Текст книги "Мир вокруг нас"

Автор книги: Этэрнус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 22 страниц)

Молекулы

Молекулы – объекты, образующиеся благодаря особым электромагнитным взаимодействиям между атомами, – т. н. сильным химическим связям. (Существуют, помимо сильных, и слабые химические связи, – межмолекулярные, важные для понимания ещё более высоких уровней вещества, о которых – чуть позже).

Только сильные химические связи приводят к образованию молекул = сильных систем (= ведущих себя как единое целое, более чем как совокупность атомов).

Сильные химические связи традиционно подразделяют на ковалентные (полярные и неполярные), ионные и металлические, хотя все эти типы связей (как и слабые химические связи (Ван-дер-Ваальса, водородные, т. п.)) – разные крайние проявления одних и тех же закономерностей, лежащих в основе химической связи.

Химические взаимодействия атомов (а все химические взаимодействия – производны от электромагнитного взаимодействия), заключаются в смещении т. н. электронной плотности (в некоторой аналогии со смещением кварковой плотности), внешнего(-их) электрона(-ов), от ядра одного атома к другому, или в середину расстояния между ядрами (атомами), что оказывается энергетически выгодно.

В типичном случае, из двух электронных орбиталей, принадлежащих разным атомам – формируется единая, т. н. молекулярная орбиталь, электронная плотность которой – принадлежит одновременно двум ядрам, т. е. связывает последние.

Геометрическая форма молекулярной орбитали, и энергия связи, обусловленная ей – могут быть рассчитаны при помощи уравнения Шрёдингера, применённого для случая многоцентровой связи (т. е. связи электрона не с одним ядром, а с двумя и более, что имеет место в молекуле). Электрон молекулярной орбитали образует т. о. стоячую волну, электронная плотность которой рассредоточена между двумя или более ядрами. Некоторые примеры таких орбиталей (и = химических связей) – см. на рис. 227.

Рис. 227 ^[XIX]. Исходные атомные орбитали (1s и 2p), и образуемые из них, молекулярные орбитали

Электронная плотность связующих (наружных) электронов в молекуле, как было упомянуто выше – может разделяться между ядрами (атомами) неравномерно: она смещается в сторону т. н. более электроотрицательного атома молекулы. Электроотрицательность, определяемая как стремление атома принять дополнительный электрон, или не отдавать уже имеющийся – наиболее высока у атомов галогенов и благородных газов, и является наименьшей – у щелочных металлов, см. рис. 228.

Рис. 228 ^[XX]

Низкую электроотрицательность щелочных металлов – можно понять уже из того, что у атомов этих элементов, электроны впервые начинают занимать более высокую электронную оболочку, расположенную на единицу расстояния дальше от ядра, чем предыдущая (по упоминавшемуся ранее, правилу площади сфер = оболочек). Экспериментальным свидетельством в пользу этого – является наиболее высокий эффективный радиус атомов щелочных металлов, по сравнению с атомами предыдущих элементов в таблице Менделеева, см. рис. 229. При дальнейшем же заполнении оболочки, второй электрон s-подоболочки, и электроны p-подоболочки – добавляются уже на то же расстояние от ядра, что и первый электрон, но из-за одновременного увеличения числа протонов в ядре, притяжение каждого добавляемого электрона к ядру, а также электронов всего атома в целом – возрастает, и атом сжимается (рис. 229). Т. е. сила связи внешних электронов с ядром, в последовательности от щелочных металлов к галогенам и благородным газам – возрастает, = растёт электроотрицательность атома.

Рис. 229 ^[XXI]

Теперь учтём увеличение плотности расположения электронов: при переходе от s– к p-подоболочке – оно менее значительное, чем от p к d, и от d к f. Поэтому каждый горизонтальный ряд таблицы Менделеева – заканчивается заполнением именно p-подоболочки. Т. е. прежде чем начинает заполняться d-подоболочка, а тем более, f, более выгодным оказывается начало заполнения более высокого энергетического уровня (= следующей оболочки), с её s-подоболочки, поэтому s– и p-подоболочки – всегда располагаются снаружи атома, а d и f – кнутри. При этом, атомы s-, d– и f-элементов – отдают электроны легче, чем p-элементы (во всех случаях, отдаются, прежде всего наружные, т. е. s-электроны).

Итак, наибольшей электроотрицательностью обладают атомы, у которых близка к завершению p-подоболочка, т. е. атомы, расположенные в самой правой части таблицы Менделеева. Высокая электроотрицательность – определяет химические свойства этих атомов, благодаря которым, они образуют блок т. н. неметаллов, см. табл. 65. Неметаллам – свойственно объединяться только в двухатомные и т. п., небольшие по размерам, молекулы, в то время как металлы (s-, d– и f-элементы) – образуют молекулы в виде монокристаллов, атомы в которых связаны т. н. металлической связью.

Атомы металлов, имея низкую электроотрицательность, легко отдают (наружные, s) электроны, с образованием молекулярной орбитали, электронная плотность которой распределена (делокализована) между всеми атомами в монокристалле (а монокристалл – может включать почти неограниченное число атомов).

Неметаллы же, имея высокую электроотрицательность, в нормальных условиях – либо вообще не отдают электроны друг другу (благородные газы), т. е. не образуют молекул, либо отдают их лишь соседним атомам (галогены, образующие мелкие, двухатомные молекулы (F₂, и т. п.), как впрочем и некоторые другие неметаллы (O₂, и т. п.)), либо (ещё левее, постепенно приближаясь к металлам), образуют цепочки и другие пространственные структуры (S₈, Se₈, C_n и т. п.).

Таблица 65 ^{[49] , [50]}

Таблица Менделеева (слева – металлы (выделены серым), кроме водорода (H), справа – неметаллы, их отграничивают – металлоиды (выделены светло-серым); свойства отмеченных курсивом, элементов, т.  е. 109–111, 113 и 115–118 – не установлены)

Итак, атомы металлов и неметаллов – различаются химическими свойствами, т. к. образуют различающиеся (по размерам и структуре) молекулы. Таким образом, по химическим свойствам (= определяющим образование более высокого уровня вещества – молекул), все атомы можно разделить на три блока: металлы, неметаллы, и занимающие промежуточное положение между ними, металлоиды (= полуметаллы и полупроводники), такие как Si, и т. п. (см. табл. 65). Таблица Менделеева, как видно, организована так, чтобы группировать атомы со схожими химическими свойствами (т. е. отражать закономерную повторяемость химических свойств атомов, при увеличении их массы), при этом, получаются три вышеупомянутых блока, а также вертикальные и горизонтальные ряды, понятные из представлений о порядке заполнения электронных подоболочек (и оболочек) атомов.

Далее: Из представления об электроотрицательности – выясняется и суть такого вида химической связи как ионная:

Ионная связь – реализуется, когда объединяются атомы с сильно (больше чем (примерно) на 1,7) различающейся электроотрицательностью, например, атомы элементов натрия и хлора (см. рис. 228). В молекуле NaСl, электронная плотность связующих электронов, оказывается очень сильно смещена в сторону атома Cl (где электрон занимает вакансию в p-подоболочке). Атом Cl, принимая эту, дополнительную электронную плотность, обретает т. о. значительный, частичный отрицательный заряд, а атом Na, у которого электронная плотность отнимается – соответствующий положительный. Т. о. атомы в молекуле NaCl, приближаются к состоянию двух связанных ионов, Na⁺ и Cl^–.

В молекуле NaCl, атом Cl достроил электронную p-подоболочку, за счёт электрона атома Na (при этом, из-за неизменного расстояния от ядра, и роста заряда, заполнение вакансии для p-электрона в атоме Cl очень выгодно). Традиционно также представляют (учитывая частично ковалентный характер любой ионной связи), что и Na – достроил свою, s-подоболочку, за счёт электрона атома Cl (учёт этого важен, но в меньшей степени). В целом, хотя суммарная электронная плотность в молекуле NaCl сильно смещена к атому Cl, представляется, что в образовании связи, в этом (одном из типичных) случае, принимают участие два (т. н. валентных) электрона, образующих общую орбиталь, и т. о. связь, для атомов – взаимовыгодна, см. рис. 230.

Рис. 230

Молекулы с ионной связью (NaCl, и т. п.) – могут объединяться и далее, с образованием более крупной молекулы, т. н. ионного кристалла, в котором, в отличие от монокристалла металла, электроны делокализованы лишь между соседними атомами (например, между ионом Cl^–, и шестью ионами Na⁺, окружающими его, см. рис. 231). Хотя делокализация и локальна, ионный кристалл представляет собой единое целое (молекулу), т. к. в нём нельзя выделить индивидуальных молекул (каждый ион взаимодействует с соседними ионами, а соседние ионы – со своими соседями).

Рис. 231 ^[XXII]. Кристаллическая решётка NaCl (зелёный – Na⁺, красный – Cl^–)

Различие в структуре – приводит к тому, что молекулы-ионные кристаллы, в отличие от молекул-монокристаллов металлов – растворимы в полярных растворителях (например, воде), не проводят электрический ток, и т. д. отличаются физическими и (в виде самой внутренней структуры) химическими свойствами.

Далее: В отличие от ионной связи, при ковалентном полярном виде связи, электронная плотность в молекуле смещена не столь резко (различие электроотрицательности у связываемых элементов – менее примерного числа 1,7, но более такого же примерного значения 0,3). Ковалентные полярные молекулы, объединяясь друг с другом, образуют уже т. н. молекулярные кристаллы, т. е. кристаллы, очевидно состоящие из молекул, как относительно самостоятельных частей (структурных единиц). Молекулярные кристаллы – это уже один из примеров более высокого уровня вещества, расположенного выше уровня молекул, а именно – простых молекулярных тел (подробнее о которых – позже).

Далее: При следующем виде химической связи, ковалентной неполярной связи, объединяются атомы с одинаковой (или слабо отличающейся, менее чем на 0,3) электроотрицательностью, так что электронная плотность в молекуле смещается в середину расстояния между атомами (примеры: N₂, Cl₂ и т. п.), либо делокализуется между несколькими атомами в т. н. ароматических (и некоторых др.) соединениях (см. пример на рис. 232). Крайним проявлением ковалентной неполярной связи, может считаться металлическая связь, – обладающая неограниченной делокализацией электронов.

Рис. 232 ^[XXIII]. Молекула бензола

Молекулы ковалентных неполярных соединений, соединяясь друг с другом в кристаллы, также сохраняют относительную самостоятельность (не сливаются в единую молекулу), и т. о. образуют молекулярные кристаллы, в которых молекулы связаны относительно слабо (по сравнению с атомами), поэтому молекулярные кристаллы, в отличие от металлических и ионных (= состоящих напрямую из атомов) – легко плавятся, имеют низкую плотность, и т. п., а многие вещества из молекул с ковалентными неполярными связями, при т. н. нормальных условиях – находятся не в твёрдом, а в жидком (Br₂) или газообразном состоянии (H₂, N₂ и т. п.).

Итак, мы рассмотрели основу различных видов (сильных) химических связей. Как видно, различие всех этих видов связей (и образующихся молекул) – происходит из различий в значениях электроотрицательности связываемых атомов, что определяет степень (и направление) смещения электронной плотности в молекулах.

Далее: Рассмотрим, подробнее, вопрос о разнообразии молекул в окружающем Мире:

Помимо разнообразия, связанного с видами химической связи (т. е. молекулы металлов (монокристаллы), ионные кристаллы, двухатомные неполярные молекулы, ароматические и т. п.), для понимания всего имеющегося (и возможного) разнообразия молекул, нужно учесть и более частные источники разнообразия, в т. ч. то, что между собой могут соединяться атомы различных, 118-и элементов таблицы Менделеева (где каждый элемент – химически уникален). Т. о. схожие по структуре, молекулы, но имеющие атомы разных элементов в составе – химически (и физически) различимы, пример: H₂O (вода) и H₂S (газ сероводород). Кроме того, атомы могут соединяться друг с другом в разном порядке, и разном числе, и с выбором одной из множества возможных геометрических конфигураций. Если учесть эти, относительно частные, вышеперечисленные источники разнообразия молекул, и их сочетания, видно, что разнообразие молекул в окружающем Мире – может быть практически безграничным.

Чтобы не запутаться в этом сложном разнообразии, для удобства, разработана и совершенствуется классификация молекул (общепринятая), – отражающая, прежде всего, общие химические свойства различных типов молекул (т. е. находящая, среди частных химических свойств – общие): Так, все молекулы, согласно этой классификации, сперва, традиционно, делят на органические и неорганические. Органические молекулы, как уже упоминалось ранее – есть те, что имеют углеродный скелет (или хотя бы атом углерода) в составе. Такие молекулы, как известно, имеются в структуре всех известных живых организмов, существующих на Земле. Органические молекулы, далее – делят на различные классы: примеры: спирты, углеводы, карбоновые кислоты, жиры, нуклеиновые кислоты, белки, и мн. др. (не будем на том подробно останавливаться).

Остальные молекулы (не имеющие углеродного скелета) – называют неорганическими. Их известно также множество классов: примеры: (неорганические) кислоты, щёлочи, соли, оксиды, и мн. др. (подробности – также опускаем).

Далее: Вопросы классификации, как и химические реакции молекул, и другие относительно частные вопросы – изучаются, преимущественно, в рамках комплекса химических наук, которым наиболее соответствует изучение молекулярного уровня вещества. Оставляя эти и другие относительно частные вопросы, переходим к рассмотрению следующего, более высокого уровня вещества:

Простые молекулярные тела

Это – следующий уровень вещества, после молекул. Объекты этого уровня – состоят из молекул. Простые молекулярные тела, в отличие от молекул – удобно рассматривать как среды. Они могут быть твёрдые (например, кристалл сахара), жидкие (например, вода, в обычных условиях), или газообразные (например, атмосфера).

Твёрдые молекулярные тела – известны в двух формах: в форме молекулярных кристаллов, и в форме аморфных веществ.

Молекулярные кристаллы, в отличие от ионных кристаллов и монокристаллов металлов (= молекул) – имеют, как уже говорилось, значительно более низкие температуры плавления (из-за относительной слабости межмолекулярных химических связей), а также низкую плотность, и т. п. Вышесказанное – не относится молекулярным кристаллам, образуемым металлами (т. е. поликристаллам, состоящим из связанных молекул-монокристаллов), – которые имеют, в отличие от других молекулярных кристаллов, высокую температуру плавления и плотность, сравнимые с таковыми для ионных кристаллов. Примерами молекулярных кристаллов металлов = поликристаллов – могут служить металлы в самородной форме, и металлические изделия.

Аморфные твёрдые молекулярные тела, в отличие от кристаллов – имеют хаотичную внутреннюю структуру (лишены т. н. дальнего порядка, в расположении элементов своей структуры, свойственного кристаллам). Кроме того, молекулярные кристаллы металлов (поликристаллы), в той или иной степени – тоже близки к аморфным молекулярным телам, хотя традиционно к ним не относятся (степень кристалличности или аморфности, у металлического поликристалла – зависит от величины разупорядоченности монокристаллов, что отражается в таких его физических свойствах как например: степень прочности, и т. п.).

Далее: Жидкие простые молекулярные тела – это различные молекулярные жидкости, которые могут иметь простой или сложный молекулярный состав. Как пример молекулярной жидкости сложного молекулярного состава, можно назвать океан. В среде океана, как растворе – помимо всего прочего, возможно образование мицелл (= сфер из молекул, обладающих гидрофобной и гидрофильной частью), что могло играть роль в возникновении жизни на Земле (об этом – позже), см. рис. 233. Мицеллы, и т. п. – это явления в среде (океане, в данном случае), т. е. зависят от среды, без которой – не существуют, но среда (океан) – не состоит из них.

Рис. 233 ^[XXIV]. Мицелла

Далее: Атмосфера планеты – газообразное простое молекулярное тело сложного молекулярного состава. Благодаря гравитации планеты, атмосфера представляет собой сильную систему (= ведущую себя как единое целое, более чем как совокупность элементов (все рассматриваемые уровни вещества – являются сильными системами, в то время как слабые – опускаются)). Благодаря неравномерности распределения энергии (= немаксимальной энтропии), атмосферы планет – включают в себя т. н. атмосферные явления (вихри, облака и т. п.).

К какому уровню вещества отнести вихри, облака, ветры и т. п., т. е. явления в среде? К явлениям в среде, относятся и нелинейные волны (солитоны) в молекулярных кристаллах, и элементарные частицы (нелинейные волны) в среде вакуума, и мицеллы в океане. На неклассическом этапе, все такие объекты, в целом – не считались уровнями вещества, или принадлежащими каким бы то ни было уровням вещества. На постнеклассическом этапе, в связи с дальнейшим изучением этих объектов, и изменением представлений об их роли в окружающем Мире, возникает необходимость определить уровни вещества, которым они соответствуют:

Для явлений в среде вакуума, всё просто: явления (нелинейные волны) – это элементарные частицы, а из-за их неразрывной взаимосвязи со средой вакуума, получается уровень элементарных частиц и вакуума. Для молекулярных кристаллов и солитонов в них, можно, для удобства, продолжать называть уровень, просто, уровнем простых молекулярных тел, подразумевая, при этом, более соответствующее, длинное название: простых молекулярных тел и явлений в них.

Аналогично – и для жидких и газообразных молекулярных тел, включая атмосферы планет и океаны (где среда, и явления в ней – рассматриваются в неразрывной взаимосвязи, образуя т. о. единый уровень вещества). В таком случае, атмосфера, как и океан – принадлежат уровню простых молекулярных тел и явлений в них. Т. е. явления (ветры, мицеллы, облака, водовороты и т. д.), будучи не существующими вне среды – образуют единый уровень вещества со средой.

Далее: О разнообразии простых молекулярных тел, можно сказать, что оно может быть ещё более велико, чем разнообразие молекул. Например, атмосфера каждой известной планеты – уникальна, по составу, температуре, давлению, многим явлениям, и т. п. Для удобства, и отражения общих физических свойств, простые молекулярные тела – могут подвергаться классификации: например, атмосфера – по плотности, может быть плотная, разрежённая или сравнимая с плотностью Земной атмосферы. Так же, по различным общим свойствам – классифицируются и жидкие молекулярные тела, например, по размеру: лужа, озеро, океан, по молекулярному составу: вода, бром и т. д., и по др. свойствам. Аналогично – для твёрдых простых молекулярных тел (их классификация, по геометрической форме кристаллов (типу симметрии кристаллической решётки) и составу, разрабатывается, преимущественно, в рамках науки минералогии).

Сложные молекулярные тела

Это – объекты, сильные системы, подсистемами которых являются простые молекулярные тела. Сложные молекулярные тела – это, например, литосферные плиты, горные породы, куски горных пород, в т. ч. многие обычные камни: Так, камни, в которых можно выделить относительно самостоятельные составляющие (в виде вкраплений, прожилок, отдельных кристаллов, и т. п.), – могут быть сложными молекулярными телами, состоящими из простых.

При переходе к жидким и газообразным молекулярным телам, повышение концентрации энергии (повышение температуры, приводящее к плавлению или испарению) – в целом, приводит к снижению уровня вещества до простых молекулярных тел (а дальнейшее нагревание – может также расщепить молекулы, атомы и т. д.). Поэтому жидкие и газообразные сложные молекулярные тела, в общем – отсутствуют.

Уровень планет и звёзд

Прямо за уровнем сложных молекулярных тел, находится уровень вещества планет и звёзд. Граница между планетами и звёздами, при этом – традиционно проводится по наличию или отсутствию термоядерных реакций (= реакций образования более тяжёлых ядер из лёгких), в их недрах, что зависит от массы объекта. Так, термоядерные реакции возможны (идут с достаточной интенсивностью), если объект имеет массу, примерно в 13 раз превосходящую массу Юпитера. Все объекты с массой меньше этого значения (но способные, под действием собственной гравитации, принять шарообразную форму) – называют планетами.

Рассмотрим суть этих объектов окружающего Мира, подробнее: