Глава 19. Сложные соединения - Божественный Космос


 Дьюи Б. Ларсон - Структура физической вселенной (том 1)

Ничего, кроме движения

Глава 19: Сложные соединения

Обсуждение в предыдущей главе относится только к соединениям типа RmXn, в которых m положительных атомов соединяются с n отрицательных атомов. Но разработанный принцип распространяется на все комбинациям атомов. Наша следующая задача – распространение этих принципов на исследование некоторых более сложных ситуаций.

Каждый атом каждого простого соединения можно заменить другим атомом с той же валентностью и номером. Следовательно, любой или все четыре атома хлора в CCl4 можно заменить эквивалентными, отрицательными атомами, создавая целое семейство таких соединений, как CCl3Br, CCl2F2, CClI3, CF4, и так далее. Или можно заменить n одновалентных атомов хлора на атом с отрицательной валентностью n, получая такие соединения как COCl2, COS, CSTe и так далее. Аналогичные замены можно сделать и в положительном компоненте, создавая такие соединения как SnCl4.

Однако простая замена на атом с другой валентностью невозможна. Например, медь обладает той же числовой валентностью, что и натрий, но атомы натрия в соединении Na2O не меняются на атомы меди. Имеется соединение Cu2O, но нейтральная структура валентности этого соединения очень отличается от структуры нормальной валентности Na2O. Аналогично, если мы заменяем атом положительного водорода (магнитная валентность) на один из атомов натрия (нормальная валентность) в соединении Na2O, этот процесс не является простой заменой. Вместо NaHO мы получаем NaOH - соединение абсолютно другого характера.

Фактор, играющий важную роль в строительстве сложных молекулярных структур, таков: существование основных различий в величинах сил вращения в разных межатомных комбинациях. Например, давайте рассмотрим соединение KCN. В этом соединении азот – отрицательный элемент, а положительно-отрицательные комбинации – это K-N и C-N. Подсчитывая межатомные расстояния  (с помощью отношений, которые будут обсуждаться позже), мы обнаруживаем, что величины в естественных единицах составляют 0,904 для R-N и 0,483 для C-N.

Как установлено в главе 18, термин “связь” не используется в этой работе и никоим образом не связан с темой этой главы – “могущество” соединения или валентность. Термин “валентная связь” или любое производное типа “ковалентная связь” не имеет места в теоретической структуре СТОВ. Однако употребление слова “связь” удобно при описании сцепления между конкретными атомами и группами атомов; поэтому в последующем обсуждении оно будет использоваться в этом ограниченном смысле. На этом основании можно сказать, что сила сцепления или “прочность связи” значительно больше у C-N, чем у K-N, поскольку она определяется разницей в межатомных расстояниях.

Обычно считалось, что сила сцепления указывает на прочность межатомных сил, но, на самом деле, отношение обратное. Как объяснялось в главе 8, гравитационные силы, влияющие на атомы (силы, возникающие в результате вращения атома), - это силы отталкивания в области времени. Поэтому чем слабее гравитационные силы, тем сильнее сцепление. В рассматриваемой комбинации короткое расстояние C-N и соответствующая прочность связи - результат наличия измерений с недействующей силой. Это ослабляет действующую силу отталкивания и требует более тесного сближения атомов для установления равновесия с постоянной силой последовательности системы отсчета.

Вследствие большей силы, во многих процессах, разрушающих или модифицирующих связь K-N, связь C-N остается незатронутой, и общее поведение соединения KCN – это скорее поведение комбинации K-CN, чем группы независимых атомов, таких, как у соединения K2O. Группы подобные CN,  обладающие относительно высокими величинами сил связи и способные сохранять свое своеобразие, даже если в соединениях, в которых они существуют, происходят изменения, называются радикалами. Поскольку особые свойства радикалов обуславливаются различиями между силами сцепления самих радикалов и силами других связей в соединениях, степень, с какой любая конкретная группа атомов действует как радикал, зависит от величины этих различий. Если межатомные силы очень слабые, связь, соответственно, очень сильная, как в комбинации C-N. Радикал сильно сопротивляется разделению и во многих отношениях действует как единичный атом. Другая крайность: если различия между разными межатомными связями в молекуле невелики, пограничная черта между радикалами и не радикальными группировками атомов неуловима.

Более сильными радикалами являются определенные структурные группы. NH4 структурно равнозначна атому натрия. В кристалле CdI2 OH можно заменить на I без изменения структуры, и так далее. Самые слабые радикалы - радикалы с самыми маленькими границами силы сцепления - кристаллизуются в структуры, у которых радикал как таковой роли не играет, а структурные единицы являются индивидуальными атомами. Известный пример – структура перовскит (CaTiO3). Здесь каждый атом структурно независим. Отсюда такой вид компоновки пригоден для соединения, подобного KMgF3, в котором определенно отсутствуют радикалы, и для соединения, подобного KIO3, содержащего пограничную группу. С точки зрения структуры группа IO3 в соединении KIO3 не является радикалом, хотя  действует как радикал в некоторых других физических явлениях и обычно осознается как таковая.

Например, с температурной точки зрения, при низких температурах группа  IO3 – определенно радикал, и вся группа действует как единица. Но в отличие от сильных радикалов, таких как OH и CN, сохраняющих статус единицы при всех обычных условиях, при высоких температурах IO3 распадается на две температурные единицы – другие радикальные группы, еще менее устойчивые к изменениям температуры. Например, группа CrO3 действует как одна температурная единица при низких температурах, но в верхней части температурного диапазона твердых тел все четыре атома не зависят от температуры. Температурное поведение химических соединений, включая упомянутые примеры, будет обсуждаться в следующем томе.

Чтобы занимать место единичных атомов в трехмерных неорганических структурах, радикалы должны обладать силой, распределенной на все три измерения. В случаях, когда некоторые межатомные силы двумерны, что справедливо для более низкой группы элементов по причинам, которые будут объясняться позже, трехмерное распределение достигается посредством геометрической компоновки. Поэтому типичные неорганические радикалы состоят из группы атомов-спутников, трехмерно сгруппированных вокруг одного или более центральных атомов. Ввиду того, что атомы-спутники находятся между центральным атомом и противоположным компонентом соединения, действующая валентность радикала может иметь тот же знак, что и атомы-спутники. Ограничение в связи с результирующей валентностью означает, что большинство неорганических радикалов - отрицательные. Водород – единственный элемент, обладающий распределением силы в двух измерениях, если выступает в роли положительного компонента. Самый важный радикал этого класса – аммоний NH4, у которого водород обладает магнитной валентностью 1, азот – отрицательной валентностью 3, а общая валентность группы +1. Радикал фосфония аналогичный, но менее распространенный. Разновидностью NH4 является радикал тетраметил аммония N(CH3)4, у которого атомы водорода заменяются положительными группами CH3.

 Теоретически возможное количество отрицательных радикалов очень велико, но влияние соображений вероятности сводит количество реально существующих радикалов до небольшой величины по сравнению с отрицательными радикалами, которые могли бы быть построены теоретически. При всех прочих одинаковых условиях самыми вероятными являются группы с самым маленьким результирующим смещением. Поэтому обычно мы обнаруживаем BO2-1, менее часто BO3-3, а не BO4-5, BO5-7 или другие высокие числа этих серий. В ситуацию входят и геометрические соображения. При тождественности других характеристик, самыми вероятными комбинациями будут те, у которых силы размещаются самым симметричным образом.

На основании разработанных до сих пор критериев статус бинарных радикалов, таких как OH, SH и CN, неоднозначен, поскольку отсутствует различие между центральными атомами и атомами-спутниками. Но эти группы могут включать неорганические радикалы, потому что способны входить в трехмерные неорганические, радикальные компоновки.

 Еще один особый класс радикалов сочетает положительные и отрицательные валентности одного и того же элемента. Имеется азидный радикал N3, у которого атом азота с нейтральной валентностью +5 сочетается с двумя отрицательными атомами азота с валентностью –3 каждый; общая валентность группы (-1). Аналогично, атом углерода с первичной магнитной валентностью +2 соединяется с отрицательным атомом углерода с валентностью (-4), образуя карбидный радикал C2 с валентностью (-2).

Распространенными радикалами боридов - комбинациями структур бора, упомянутыми в главе 18, являются B2, B4 и B6. Самые известные соединения  B-  это прямые комбинации элементов Деления I с валентностью 4. Поэтому можно прийти к выводу, что результирующая валентность комбинации B4 составляет (-4). Роль B6 в таких соединениях как CaB6 и BaB6, указывает на то, что итоговая валентность радикала B6 составляет (-2). Статус радикала B2 определен не так ясно, но представляется, что он тоже имеет валентность (-2); то есть, половину комбинации B4. Результирующая валентность (-2) может создаваться либо комбинацией отрицательной валентности (-3) с вторичной магнитной валентностью +1, либо комбинацией отрицательной валентности (-5) с положительной валентностью +3. Эти же две альтернативы имеются и для B4. Комбинация валентностей +1 и (-3) возможна и для радикала B6. На основании этих величин валентности всех боридных радикалов представляют последовательную систему, представленную на нижеприведенной таблице: 

 

Положительная

Отрицательная

Результирующая

B2

B+1

B-3

- 2

B4

2 B+1

2 B-3

- 4

B6

4 B+1

2 B-3

- 2

Однако радикал B6 не может создаваться комбинацией валентностей +3 и –5. И чтобы воспользоваться валентностью –5 необходимо ввести положительный компонент с валентностью +2. Отрицательная валентность –3 ведет к более согласованному набору комбинаций и увязывается с валентностью бора в прямых комбинациях бора с положительными элементами. По крайней мере, сейчас можно прийти к выводу, что имеющиеся свидетельства говорят в пользу отрицательной валентности бора (–3).

Общие принципы сложного образования, разработанные для простых комбинаций, распространяются и на соединения, содержащие радикалы неорганического класса. Основное требование таково: валентность радикальной группы должна пребывать в равновесии с равной и противоположной валентностью. Поэтому для формирования соединения K2SO4 отрицательный радикал SO4 соединяется с необходимым количеством положительных атомов. Аналогично, положительный радикал NH4 соединяется с отрицательным атомом для создания соединения NH4Cl. Или как в соединении (NH4)2SO4 радикалами могут быть оба компонента.

Еще один новый фактор, появляющийся при группировании, - относительная отрицательность атомов внутри группы больше не имеет никакого значения. Например, азидная группа N3 отрицательная, и не может быть никакой другой, кроме как отрицательной. Тогда в соединении ClN3 атом хлора обязательно положительный, хотя в прямых комбинациях Деления IV, таких как NCl3, атом хлора отрицательный к азоту.

В соединениях с магнитной валентностью отрицательное электрическое смещение пребывает в равновесии с одним из магнитных смещений положительного компонента. Это избавляет положительное электрическое смещение от прямого направляющего влияния на другие молекулы или атомы. В общих аспектах направляющее влияние похоже на ориентирующее влияние равновесия пространства-времени, которое требуется для того, чтобы атомы отрицательных элементов вступали в соединения с другими атомами. В обоих случаях имеются определенные относительные положения взаимодействующих атомов или молекул, позволяющие более тесное сближение, что выливается в большую силу сцепления. Ни один из факторов ориентации ничего не вносит в силу сцепления; факторы ориентации просто удерживают участников в положениях, в которых создаются более мощные силы. Без ограничений направления, налагаемых ориентирующими влияниями, относительные положения были бы случайными, и не создавалась бы более мощные силы сцепления.

Поскольку соединения с магнитной валентностью обладают свободными электрическими смещениями, все они тяготеют к соединению, образуя то, что мы можем назвать молекулярными соединениями; то есть соединениями, в которых составляющими являются молекулы, а не индивидуальные атомы или радикалы соединений атомов. Ввиду того, что все свободные электрические смещения положительные, равновесие валентности не включается, и молекулярные соединения могут носить почти любой характер. Но соображения геометрии и симметрии благоприятствуют связям единиц одного вида или близких единиц. Двойные молекулы соединения не всегда распознаются в твердых или жидких состояниях, но, несмотря на  трудность распознавания, имеется много хорошо известных комбинаций, таких как FeO, Fe2O3, C2O, CO и так далее. Вода и аммиак - соединения магнитной валентности - особенно гибки в формировании комбинаций такого вида. Они соединяются с великим множеством веществ с целью формирования гидроокисей и аминатов.

В любой бинарной комбинации с магнитной валентностью имеется лишь одно свободное электрическое смещение. Поэтому ориентирующее влияние действует только в одном направлении. Если активные влияния молекулярной ориентации (как мы будем их называть) пары молекул, таких как FeO and Fe2O3, направлены друг к другу, система закрыта, и возникающее соединение Fe3O4 не обладает никакими дальнейшими тенденциями к соединению. Даже если несколько молекул H2O комбинируются с той же базовой молекулой, что происходит очень часто, связь между базовой молекулой и каждой молекулой H2O  индивидуальна. Если на основе магнитной валентности формируется двумерная молекула, создается совсем другая ситуация. Здесь межмолекулярное расстояние может уменьшаться до положения, в котором три молекулы находятся внутри одной естественной единицы пространства. В этом случае каждая молекула оказывает ориентирующее влияние не только на ближайшую соседку по действующему направлению, но и на следующую удаленную молекулу.

В этом классе соединений ограничение действующих межатомных сил двумя измерениями вносит свой вклад в расширение влияний магнитной ориентации двумя разными способами. Первый: оно уменьшает межатомное расстояние на треть, поскольку в третьем измерении отсутствует действующая сила вращения. Например, в соединении лития хлора расстояние между литием и атомами хлора на трехмерной основе было бы 1,321 естественных единиц. По причине двумерной ориентации оно уменьшается до 0,881 единиц. Тогда расстояние между молекулами 1 и 3 уменьшается еще больше из-за геометрического эффекта, показанного на Рис. 3. В совокупности, в которой структурные единицы организованы трехмерно, как в графе (а), молекула 2 размещает весь свой диаметр между молекулами 1 и 3. Если межатомное расстояние принять за x, тогда расстояние между центрами молекул 1 и 3 составляет 4x. Но если структурные единицы организованы двумерно, как в графе (b), расстояние уменьшается до 2y, если y – это расстояние между соседними, центральными атомами.

         Рисунок 3 

                                             (а)                                                 (b)

 

 

 

В случае лития хлора такого уменьшения недостаточно для того, чтобы позволить любое взаимодействие между молекулами 1 и 3, поскольку расстояние 2y составляет 1,398. Если расстояние превышает единицу, не оказывается никакого влияния. Но имеются и другие соединения, особенно соединения углерода и азота, в которых расстояние 2y может быть равным или меньше единицы. Например, расстояние С-С пребывает в диапазоне от 0,406 до 0,528. В случае больших расстояний, посредством геометрического расположения большое количество соединений углерода, основанных на магнитной ориентации, оказывается внутри области, в которой ориентирующие влияния свободного электрического смещения распространяются на третью молекулу.

Молекулы с двумерной магнитной валентностью и очень короткими межатомными расстояниями - это реально устойчивые структуры. Их отрицательные электрические вращения полностью уравновешиваются надлежащими положительными магнитными вращениями. Поэтому, как и другие молекулы, которые мы рассматривали, они способны существовать независимо. Однако из-за сильных тенденций к соединению, если имеются другие молекулы, с которыми они могут комбинироваться, большая часть таких молекул обладает лишь моментальным сроком независимой жизни. В знак признания того, что обычно они, скорее составляющие молекулярных соединений, чем просто молекулы, мы будем относить их к магнитно-нейтральным группам.

Поскольку имеется много соединений атомов с межатомным расстоянием меньше половины естественной единицы или настолько близким к этой цифре, что их можно увязать с ней путем структурных модификаций, количество комбинаций, способных формировать магнитно-нейтральные группы, ограничивается разными факторами, такими как вероятность, валентность, относительная отрицательность и так далее. Комбинации CN и OH исключаются, поскольку обладают активными валентностями; то есть, являются отрицательными радикалами, а не нейтральными группами. NH2 исключается вероятностью ситуации, которая будет обсуждаться позже; OH2 исключается потому. что водород сильно положителен к кислороду и так далее. Кроме того, бинарные валентности двух комбинаций подвергаются дополнительному ограничению. Его истинная природа еще не ясна, но влияние выражается в помещении CO в предел стабильности, поэтому, такие комбинации как NO и CS тоже исключаются. Практическое влияние этих ограничений, наряду с ограничениями межатомного расстояния, заключается в сведении магнитно-нейтральных групп, за исключением CO, к комбинациям углерода, азота и бора с одновалентными атомами или радикалами.

В последующем обсуждении удобнее пользоваться схемой, определяющей влияния ориентации, которые приводят к разным структурным единицам. Также она показывает, как разные виды молекулярных соединений удерживаются в соединениях; то есть, положениях, в которых межгрупповые силы сцепления максимальны. На схеме мы будем представлять влияния валентности двойными линиями, как в CH3=OH, а влияние первичной молекулярной ориентации – единичными линиями, как в CH-CH. Вторичные молекулярные влияния, оказываемые на третью группу в цепи, будут изображаться связующими линиями, со стрелками, указывающими направление влияния ориентации. 

 

Как указывает схема, между группами СН 1 и 2 и группами СН 3 и 4 имеется влияние первичной ориентации. Поскольку эти влияния не направленные и не спаренные; между группами 2 и 3 взаимодействие отсутствует. Если группы CH были бы трехмерными, как молекулы FeO и Fe2O3, упомянутые выше, тогда между парой 1-2 и парой 3-4 не было бы соединения, и в результате были бы две молекулы CH-CH. Но поскольку группа 3 пребывает внутри одной единицы расстояния группы 1, ориентирующее влияние свободного электрического смещения группы 1, действующее вблизи группы 2, дистанционно распространяется и на группу 3, как показано на схеме. Аналогично, влияние 4-3 дистанционно распространяется на группу 2. Поэтому пары 1-2 и 3-4 удерживаются в соединении посредством влияний вторичной ориентации, несмотря на отсутствие первичного влияния между группами 2 и 3.

Отношение ориентирующих влияний к сцеплению между составляющими атомного или молекулярного соединения можно сравнить с влиянием пониженной температуры на насыщенную жидкость. Результат понижения температуры – затвердение; и в твердых телах между атомами имеется дополнительная сила сцепления, которой не существовало в жидкости. Но новая сила не создается температурой. На самом деле, изменение температуры создает необходимые условия, при которых атомы способны обретать относительные положения, в которых работают межатомные силы сцепления. Аналогично, ориентирующие влияния равновесия валентности и свободного смещения вращения магнитно-нейтральных групп не создают сил, удерживающих молекулы вместе; они создают лишь условия, позволяющие действие более интенсивных сил сцепления.

Если атомы или нейтральные группы подвергаются действию ориентирующих влияний, позволяющих установить равновесие в одном из коротких межатомных или межгрупповых расстояний, величина сил сцепления определяется именно точкой равновесия между силами вращения и противоположно направленной силой, возникающей за счет естественной системы отсчета. Важным следствием является то, что сила сцепления между любыми двумя определенными магнитно-нейтральными группами одна и та же, невзирая на то, является ли ориентация результатом первичного действия вблизи, или вторичного действия на длинном расстоянии свободных электрических смещений. На вышеприведенной схеме величина силы сцепления между группами 2 и 3 идентична силам сцепления между группами 1-2 и 3-4. Это сила сцепления между двумя группами CH. Как мы увидим позже, особенно в главе 21, это положение значимо в связи с попытками сделать выводы, касающиеся молекулярной структуры, на основе величин межгрупповых сил.

Как указывают стрелки схемы на двух концах комбинации из четырех групп, вторичные ориентирующие влияния не достаточны, они способны распространяться лишь на любой другой атом или группу, находящиеся внутри зоны влияния. Следовательно, такое соединение нейтральных групп открыто для дальнейшего комбинирования в обоих направлениях. Система не закрыта для прибавления других групп того же характера, поскольку оставляет активное вторичное ориентирующее влияние на каждом конце комбинированной структуры. Уникальная способность к соединению, возникающая в результате распространения вторичных влияний, создает крайне обширное и сложное разнообразие химических соединений. Ограничений на количество групп, способных соединяться, почти не существует. До тех пор, пока каждый конец молекулы является магнитно-нейтральной группой с действующим вторичным влиянием, имеются два активных конца, не взирая на то, сколько прибавляется групп.

Формирования соединения без дальнейших тенденций к объединению можно достичь одним из двух способов. Может соединяться достаточное количество магнитно-нейтральных групп, чтобы позволить концам цепи закругляться и соединяться, удовлетворяя несбалансированные вторичные влияния и создавая кольцевое соединение. Или, альтернативно, последние группы могут присоединяться к атомам или радикалам, не обладающим ориентирующими влияниями магнитных групп. Такие прибавления закрывают систему и образуют цепное соединение. Цепные и кольцевые структуры известны как органические соединения. Это название возникло в самом начале появления химии, когда считали, что естественные продукты состоят из природных веществ, абсолютно отличающихся от составляющих неорганической материи.

Как он используется здесь, термин “органический” будет относиться ко всем соединениям с характерной двумерной структурой магнитной валентности, а не определять, как обычно, только соединения углерода (с некоторыми исключениями). Практически, исключенные углеродные соединения – это одни и те же соединения, подходящие под оба определения. Единственная, значимая разница между ними в том, что в органическую классификацию включены несколько дополнительных соединений, таких как гидроазоты, обладающих тем же видом структуры, что и органические углеродные соединения.

В цепных соединениях должно поддерживаться валентное равновесие, и прибавление положительного радикала или атома на одном конце цепи должно быть сбалансировано прибавлением отрицательной единицы с той же валентностью на другом конце. В связи с кольцевыми соединениями вопрос равновесия не возникает, поскольку все структурные единицы в кольце – это либо магнитно-нейтральные группы, либо нейтральные объединения атомов или групп с активными валентностями. В этом случае полное равновесие валентности достигается внутри групп или объединений.

Чтобы присоединить двумерную магнитную группу, структуры любых радикалов, которые должны занимать положения на концах, тоже должны быть двумерными.  Для этого не подходят трехмерные неорганические радикалы, такие как NO3, SO4 и так далее. В неорганических соединениях двухатомные и трехатомные радикалы, такие как OH, CN и NO2, организованы трехмерно, но не обязательно ограничены таким видом соединения. Они могут организовываться и двумерно. Следовательно, эти радикалы доступны и для двумерных соединений.

Двумерная структура переворачивает требование в связи с результирующей валентностью радикалов. Внешние контакты двумерных групп обеспечиваются преимущественно центральными атомами; и вместо того, чтобы иметь то же направление, что и атомы-спутники, результирующая валентность соответствует валентности центрального атома. Следовательно, эти группы - органические радикалы - противоположны по валентности своим дубликатам среди неорганических радикалов. Положительному радикалу аммония NH4 соответствует отрицательный радикал амина NH2. Отрицательный радикал CN-, у которого углерод обладает магнитной валентностью 2, имеет органический аналог – положительный радикал CN+, у которого углерод обладает обычной валентностью 4, и так далее. Кроме того, комбинации углерода с одновалентными, отрицательными элементами (включая водород), двумерными и, следовательно, не действующими как неорганические радикалы, полностью совместимы с двумерными, нейтральными группами. Поскольку таких комбинаций много, структурами этого типа является огромное множество органических радикалов.

Из вышесказанного ясно, что органические соединения подчиняются тем же валентным условиям, что и неорганические соединения. Фактически, они являются соединениями атомов той же природы. Единственная разница между ними в том, что очень короткие межатомные расстояния в магнитных валентных соединениях более низкой группы элементов позволяют существование вторичных влияний ориентации, что способствует объединению в сложные структуры. Такая унификация целой сферы химических соединений – пример упрощения, возможного тогда, когда выясняется истинная причина физического явления. Как мы видели в главе 18, образование химических соединений происходит потому, что атомы чисто электроотрицательных элементов (Деление IV) не могут устанавливать устойчивую связь с атомами других элементов, кроме как при особых условиях, при которых их отрицательное смещение (движение во времени) уравновешивается надлежащим положительным смещением элементов, с которыми они взаимодействуют. Эти требования распространяются на углерод и другие, более низкие элементы как составляющие неорганических соединений. Все химические соединения управляются одними и теми же общими принципами.

Бесспорно, прояснение природы органических соединений потребует модификации современных химических идей. Следует отказаться от концепции электронного происхождения сил сцепления. Электроны – это независимые физические сущности. Они не являются составляющими атомов, и не пригодны для создания сил сцепления, даже если бы могли это делать. (Следует заметить, что вышесказанное не означает, что в атомах нет электронов. Это абсолютно другая проблема, которая будет рассматриваться тогда, когда мы будем готовы начать обсуждение электрических явлений.) Следует отказаться и от концепций “двойных или тройных связей”, наряду с занятной идеей “резонанса”, когда допускается, что система, промежуточная между двумя возможными состояниями, обретает добавочный энергетический компонент за счет изменения.

Некоторые теоретические концепции (такие как “двойные связи”), несостоятельные в свете новых выводов, были достаточно полезны на практике. По этой причине химикам будет трудно принять ошибочность этих идей. Как объяснялось во введении, большие успехи, достигнутые в области науки, были сделаны с помощью теорий, сейчас признанных неверными и отброшенных. Причина в том, что ни одна из этих теорий не была полностью неверной. Чтобы обрести любую значимую степень признания, теория должна быть корректна, по крайней мере, в некоторых отношениях. И как продемонстрировал опыт во многих случаях, правомочные характеристики могут внести свой вклад в понимание связанных с ними явлений, даже если другие части теории абсолютно некорректны.

Необходимость расставания с давно лелеемыми идеями будет менее болезненной, если осознается, что “двойные связи” и связанные с ними концепции, от которых следует отказаться, не являются реальными физическими сущностями. Это изобретения, с помощью которых определенные эмпирические отношения математической природы облечены в описательный язык для более удобного манипулирования. Линус Полинг выражает это очень ясно в следующих утверждениях:

“Структурные элементы, которые используются в классической, структурной теории - единичная связь углерод-углерод, двойная связь углерод-углерод, связь углерод-водород и так далее - тоже являются идеализациями, не существующими в реальности. Да, после продолжительного опыта использования классической, структурной теории химики стали говорить и, возможно, думать о двойной связи углерод-углерод и других структурных единицах теории так, как будто они реальны. Однако размышление вынуждает осознать, что они нереальны, а являются такими же теоретическими конструкциями, как и индивидуальные структуры Кекуле для бензола”.68

Когда появляется корректная теория, она должна включать обоснованные характеристики предыдущей некорректной теории. Но суть таких характеристик, если они появляются в контексте других теорий, часто затемняется тем, что они выражаются другим языком. В рассматриваемом случае современная химическая теория гласит, что сцепление в органических соединениях возникает благодаря электронным силам. СТОВ приводит к выводу, что в атомных структурах нет электронов, соответственно, нет и электронных сил. Тогда, на первый взгляд, показалось бы, что новые выводы отрекаются от всей предшествующей структуры мысли. Однако при более скрупулезном исследовании видно, что, как таковым, электронам действительно придана недействительная роль в большинстве объяснений физических и химических явлений, объяснений, полученных из электронной теории. Теория пользуется только числовыми значениями.

Например, выводы, сделанные на основании положений элементов в периодической таблице, сейчас выражаются в терминах числа электронов. В условиях “насыщения” углерод обладает валентностью 4, потому что имеет в своей структуре 4 электрона; так гласит электронная теория. Из эмпирического свидетельства, очевидно, что в атоме углерода действительно имеются четыре некоего вида единицы, в то время как атом натрия имеет только одну такую единицу. Но эмпирические наблюдения не дают нам ничего кроме чисел 4 и 1; они ничего не говорят о природе единиц, к которым относятся числовые значения. Вывод, что эти единицы являются электронами, - чистое допущение, а отождествление с электронами не играет никакой роли в применении теории. 4 – это максимальная валентность углерода, а не число электронов.

Еще один пример - Закон Мозли, соотносящий характеристические частоты спектра элементов с их атомными номерами. Сейчас этот закон принимается как “некое доказательство” существования определенного количества электронов в атомах элементов. Те же выводы делаются и на основании оптических спектров. В публикации Национального Бюро Стандартов, озаглавленной Энергетические уровни атома, мы обнаруживаем позитивное утверждение: “Каждый химический элемент может испускать столько атомных спектров, сколько у него электронов”.69 На самом же деле, в обоих случаях эмпирическое свидетельство не говорит ни о чем кроме чисел. И вновь, наблюдения говорят об определенных количествах единиц, но не указывают на природу этих единиц. И до тех пор, пока мы рассуждаем лишь на основании эмпирической информации, это могут быть единицы любого вида, без ограничения.

Отказываясь от электронной теории в связи с этими явлениями, мы не совершаем никакого важного изменения; мы просто изменяем язык, которым выражаем свое понимание явлений. Вместо того чтобы сказать, что натрий имеет 11 электронов, один из которых пребывает в определенной “конфигурации”, на основании наших теоретических выводов мы говорим, что общее число единиц действующего смещения скорости в движениях вращения атома натрия составляет 11 единиц, и что лишь одна из них относится к электрическому (одномерному) вращению. В движениях вращения углерод обладает 6 единицами общего смещения, 4 из которых находятся в электрическом измерении. Из этого следует: в свойствах, обусловленных общим действующим смещением скорости (результирующему общему количеству движения в атоме), число, относящееся к натрию, составляет 11, а к углероду – 6. В тех свойствах, которые определяются смещением в электрическом измерении, соответствующими числами являются 1 для натрия и 4 для углерода.

Перевести образование “ионных соединений” с языка электронной теории на язык СТОВ так же просто. Электронная теория гласит: устойчивость достигается приспособлением к “электронной конфигурации” одного из элементов инертного газа, и что, например, калий и хлор достигают этого за счет передачи одного электрона калия хлору. Таким образом, оба обретают статус элемента инертного газа аргона. СТОВ говорит: в электрическом измерении хлор обладает одной единицей отрицательного смещения скорости вращения (единицей движения во времени). Он может входить в химическое соединение только посредством относительной ориентации, при которой это отрицательное смещение уравновешивается в нулевой точке надлежащим положительным смещением. Калий обладает положительным смещением, величиной в 1 единицу, и соединение одной положительной единицы с отрицательной единицей хлора создает требующийся результирующий общий нуль.

Как показывают вышеприведенные примеры, если рассматриваются лишь “ионные соединения”, СТОВ практически не меняет ничего кроме языка. Но если меняется язык, становится очевидно, что теория, относящаяся к одному ограниченному классу соединений, распространяется и на все реальные химические соединения. На этом основании нет необходимости в изобилии вспомогательных теорий, сформулированных для того, чтобы иметь дело с теми классами соединений, к которым не подходит базовое “ионное” объяснение. Вместо того чтобы прибегать к множеству разных “связей” (ионной связи, ионно-дипольной связи, ковалентной связи, водородной связи, трехэлектронной связи и многочисленным гибридным связям), требующихся для адаптации электронной теории ко многим видам соединений, СТОВ пользуется одними и теми же теоретическими принципами для всех соединений.

            В рассмотренных случаях перевод с языка электронной теории на язык СТОВ ведет к значительному прояснению механизма вовлеченных процессов. Если мы перестаем пользоваться электронной теорией, ни одна из ее величин не теряется; на другом языке она переносится в теоретическую структуру СТОВ.


68 Pauling, Linus, The Nature of the Chemical Bond, Cornell University Press, 1960, page 217.

69 См. например: Badger, G. M., The Structures and Reactions of the Aromatic Compounds, Cambridge University Press, 1954, Chapter 1.



Эзотерические консультации он-лайн

Комментарии: (0)   Оценка:
Пока комментариев нет


Все права защищены (с) divinecosmos.e-puzzle.ru

Сайт Дэвида Уилкока

Яндекс.Метрика



Powered by Seditio