ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, ОПРЕДЕЛЯЮЩАЯ ОБРАЗОВАНИЕ, СПЕЦИФИКУ ЭЛЕКТРОННОЯДЕРНОЙ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Необходимость совершенствования теории строения веществ и тонкой (электронно-ядерной) микроструктуры материалов в плане развития единых подходов к металлам и неметаллам показана выше в гл. 4 и 5. Этот уровень структуры является по сути химическим и описывается соответствующими теориями. Самыми же главными недостатками существующих и используемых в химии сейчас теорий химической связи (ММО, МВС, зонной и ионной) являются ограниченность области их использования и избирательность. Например, даже такая современная квантово-механическая теория, как ММО, сегодня не может определить границу между двумя фундаментальными типами таких химических соединений, как молекулярное (преимущественно ковалентное) и немолекулярное (преимущественно металлическое или ионное) химическое вещество. Как уже отмечалось, это принесло отрицательные результаты, включая фактическое вытеснение из научного и учебного обихода главного фундаментального понятия химии — химического соединения — химического вещества и искажения изначально главного понятия — молекулы. То же можно сказать и об исследовании методом МО специфики «локализации-делокализации» ОЭ и отсутствии реальных попыток по созданию единой модели химической связи для трех предельных ее связей. Даже этих фактов уже достаточно для иллюстрации недостатков существующих сегодня теорий химической связи и строения химических веществ и материалов.

Как уже было показано, тонкая (электронно-ядерная) структура металлов и неметаллов является по сути химической. Поэтому автор, развивая теорию химического строения вещества А.М. Бутлерова, трансформировал ее в единую теорию строения химических соединений (химических веществ) или теорию унитарной (единой) химии как уникальной (от лат. unicus — единственный в своем роде) науки, основные положения которой рассмотрим далее [ 1, 2]. Именно опора на эту теорию и четыре базисные научные инновации, рассматриваемые в данной работе, и позволяет раскрыть по-новому предмет материаловедения как единую научную и учебную дисциплину о металлических и неметаллических материалах.

Началом или точкой отсчета любой строгой науки являются ее постулаты.

Первый химический постулат: химическая вещественная форма существования материи является индивидуальной. Следовательно, химическое вещество (молекулярное и немолекулярное) характеризуется фундаментальными отличиями от веществ физического и биологического уровня.

Второй химический постулат: химическое соединение (вещество) является главным фундаментальным объектом и понятием химии, основой химического уровня существования и превращения вещественной формы материи на Земле. Следствием этого постулата является вывод о том, что именно химическое соединение (гомо- и гетероядерное химическое вещество) формирует фундаментальную индивидуальность предмета химии — и как науки, и как учебной дисциплины.

Третий химический постулат: в условиях Земли (н.у.) химическое соединение является наиболее естественным и распространенным видом вещественной материи, а его превращение — наиболее распространенной формой движения материи на Земле.

Следствием третьего химического постулата является естественный вывод о том, что реальная химия и материаловедение начинается с химического соединения, а не с электрона или атома, которым бесполезно приписывать химические свойства в силу отсутствия (по А.М. Бутлерову) у них химического строения. Точнее, химия начинается с дискретного биядерного молекулярного вещества или с двухатомного (гомо- или гетеро-) химического соединения (типа F—F, Н—Н, О—О, Н—F и т.д.), а затем следует усложнение ее объектов в рамках образования многоядерных веществ. Таким образом, обобществленные электроны (СОЭ Ф 0) и хотя бы минимальная их локализация в межъядерном пространстве (0 < Ск< 100 или Ск Ф 0) — главное условие существования химического соединения. Определив истинное начало химии как границу между химическим и физическим уровнями строения (организации) вещественной материи, можно конкретизировать и единые фундаментальные начала химической науки. В результате наличие химической связи в веществе — главный критерий отнесения его к химическому типу. В рамках такого подхода теряют всякий смысл навязываемые до сих пор значительной частью физиков и даже некоторыми химиками претензии физической науки на приоритет в создании теоретических основ и фундамента химии.

Главным фактором, определяющим специфику электронно-ядерной микроструктуры химического вещества и материала, является химическая связь, которая не имела до последнего времени единой модели и общей универсальной химической теории, ее описывающей. Творческое развитие идей А.М. Бутлерова (о новом фундаментальном качестве молекулы по сравнению с атомом и специфике «химического строения» вещества), опора на точку зрения Д. Льюиса (называвшего ковалентную связь чисто химической, но допускавшего возможность непрерывного перехода к другому предельному ее типу) и Л. Полинга (рассматривающего в рамках квантово-механической теории химическую связь как наложение ковалентного и ионного состояний) привели к качественно новому взгляду на химическую связь. В гл. 5 приведена формулировка основного фундаментального положения, обеспечившего возможность создания единой модели химической связи: любую химическую связь необходимо рассматривать как наложение на ее ковалентную составляющую либо металлической (гомоядерная связь) или одновременно металлической и ионной компонент (гетероядерная связь). Отсюда следует вывод, что по сравнению с металлической и ионной ковалентная компонента химической связи никогда не может быть равной нулю.

Развивая квантово-химические представления Гайтлера и Лондона и разрабатывая МВС, в 1939 г. Л. Полинг, с позиций концепции резонанса, предложил рассматривать гетероядерную связь как наложение друг на друга двух состояний: ковалентного (К) и ионного (И). В результате, опираясь на идею Льюиса о возможности непрерывности перехода между ними (1916 г.), Полинг получил эмпирическую зависимость, позволяющую количественно оценить по формулам (5.15) и (5.16) вклад этих двух компонент связи в гетероядерное взаимодействие. Особое значение при этом имеет мнение Л. Полинга о том, что при промежуточных значениях структурных параметров для описания строения молекулы может быть использована волновая функция аЧ'^.щ + бЧ^д+в являющаяся линейной комбинацией волновых функций, отвечающих нормальной ковалентной структуре А:В и ионной структуре А+ В- с численными коэффициентами а и Ь, причем отношение коэффициентов а/b выбирается для каждого ряда структурных параметров таким, чтобы энергия связи была максимальной. Для промежуточных значений относительных электроотрицательностей (элементов. — Прим, авт.) А и В, когда коэффициенты а и b в волновой функции + Ь'?(/+в~) примерно равны по

величине, связь можно представить как резонирующую между предельно-ковалентной и предельно ионной. В результате теория резонанса впервые подвела фундаментальную основу под осуществление практической возможности количественной оценки вклада этих двух компонент в характеристику реальной — смешанной (а не одной предельной из этих двух) химической связи и промежуточных значений структурных параметров соединения с использованием волновой функции обобществленных электронов (Ч*^). Последняя была представлена в виде ее линейной комбинации, учитывающей наложение двух предельных типов структур (ковалентной и ионной) и резонанс между ними в процессе обменного взаимодействия ядер. Степень обобществления электронов (СОЭ) в преимущественно ковалентной связи стремится к 50%, а ионной — к 0.

Развивая эти подходы, автор учебника совместно с Р.О. Сироткиным в 1991 г. [1— 6J предложил рассматривать любую гомоядерную связь как наложение на ковалентную компоненту металлической (М) составляющей (СОЭ —> 100%). Гомоядерную же связь можно представить в виде суммарной волновой функции обобществленных (валентных) электронов (Ч/оэ), резонирующих между предельно ковалентным (типа F—F) и предельно (а точнее «максимально»[1]) металлическим (Fr— Fr) вариантами взаимодействия элементов (типами связей). При нарушении равновесия резонанса в ту или другую сторону имеет место рост одной из двух компонент связи и соответствующее уменьшение другой.

где А — ядра или атомные остовы элемента соответствующей гомо- ядерной связи; Ч/д+ . + — ковалентная составляющая в суммарной волновой функции, Ч/ДС д+ — металлическая составляющая

в суммарной волновой функции, характеризуемая смещением (Т) обобществленных электронов; Ск и См — коэффициенты, определяющие соответственно долю ковалентной и металлической компонент гомоядерной связи (в интервале от 100 до 0% или от 1 до 0).

Для определения степени ковалентности (Ск) и металличности (См) гомоядерных связей через первый потенциал ионизации (I, или ППИ) и ЭО были получены соответствующие формулы (см. гл. 5). Совершенствуя методологию описания реальных смешанных типов взаимодействия элементов тонкой структуры материала с единых позиций и опорой на уравнение Шредингера и теорию Полинга, в приложении волновой функции и резонанса между тремя компонентами гетероядерную связь можно представить в виде суммарной волновой функции обобществленных (валентных) электронов (Уоэ):

где А и Б — ядра или атомные остовы различных элементов в соответствующей гетероядерной ХСв; Ск, См и Си — коэффициенты, определяющие долю ковалентной, металлической и ионной составляющих связи, которые в сумме равны единице или 100%; |/а-б — ковалентная составляющая в суммарной волновой функции ОЭ (ковалентная компонента); |/д+_|_Б+ металлическая составляющая в суммарной волновой функции ОЭ (металлическая компонента); |/А++_^Б- — ионная составляющая в суммарной волновой функции ОЭ (ионная компонента).

