birmaga.ru
добавить свой файл

1 2

Молекулы и химические взаимодействия


Глава 3. Молекулы и химические взаимодействия
3.1. Химические связи и образование молекул
В 1927 г. датский физик О.Бурро выполнил квантовомехани- ческий расчет молекулярного иона водорода Н2+ и показал, что единственный электрон в этом ионе занимает орбиталь, которая простирается вокруг обоих протонов. Теоретический расчет энергии связи этого молекулярного иона, т.е. разности между суммарной энергией отдельного атома и протона и энергией иона в его основном состоянии привел к значению 255 кДж/моль.

С учетом того, что число молекул в моле составляет 6,022.1023 (число Авогадро) получаем, что энергия связи двух атомов в ионе молекулы составляет 4,23·10–19 Дж = 2,68 эВ на одну молекулу Н2+.

Следует отметить, что так называемая энергия сродства атомов и молекул к электрону есть энергия связи электрона в соответствующем отрицательном ионе – минимальная энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома или молекулы. Эта энергия составляет для иона водорода Н 0,754 эВ, и для всех ионов лежит в пределах от 0,15 эВ (Сr) до 3,62 эВ (Cl), т.е. порядок величин составляет единицы и доли электронВольт.

Для сравнения напомним, что энергия связи двух нуклонов = протона и нейтрона в ядре атома дейтерия составляет 2,3 МэВ, то есть на 6 порядков больше,

Рассмотрим природу химических связей атомов в молекуле с позиций эфиродинамики [1–3].

Присоединенные вихри различных атомов могут соединяться между собой лишь двумя способами (рис. 3.1).

В первом случае (рис. 3.1а) вихри удерживаются относительно друг друга в общем пограничном слое, образованном благодаря противоположно направленным потокам эфира. Как было показано выше, благодаря градиенту скоростей между вихрями давление понижается, и внешнее давление эфира прижимает вихри друг к другу. Какого-либо преобразования вихрей, кроме изменения их формы, здесь не возникает. Данный случай соответствует ионной химической связи.


Во втором случае соединение двух вихрей дает единый вихрь (рис. 3.1, б). В винтовых потоках это возможно лишь тогда, когда их винтовые факторы совпадают. Это означает, что в присоединенных вихрях и тороидальные, и кольцевые движения должны иметь одно и то же направление в плоскости соединения. Тогда образуется единый присоединенный вихрь, охватывающий оба соединившихся атома. В этом общем присоединенном вихре давление меньше, чем в окружающей среде, а длина потока меньше суммы длин потоков в обоих присоединенных вихрях отдельных атомов. Данный случай соответствует ковалентной связи.

Рис. 3.1. Соединение вихрей: а – путем прилипания друг к другу (соответствует ионной связи); б – путем образования общих потоков (соответствует ковалентной связи)
Изложенное позволяет предположить возможность образования ионных связей при любых винтовых факторах в присоединенных вихрях, если у реагирующих молекул потоки эфира на их поверхностях могут ориентироваться антипараллельно на достаточной площади. Для ковалентной же реакции обязателен одинаковый винтовой фактор.

Принцип построения молекулы лучше всего проиллюстрировать на примере молекулы Н2 (рис. 3.2). Возможны разные варианты построения молекулы Н2 – при параллельных и антипараллельных спинах протонов, перпендикулярных и соосных оси, проходящей через центры протонов.

Рис. 3.2. Образование молекулы Н2

Как видно из рис. 3.2, внешние потоки имеют одно и то же направление и в тороидальном, и в кольцевом движении. Именно этот случай и следует рассматривать как основной случай образования молекулы Н2. Образование общего внешнего потока указывает на ковалентность химической связи, что и имеет место в действительности. Аналогичным образом можно получить структуры и других молекул (рис. 3.3).


Рис. 3.3. Структура молекул водорода Н4 (а) и воды Н2О (б). электронные оболочки – присоединенные вихри 1p и 4p лежат вне плоскости рисунка и поэтому не показаны.

Детальное изучение форм связи в молекулах в эфиродинамической модели является предметом специального исследования, однако уже сейчас можно высказать некоторые дополнительные соображения.

3.2. Ковалентные связи и хемодинамическое взаимодействие
При образовании ковалентной связи суммарная линия тока общего присоединенного вихря оказывается короче суммы длин линий токов раздельных атомов, в момент образования ковалентной химической связи часть уплотненного завинтованного эфира оказывается выброшенной из молекулы. Такой кусочек вихря не может существовать в том же виде, и он либо будет поглощен в другом месте, где идет реакция разложения молекул, либо преобразуется в тороидальный вихрь слабо сжатого эфира, который можно условно назвать лептоном, поскольку его масса меньше массы электрона. Расчет показывает, что масса такого тороида составляет порядка 0,0001 массы электрона, но диаметр его составляет порядка 0,01 мм. Для проверки этого обстоятельства был организован лабораторный эксперимент (рис. 3.4).

Были построены специальные крутильные весы, на одном из плеч коромысла которых закреплена алюминиевая пластина (парус), соединенный с металлическим корпусом весов через 10-мегомное сопротивление во избежание возможного влияния электростатики. Корпус весов заземлялся на батарею парового отопления (рис. 3.4)..

Рис. 3.4. Схема лабораторного эксперимента по выявлению лептонной пены при образовании ковалентной химической связи (а) и график отклонения паруса весов при проведении химической реакции (б):


1 – стаканчик с химическими реактивами; 2 – крутильные весы; 3 – лазер; 4 –самописец.
Пластмассовый цилиндр устанавливался напротив паруса на расстоянии 10 см. Реагировали сухая щелочь КОН и концентрированная серная или соляная кислота.

При проведении реакции парус сначала притягивался к реакции, а затем, после ее окончания, отходил от нее на максимальное расстояние (до упора) и через 1,5–2 ч. возвращался обратно.

Тот же результат получался, если реакция проводилась в том же стаканчике, установленном на деревянном или пенопластовом кубике вдали от весов. Поднесение затем этого кубика к весам давало тот же результат. Все фиксировалось автоматическим самописцем.

Объяснение результатов эксперимента заключается в том, что при проведении химической реакции и образовании лептонной пены лептоны касаются паруса. Поскольку движение эфира на поверхности лептонов при любой их ориентации всегда параллельно плоскости паруса, то образуется градиент скоростей эфира с пониженным давлением. Парус начинает притягиваться к реагирующим веществам.

После окончания реакции лептонная пена начинает диффундировать, причем в первую очередь уничтожаются лептоны, оказавшиеся в верхнем слое пены, поскольку градиент скоростей на их поверхности меньше, чем у внутренних лептонов, следовательно, вязкость выше и время существования поверхностных лептонов меньше. Но лептоны, как и всякие вихри, имели плотность эфира более высокую, чем плотность эфира в свободном пространстве. Поэтому давление эфира возрастает, и парус отодвигается. После того как все лептоны диффундировали, давление в эфире выравнивается, и пружинка возвращает коромысло весов в исходное состояние. Различные вещества дают различное отклонение, но характер поведения весов сохраняется.

Эксперименты с «лептонной пеной» были продолжены Ю.Д.Лобаревым, студентом химфака МГУ. Им было открыто, что «лептонная пена» приводит к снижению чувствительности фотобумаги, а также то, что конденсаторы, расположенные рядом со стаканчиком, в котором проводилась химическая реакция, в первые же секунды после начала реакции увеличивают свою емкость почти на 1%, а затем, после окончания реакции, происходит медленный, в течение десятков минут возврат значения емкости к первоначальному значению.


3.3. Образование межмолекулярных связей
Несмотря на то, что все молекулы электрически нейтральны, в веществе они взаимодействуют между собой. Степень этого взаимодействия различна: в твердом теле она максимальна, в жидкости средняя, а в газе минимальна.

Межмолекулярное взаимодействие – это взаимодействие между электрически нейтральными молекулами или атомами, определяющее существование жидкостей и молекулярных кристаллов, отличие реальных газов от идеальных и проявляется в разнообразных физических явлениях. Межмолекулярное взаимодействие зависит от расстояния между молекулами и описывается потенциальной энергией взаимодействия U(r) (потенциалом межмолекулярного взаимодействия). Именно средняя потенциальная энергия взаимодействия определяет состояние и многие свойства вещества.

Впервые межмолекулярное взаимодействие принял во внимание в 1873 г. голландский физик Я.Д. Ван-дер-Ваальс для объяснения свойств реальных газов и жидкостей [4–6]. Он предположил, что на малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания, которые с увеличением расстояния сменяются силами притяжения. На этой основе он получил уравнение состояния реального газа.

В настоящее время принято считать, что межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу и складывается из сил притяжения (ориентационных, индукционных и дисперсионных) и сил отталкивания. Ориентационные силы действуют между полярными молекулами, т.е. обладающими дипольными электрическими моментами. Эти силы возникают вследствие того, что расстояния между разноименными зарядами много меньше, чем между одноименными. Индукционные силы действуют между полярной и неполярной молекулами за счет того, что полярная молекула поляризует неполярную. Дисперсионные силы действуют между неполярными молекулами и возникают за счет того, что, хотя в среднем молекулы не полярны, в каждое мгновение они все же полярны. Что в среднем и создает соответствующий эффект притяжения. Все три типа сил притяжения убывают с расстоянием пропорционально 6-й степени расстояния между молекулами.


Силы отталкивания возникают на очень малых расстояниях, когда приходят в соприкосновение заполненные электронные оболочки атомов, входящих в состав молекул. Эти силы убывают с расстоянием пропорционально 13-й степени расстояния.

Однако все это является некоторой моделью, в основном математической зависимостью сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния, практически не проливающей свет на истинную природу этих сил. Отсюда и трудности с расчетом этих сил и с экспериментальными измерениями межмолекулярных сил.

На основе изложенных выше эфиродинамических представ-лений могут быть высказаны предположения о природе сил Ван-дер-Ваальса, т. е. сил, ответственных за межмолекулярные взаимодействия.

С точки зрения эфиродинамики силы межмолекулярного взаимодействия обусловлены тем, что к электронным оболочкам – первым присоединенным к ядрам эфирным вихрям – присоединены вторые присоединенные вихри, которые справедливо будет назвать оболочками Ван-дер-Ваальса, поскольку именно они ответственны за создание сил межмолекулярного взаимодействия.

Так же как винтовое поле скоростей эфира, создаваемое протоном, приводит к появлению присоединенного вихря – электронной оболочки, точно так же и винтовые потоки эфира на поверхности электронной оболочки вызывают винтовые движения эфира в окружающем пространстве. В результате образуется второй присоединенный вихрь, размер которого на 4–5 порядков больше размера электронной оболочки. Если нуклоны, имея критическую плотность, не могут проникать друг в друга, а только соединяются в ядре, примыкая друг к другу боковыми поверхностями, то уже эфирные вихри электронных оболочек способны взаимодействовать путем объединения, однако, не проникая друг в друга. Вторые же присоединенные вихри имеют малую плотность и способны проникать друг в друга. В результате в окрестностях электронных оболочек образуются разнообразные винтовые потоки, попав в которые атомы и молекулы удерживаются в них благодаря градиентам скоростей (рис. 3.5).



Рис. 3.5. Образование 2-го присоединенного вихря – оболочки Ван-дер-Ваальса и последующих присоединенных вихрей – ауры 1-го рода
Таким образом, природа межмолекулярных сил – сил Ван-дер-Ваальса – заключается в снижении давления в эфире благодаря градиентам скоростей потоков во вторых присоединенных вихрях – ван-дер- ваальсовой оболочке.

Если диаметр атомного ядра равен примерно 5·10–15 м, а диаметр электронной оболочки составляет около 10–10 м, то диаметр оболочки Ван-дер-Ваальса должен составлять порядка 10–5 м или около 10 мкм.

Внутри такой оболочки каждого атома может поместиться порядка 1015 других атомов. Следовательно, все оболочки ван-дер-Ваальса будут многократно перемешаны друг с другом и составят единую систему.

Рассмотрим распределение скоростей потоков эфира и распределение плотности эфира в этих потоках для одной оболочки Ван-дер-Ваальса. Следует учесть, что приводным ремнем для этой оболочки являются потоки эфира поверхности первого присоединенного вихря – электронной оболочки атома.

После того как первый присоединенный вихрь своими потоками благодаря вязкости окружающего эфира возбудил движение эфира в соседней области, это движение замкнется само на себя, образовав второй присоединенный вихрь. Поскольку диаметр внутреннего отверстия второго присоединенного вихря на пять порядков меньше внешнего, то и скорость, и плотность эфира во внутренних слоя должны быть многократно выше в этой области, чем во внешней части. Соответственно выше будет и градиент скорости потоков эфира.

Этого бы не было, если бы вихрь существовал сам по себе, тогда максимальная скорость потоков была бы в этой же области, но во внутренней части вихря. Однако движение здесь передается извне, поэтому по мере удаления от стенки скорость потока будет падать пропорционально второй степени расстояния, поскольку вихрь тороидальный, и площадь сечения возрастает пропорционально квадрату радиуса, а градиент скорости будет уменьшаться пропорционально кубу радиуса. Пропорционально квадрату радиуса будет уменьшаться и плотность эфира в этом потоке. Еще одну степень убывания добавит и падение давления эфира к центру этого же вихря. Если во второй присоединенный вихрь попадет вторая молекула или атом, то распределение давлений внутри этого вихря будет смещать их к внутренней границе вихря Ван-дер-Ваальса, поскольку с этой стороны общее давление потоков эфира меньше. Сила притяжения, т.е. сила, направленная от центра молекулы к пограничному слою, определится выражением

Fy = χρSдv/дy, (3.1)
где χ – коэффициент динамической вязкости эфира; ρ – плотность эфира в стенке второго присоединенного вихря; S – площадь взаимодействия молекул; дv/дy – градиент скорости в ближней зоне второго присоединенного вихря.

Получается, что убывание силы притяжения пропорционально примерно 6-й степени расстояния между молекулами, что и имеет место в реальности. При этом силы взаимодействия с потоками эфира на противоположных сторонах взаимодействующих молекул будут малы в силу высокой степени убывания и существенно не скажутся на общей силе притяжения взаимодействующих молекул.

Взаимодействующие молекулы устанавливаются на некотором равновесном расстоянии друг от друга. Попытки сблизить их и переместить в пограничный между вихрями слой вызывают силы отталкивания. Эти силы вызваны, во-первых, теми же причинами, что и выше, с той, однако, разницей, что в пограничном слое распределение скорости потоков, градиента и плотности потоков эфира имеют обратный знак и направлены к центрам молекул, а во-вторых, возрастанием давления в пограничном слое, в который первый присоединенный вихрь – электронная оболочка атома – загоняет внешний по отношению к ней эфир. Уменьшение сечения потока вызывает с одной стороны повышение давления эфира за счет его сжатия, с другой стороны, его же нагрев по той же причине, что также ведет к повышению давления в этой области. При этом силы притяжения будут падать, так как взаимодействующие молекулы будут выходить из зоны вихря и попадут в пограничный слой, в котором распределение скоростей также будет способствовать их отталкиванию. Поэтому степень зависимости силы отталкивания от расстояния здесь будет выше, чем степень зависимости силы притяжения в теле второго присоединенного вихря.

Представляет несомненный интерес образование связей, которые условно можно назвать агрегатными, – тип связей, обеспечивающих соединение молекул в некоторую агрегатную совокупность. Структуру такого типа связей можно проследить на примере соединения молекул воды в агрегаты (рис. 3.6).


Потоки эфира, возбуждаемые поверхностями двух протонов, соединенных с молекулой кислорода, направлены во внешнее относительно молекулы воды пространство под некоторым углом друг к другу. В результате создаются условия для образования двужгутика – двух винтовых вихрей, обвивающих друг друга. На некотором расстоянии вихри, образующие двужгутик, расходятся и далее возвращаются к протонам. В местах поворота вихрей образуются «карманы» – области пониженного давления эфира, что, вероятно, и обусловливает свойства воды как почти универсального растворителя (рис. 3.6, а).

Потоки эфира, возбуждаемые поверхностями двух протонов, соединенных с молекулой кислорода, направлены во внешнее относительно молекулы воды пространство под некоторым углом друг к другу. В результате создаются условия для образования двужгутика – двух винтовых вихрей, обвивающих друг друга. На некотором расстоянии вихри, образующие двужгутик, расходятся и далее возвращаются к протонам. В местах поворота вихрей образуются «карманы» – области пониженного давления эфира, что, вероятно, и обусловливает свойства воды как почти универсального растворителя (рис. 3.6, а).



следующая страница >>