
Эти деления приводились в пересмотренной таблице в главе 10. Как будет видно из последующего обсуждения, деление, к которому принадлежит элемент, обладает важным влиянием на его химическое поведение. Включение делений в таблицу значительно увеличивает объем предоставляемой информации.
При всех прочих равных обстоятельствах, если нормальное смещение x превышает 4, эквивалент смещения 8 – x численно меньше, чем x, и, следовательно, более вероятен. Одно из следствий вероятности – предоставление положительной валентности 8 – x преимущества над отрицательной валентностью в Делении III, и, таким образом, ограничение отрицательных компонентов химических соединений до элементов Деления I, кроме одного случая, когда элемент Деления III обретает статус Деления IV по причинам, которые будут обсуждаться позже.
Если положительный компонент соединения является элементом Деления I, нормальное положительное смещение этого элемента пребывает в равновесии с отрицательным смещением элемента Деления IV. В таком случае оба компонента ориентированы в соответствии с их нормальными смещениями. То же справедливо, если оба компонента двойные или множественные. Поэтому мы будем называть это нормальной ориентацией. Соответствующие нормальные валентности - это положительная валентность (x) и отрицательная валентность (-x).
Теоретически, любой элемент Деления I может вступать в соединение с любым элементом Деления IV на основании нормальных валентностей. И все такие соединения должны быть устойчивыми при благоприятных условиях. Но будет ли любое определенное соединение такого типа устойчивым или нет в обычных земных условиях, определяется соображениями вероятности. Точная оценка вероятностей еще не произведена, но, представляется, что одним из главных факторов ситуации является общий принцип: нижнее смещение вероятнее, чем верхнее. Если мы сверим теоретически возможную нормальную валентность соединений с соединениями, перечисленными в учебнике по химии, в списке простых соединений мы обнаружим почти все нижние положительные – нижние отрицательные комбинации. Нижние положительные – верхние отрицательные и верхние положительные – нижние отрицательные комбинации представлены гораздо менее полно, а верхние положительные – верхние отрицательные комбинации и вовсе редки.
Еще один главный фактор – геометрическая симметрия создающейся кристаллической структуры. Например, бинарное соединение четырех двухвалентных элементов (RX) вероятнее, чем соединение четырехвалентного и трехвалентного элементов (R3X4). Влияние обоих факторов вероятности ярко выражено в Делении II, где смещения, соответствующие нормальной валентности, обладают относительно высокими величинами 5 или больше. Отсюда, в этом Делении такая валентность используется лишь в ограниченной степени и обычно заменяется одной из альтернативных валентностей.
Поскольку основное требование к образованию химического соединения – нейтрализация отрицательного электрического смещения, альтернативные, положительные валентности – это результаты разных способов ориентации вращения атома с целью достижения действующего положительного смещения. Ввиду того, что каждый вид валентности соответствует определенной ориентации, последующее обсуждение будет проходить в терминах валентности, и в каждом случае будет подразумеваться наличие соответствующей ориентации.
Преобладающая валентность Деления III основывается на балансировании смещения 8 – x (положительного из-за переворота нулевой точки) со смещением отрицательного компонента. Результирующее относительное смещение равно 8, что, как объяснялось раньше, эквивалентно нулю. Мы будем называть его нейтральной валентностью. Нейтральная валентность играет важную роль в соединениях элементов Деления IV.
В верхней части Делении III члены групп 4А и 4В не могут пользоваться нейтральной валентностью 8 – x потому, что у этих элементов величины 8 – x меньше нуля, и, следовательно, незначимы. Такие элементы образуют соединения на основании следующего более высокого эквивалента нулевого смещения. Между уровнем 8 – x и следующим эквивалентом нуля имеются две действующие первичные единицы движения и 8-единичное приращение. Таким образом, в этой точке общее действующее смещение равно 18, а вторичная, нейтральная валентность равна 18 – x. Типичными сериями соединений, пользующихся этой валентностью, являются окиси элементов группы 4А Деления III - HfO2, Ta2O5, WO3, Re2O7 и OSO4.
Соображения симметрии благоприятствуют балансированию двух электрических смещений и, если позволяют условия, сведению их к необходимому равновесию пространства-времени. Но если электрическая ориентация в целом сталкивается с трудностями, в межатомном равновесии может играть положительную роль одно из магнитных вращений. Магнитные валентности, использующиеся в магнитно-электрических ориентациях – самая обычная основа комбинаций в Делении II, где положительные валентности высокие, а нейтральные исключены потому, что смещение 8 – x отрицательное. Если позволяют соображения вероятности, магнитные валентности появляются и в трех других делениях.
Каждый элемент обладает двумя магнитными вращениями и, следовательно, двумя вероятными магнитными валентностями первого порядка. В альтернативных группах, если не вмешиваются влияния окружающей среды, оба вращения равны. На этом основании в половине групп число магнитных валентностей сводится к 1. Однако как мы видели в обсуждении вращения атома в главе 10, любой элемент может вращаться с прибавлением положительного электрического смещения вращения к магнитному вращению и с прибавлением отрицательного электрического смещения вращения к следующему более высокому магнитному вращению. Вследствие такой гибкости ограничение элементов альтернативных групп до элементов с магнитной валентностью 1 относится только к элементам Деления I. Здесь ограничение не имеет никакого реального значения, поскольку в любом событии элементы этого деления мало пользуются магнитной валентностью из-за высокой вероятности нижних положительных валентностей.
Чтобы отличить две магнитные валентности друг от друга, мы будем называть большую из них первичной валентностью, а меньшую – вторичной магнитной валентностью. Ни одна из валентностей не обладает вероятностным преимуществом над другой, но значительное влияние оказывают ранее упомянутые соображения геометрии. Например, если магнитная валентность может быть либо 2, либо 3, комбинация с трехвалентным, отрицательным элементом принимает форму R3X2, если магнитная валентность равна 2, и форму RX, если превалирует альтернативная валентность. Форма RX более симметричная и, отсюда, более устойчивая структура. И наоборот, если отрицательный элемент обладает валентностью 4, структура R2X, образовавшаяся на основе магнитной валентности 2, симметричнее, чем структура R4X4, возникающая, если магнитная валентность равна 3. Следовательно, первая обладает преимуществом.
Многие из теоретически возможных соединений магнитной валентности, пребывающие на границе устойчивости и не возникающие как независимые единицы, устойчивы в соединении с некоторыми другими комбинациями валентности. Например, имеются три теоретически возможные окиси углерода с валентностью первого порядка: CO2 (положительная электрическая валентность), CO (первичная магнитная валентность) и C2O (вторичная магнитная валентность). Первые две - простые соединения, а C2O нет. Имеется и еще одно хорошо известное соединение C3O2, которое, очевидно, является комбинацией CO C2O. Как мы увидим позже, способность менее устойчивых комбинаций участвовать в сложных структурах играет важную роль в сложных образованиях.
Элементы с валентностью первого порядка (уже обсужденной валентностью) сведены в Таблицу 7. На основании этих валентностей формируется огромное большинство реальных химических соединений.
|
|
|
