Лекция 6. Эволюция естественнонаучных знаний о веществе. Природа химической связи

ЛЕКЦИЯ 6. Эволюция естественнонаучных знаний о веществе. Природа химической связи

Вопросы: 1. Виды взаимодействий, определяющие состояние материи. Классификация микрочастиц.

2. Природа и принципы химической связи. Количественные характеристики химической связи.

3. Сопоставление представлений о структуре материи. Состояние вещественной материи

Горбачёв, с.138 – 150

Карпенков, с.189 – 207

Канке, с.145 – 158

Дубнищева, с.311 – 337

Квантовая механика как область знаний о свойствах микромира выделяет в нём три основные особенности:

- корпускулярно – волновой дуализм;

- дискретный характер всех параметров объектов и процессов микромира;

- вероятностный, статистический смысл любых расчётов, утверждений и выводов о поведении элементарных частиц в микромире.

Указанные особенности квантовой физики микромира основаны на

4-х видах фундаментальных взаимодействий:

Фундаментальные взаимодействия

Вид взаимодействия	Константа взаимодействия	Радиус действия
Гравитационное Электромагнитное Сильное Слабое	6∙10-39 1/137 1 10-14	¥ ¥ (0,1-1)∙10-15м <<0,1∙10-15м

В порядке убывания интенсивности: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное, гравитационное.

Частицы взаимодействуют между собой путём обмена квантами силовых полей.

Квантами – переносчиками сильного взаимодействия являются безмассовые глюоны (8); для электромагнитного – безмассовые фотоны (1); для слабого – бозоны (три частицы в 90 раз тяжелее протона); для гравитационного – безмассовые гравитоны (со спином, равным 2).

Четырём фундаментальным взаимодействиям соответствуют 4 мировые константы, определяемые экспериментальным путём.

Для единого теоретического описания всех физических процессов (создания единой картины мира от микро - до макро-уровня) определяющую роль должны играть безразмерные константы, не связанные с условным выбором исходных единиц и систем отсчёта.

Таковыми являются константы 4-х взаимодействий:

константа гравитационного взаимодействия

ag = ≈ 10-39;

константа электромагнитного взаимодействия

aе = ≈1/137

константа сильного взаимодействия

as = ≈ 1,

где gs – цветовой заряд << е; gs2~ ; = h/2p

константа слабого взаимодействия

aw = ≈ 10-5 ×m2

Здесь g ~1,4×10-62Дж×м3 - константа Ферми.

Принято считать, что все 4 вида взаимодействия и их константы обусловливают нынешнее строение и существование Вселенной:

Гравитационное – удерживает планеты на орбитах и тела на Земле;

Электромагнитное – удерживает электроны в атомах и соединяет атомы в молекулы;

Сильное – обеспечивает возможное стабильное состояние ядер атомов;

Слабое – обеспечивает длительность «горения» звёзд, обеспечивающего энергией жизненные процессы.

Теоретическая физика показывает, что изменение числовых значений этих или других констант приводит к разрушению устойчивости структурных элементов Вселенной.

Например: увеличение массы электрона (mo) от ~ 0,5 МэВ до 0,9 МэВ

нарушит энергетический баланс в реакции образования дейтерия в солнечном цикле и приведёт к дестабилизации устойчивых атомов.

Увеличение as ≈ на 40% приведёт к выгоранию водорода на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Изменение aе приводит к нестабильности атомов;

Увеличение aw привело бы к уменьшению времени жизни свободных нейтронов и на ранних стадиях развития Вселенной не образовался бы гелий 24He (a - частица) и не было бы реакции синтеза углерода:

3a ® 612С

Уменьшение aе привело бы к связыванию всех протонов в a - частицы и сформировалась бы не водородная, а гелиевая Вселенная.

Т. о. в нашей Вселенной существует точная «подгонка» числовых значений мировых констант, обусловившая стабильность ядер атомов, звёзд и Галактик. Такая подгонка обеспечивает и существование жизни. В целом можно считать, что многообразие и единство физического мира, его порядок и гармония, предсказуемость и повторяемость формируются и управляются системой небольшого числа фундаментальных постоянных.

Величина aе ≈1/137 показывает, что электромагнитное взаимодействие слабое (a <1). Электромагнитное взаимодействие

в макромире обусловлено нулевой массой фотона, что приводит к дальнодействию: электромагнитные силы действуют на больших расстояниях. Если бы масса фотона была отлична от нуля, то эти силы не действовали бы на больших расстояниях, а действовали бы только в микромире.

Благодаря эл.-магн. силам существуют атомы (ядро (+) притягивает е(-)), молекулы и другие вещественные образования в которых противоположно заряженные частицы притягиваются друг к другу.

Квантовая механика предсказывает и такое необычное проявление

эл.-магн. взаимодействия как «обменные силы», обусловливающие перекрывание электронных плотностей двух взаимодействующих атомов. На мегауровне также есть примеры глобального влияния магнитных полей на характеристики космических объектов (пульсары).

Слабые взаимодействия проявляются только в микромире

(свободный нейтрон)o1n ® 11p + 1oe + n(антинейтрино)

По мере открытия множества других элементарных частиц: p - мезонов; К - мезонов; гиперонов и др. обнаружилось, что распады этих частиц объясняются одной и той же силой, описываемой мировой константой слабого взаимодействия aw = 10-5 ×mр2, где mр- масса протона.

В 70-х гг. была создана стандартная модель единого «электрослабого взаимодействия», подтверждённая открытием предсказанных ею новых частиц – промежуточных векторных бозонов (Вайнберг, Салам, Глэншоу). Слабые взаимодействия тесно связаны с электромагнитными, хотя и описывают взаимодействие нейтральных частиц.

Сильные взаимодействия – превышают электромагнитные силы отталкивания, действующие между одинаково заряженными протонами и действуют на расстояниях порядка 10-12 – 10-15 см. Элементарные частицы, подвергающиеся сильным взаимодействиям, получили названия адронов. Это протоны и нейтроны – основные массивные частицы атомного ядра. Все основные свойства протонов и нейтронов (и др. элементарных частиц) являются результатом различных комбинаций шести видов кварков. Кварки, предложенные амер. физиком М. Гелл-Манном (р.1929) для объяснения некоторых свойств элементарных частиц, представляют собой первооснову, строительный материал для более крупных частиц, существующую

только в связанном виде и не обнаруженную в природе в самостоятельном виде. В этом проявляется их необычность: они всегда находятся внутри протона и нейтрона и на ускорителях при высоких энергиях сталкивающихся частиц наблюдаются как «струя» частиц – адронов (конфаймент, «кварковая тюрьма»). «Склеивают» кварки – глюоны (векторные поля со спином 1).

Кварки

Свойства	u (верхний)	d (нижний)	s (странный)	c (очарованный)	b (красивый)	t (высокий)
Масса, mo	1,5-5,0 МэВ/с2	3 – 9 МэВ/с2	60-170 МэВ/с2	1,1-4,4 ГэВ/с2	4,1-4,4 ГэВ/с2	17 ГэВ
Эл. заряд (е)	+2/3	-1/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2

Основные свойства частиц: масса, заряд, спин, специфические свойства.

Независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями её параметров определяет её степени свободы. Степени свободы кварков – «аромат» и «цвет».

Обычное вещество состоит из лёгких u- и d- кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжёлые кварки «создаются» искусственно или «наблюдаются» в космических лучах. Здесь слова

«создаются» или «наблюдаются» нельзя понимать буквально – ни один кварк не был зарегистрирован в свободном виде, их можно наблюдать только внутри адронов (общее название для частиц, наиболее активно участвующих в сильных взаимодействиях):

Адроны – имеют конечные размеры и сложные структуры

(«сильный, крупный»)

Барионы (состоят из 3-х кварков) Û резонансы Û мезоны (состоят из кварков и антикварков)

нестабильны с t½ порядка 10-23 с.

Протоны нейтроны

Протон состоит из 2-х u-кварков и одного d-кварка, связанных глюонным полем. Он имеет конечные размеры ~ 10-15м, имеет облако с размытыми границами, состоит из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц (кварки удерживаются вместе связями с энергией порядка 109 эВ).

Нейтрон состоит из одного u-кварка и 2-х d-кварков; стабилен только в составе ядер; свободный нейтрон распадается на е, р и электронное антинейтрино с t½=12 мин.

Связь между протонами и нейтронами в ядре основана на обмене виртуальными частицами(энергия взаимодействия порядка 106 эВ).

Виртуальными являются частицы, для которых не выполняется обычная связь между энергией, импульсом и массой; они имеют такие же квантовые числа как и соответствующие реальные частицы.

Стандартная модель субатомной структуры микромира, существующая в современной теоретической физике подразделяет все элементарные частицы на две основные группы: фермионы, составляющие вещество и бозоны, переносящие взаимодействия между фермионами в виде приложенных к ним сил притяжения и отталкивания. Все фермионы характеризуются полуцелым спином (½) и подчиняются принципу Паули.

Фермионы включают: лептоны и адроны.

Лептоны

Поколение	Лептон	Кварк
Первое	Электронное нейтрино nе Электрон е	верхний (up) – u нижний (down) – d
Второе	Мюонное нейтрино nm Мюон m	очарованный(charm)-с странный (strange)-s
Третье	Тау нейтрино t Маон mt	истинный (truth)-t прелестный(beaty)- b

В настоящее время истинно элементарными частицами следует считать шесть сортов кварков с их «ароматами» и шесть сортов лептонов.

Бозоны, кроме фотонов включают мезоны (спин 0,1.2) и теоретически предсказанные частицы Хиггса: Н-мезоны и гравитино.

Ядерно-физические исследования имеют огромное научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи и в практическом отношении – в энергетике, медицине и т. д.

Несмотря на высокую интенсивность сильного взаимодействия постепенное увеличение числа частиц в ядре с ростом порядкового номера химического элемента приводит к ослаблению связей между ними и существование атомных ядер со сколько угодно большим числом составляющих его частиц принципиально невозможно. В реальности существует некоторое предельное отношение массового числа атома химического элемента к его заряду ядра (порядковому номеру), превысить которое в нормальных физических условиях не удаётся.

Наконец, гравитационное взаимодействие играет малую роль в субатомных масштабах и определяющую роль в мегамире. Попытки объяснить его природу опираются на теорию суперструн (частицы представляются колебаниями петель из очень тонких и очень тяжё-лых образований - струн), фундаментальную теорию из которой следуют все свойства элементарных частиц

(на низком энергетическом пределе теория суперструн сводится к теории супергравитации).

Нынешний экспериментальный предел, примерно, 1010 эВ.

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных химических соединений, а также агрегатных состояний вещества: твёрдого, жидкого и газообразного.

С развитием квантово-механических представлений о химической связи, теория строения превращается в общехимическую фундаментальную теорию.

Основные принципы образования химической связи:

1.Связь образуют электроны (один или несколько), которые могут находиться вблизи двух или большего числа ядер одновременно.

2.Характер (тип) химической связи определяется валентными электронами (которые легче всего удалить от ядра), обобществлёнными между валентными (внешними) орбиталями.

Основным понятием теории химической связи является понятие валентности. В настоящее время валентность определяется числом валентных орбиталей, участвующих в образовании связей и не имеет знака. Формами выражения валентности в определённых типах химической связи является спинвалентность, определяемая числом неспаренных электронов; координационное число, определяемое числом ионов или молекул, расположившихся в пространстве вокруг выбранного центрального атома.

По типу взаимодействия электронов и орбиталей различают ковалентную, ионную, металлическую, водородную связи и межмолекулярные силы взаимодействия.

3.Прочность связи определяется энергией разрыва связей Есв.в кДж/моль, которая для бинарных связей, к примеру, равна:

Вид связи	Есв, кДж/моль	Вид связи	Есв, кДж/моль
H-H H-C H-N H-O H-F H-Cl	436 415 330 468 536 432	H-Br H-I F-F Cl-Cl Br-Br I-I	360 299 159 243 193 151

4. Количественные характеристики химической связи:

Длина связи l, нм – длиной связи называют равновесное расстояние между ядрами взаимодействующих атомов. Она остаётся практически постоянной для данной пары атомов в сходных соединениях. Длина связи зависит от размеров атомов и степени перекрывания орбиталей:

Химическая связь	l, нм	Химическая связь	l, нм
H-F H-Cl	0,092 0,128	H-Br H-I	0,142 0,162

Углы между связями. Одно из наиболее важных открытий относительно углов между связями заключается в том, что для каждого конкретного ядра они оказываются одинаковыми с точностью 3-5%. Углы между связями – валентные углы могут принимать самые разнообразные значения от 60 до 180о. Наиболее часто встречающиеся углы между связями близки 90, 109, 120 и 180о.

Значения углов между связями настолько хорошо воспроизводятся, что это позволяет обнаруживать сходство между структурами одного типа. Например, углы между связями 4-х координированного углерода составляют ≈ 109±3о, для 3-х координированного - 120±3о.

Связь между наиболее распространёнными типами симметрии молекул и углами между химическими связями показана в таблице:

Координиро- ванное число атомов	2	2	3	4	4	6
Структура	линейная	изогнутая	плоская треугольная	тетраэдри- ческая	плоская квадратная	октаэдри- ческая
Валентный угол, о	180	60-180	120	109о28¢	90	90
Пример	HgCl2	SO2,H2S	BF3	CH4	XeF4	SF6

Частота колебаний связи - n. Прочная химическая связь характеризуется более высокой частотой колебаний, чем слабая химическая связь (между аналогичными или одинаковыми атомами).

В случае разных атомов, но при одинаковой прочности связи, лёгкие атомы колеблются с большей частотой. Длины связей лучше коррелируют с частотами колебаний связи, чем с углами. Прочным связям соответствуют меньшая длина и большая частота колебаний. Слабым связям соответствует большая длина и меньшая частота колебаний.

5.Связь между атомами может быть одинарной (s), двойной (s и p) и тройной (s и 2p). Кратность связи определяется числом и типом (s-,p-,d-) валентных орбиталей:

Химическая связь	Средняя длина связи ±0,04	Средняя энергия связи, ккал/моль	Средняя частота колебаний связи (±1)×1013 с-1
С-С С=С СºС	1,54 1,33 1,20	83 146 199	2 5 6

6.Связь может быть полярной и неполярной – типично ковалентной.

Это определяется разностью значений электроотрицательностей взаимодействующих атомов:

DЭО > 2,5 – связь преимущественно ионная;

2,0 <DЭО< 2,5 – с большим ионным вкладом;

DЭО< 2,5 –ковалентная полярная;

DЭО< 1,0 – малополярная ковалентная;

DЭО≈ 0 – неполярная ковалентная (типично ковалентная) связь.

7. Во всех случаях образование связи приводит к понижению энергии системы.

8. Природа химической связи едина: связь осуществляется электронами за счёт «обменных» и электростатических сил взаимодействия; в любом веществе одновременно проявляются различные типы химической связи.

Сложность явления, именуемого химической связью определяет многообразие способов описания: МВС, ММО, ТПЛ, ТКП, ЗТК.