В результате основы единой модели химической связи элементов химического вещества и материала базируются на следующих положениях (аксиомах):

  • • все реальные типы связи являются смешанными по существу, т.е. промежуточными между двумя (гомоядерные) или тремя (гетероядерные) предельными, т.е. должны характеризоваться соответствующим числом компонент связи;
  • • одной из этих компонент обязательно является ковалентная связь;
  • • характер локализации (делокализации) обобществленных (валентных) электронов в межъядерном пространстве химического соединения и его структура определяются соотношением компонент связи или основной компонентой, которая преобладает над остальными.

В итоге состояние ОЭ в результате наложения всех трех компонент химической связи друг на друга и характер локализации—делокализации ОЭ в межъядерном пространстве химического соединения можно описать (см. гл. 5) в общем виде уравнением суммарной волновой функции (5.6 и 5.7). По сути, эти уравнения представляют современный симбиоз классических и квантово-механических подходов для описания реальных химических связей в рамках единой универсальной модели.

Основополагающие положения химии (как и любой другой естественной науки, включая материаловедение) должны раскрывать причинно-следственные связи, определяющие: 1) возникновение и устойчивое существование соответствующего конкретного уровня организации вещества (в данном случае химического); 2) специфику, природу и тип его структурной организации (химической структуры) и 3) особенности его свойств (химических и физико-химических). Приведем следующие варианты их дефиниций.

В результате первое фундаментальное положение, определяющее принципиальную возможность образования и существования химического соединения, может быть сформулировано следующим образом: образование химического соединения как качественно новой по сравнению с атомом объективно существующей индивидуальной вещественной формы материи и его стабильное существование определяется возможностью эффективного перекрывания электронных оболочек индивидуальных атомов, приводящего к устойчивому обмену между ними электронами, их обобществлению и, соответственно, к химическому связыванию этих атомов. Сокращенный вариант данной дефиниции: образование химического соединения определяется возможностью устойчивого обмена электронами и их обобществлением между индивидуальными атомами.

Следствием данного химического связывания атомов является межуровневое преобразование (по существу прямое физико-химическое превращение) вещества физического уровня (атома — физического соединения элементарных частиц) в вещество химического уровня (химическое соединение атомных частиц), в результате чего атом теряет свою индивидуальность, превращаясь в ядра (или атомные остовы), которые входят в структуру химического соединения в виде соответствующих элементов. Математическое выражение этого положения как главного фундаментального условия возникновения и существования химического вещества через СОЭ представляет собой следующий вид:

или в процентах

Взаимосвязь строения химических соединений с их составом и типом химической связи определяет второе фундаментальное положение, которое можно представить следующим образом: структура химического соединения (вещества) в первую очередь определяется его составом (гомо- и гетероядерный), элементной природой (s-, р-, d-,f~), видом (катион, анион и т.д.) ядерных центров (атомных остовов) и их количеством, т.е. степенью обобществления электронов, характером их локализации и, соответственно, типом химической связи между остовами. Сокращенный вариант формулировки данного положения: структура химического соединения (вещества) определяется типом связи между элементами, его образующими.

Данное положение может быть выражено через интервал изменения основных химических компонент связи от 0 до 100 (в %) в соответствующих гомо- и гетероядерных структурах:

Третье фундаментальное положение, характеризующее взаимосвязь свойств химических соединений с их структурой (химическим строением), можно представить в следующем виде: свойства химического соединения (вещества) определяются его структурой (химическим строением). Фактически приведенное положение является результатом современного развития основных положений теории химического строения А.М. Бутлерова, утверждающих, в частности, что свойства молекулы определяются... ее химическим строением.

Аналогично свойства материала определяются его структурой, а точнее (в отличие от химического соединения), совокупностью структурных параметров всех уровней структурной организации материала — от химического (электронно-ядерного), продолжая на нано-, микро-, мезоуровнях, до макроуровня.

  • [1] Термин «максимально» предполагает возможность существования металлов ис большей металличностью гомосвязи, чем у Fr, так как ПС дополняется новыми элементами в нижней ее части, а не в верхней, что дополнительно подтверждает правильность выбора связи F—F в качестве «предельно» ковалентной(100%) в нормальных условиях по сравнению с другими гомоядерными связями элементов ПС.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >