Оглавление (стр. 3 )

1.1.3. Понятие кратности связи

Число единиц сродства, затрачиваемое на данную связь каждым из двух связанных атомов, называется кратностью связи. Согласно предшествующему постулату кратность связи измеряется целым числом (одинарные, двойные, тройные и т. д.) связи.

Из указанных постулатов следует, что общее число единиц сродства всех атомов любой частицы всегда четное, т. к. все единицы сродства всегда взаимно насыщены в любой молекуле.

Свободных единиц сродства у атомов в частицах согласно классической теории быть не может.

1.1.4. Формулы химического строения классической теории

Для графического изображения последовательности и кратности главных взаимодействия (химических связей) атомов в молекулах вводятся так называемые формулы химического строения. В этих формулах эффективные атомы, входящие в состав молекул изображаются символами соответствующих химических элементов, а главные взаимодействия, имеющие место между определенными парами атомов (химические связи), изображаются таким числом черточек, какова принятая кратность соответствующего главного взаимодействия (соответствующей химической связи).

Формулы химического строения классической теории передают графически последовательность и кратность химических связей между атомами в частице.

Например, для частиц четыреххлористого углерода CCl4, этилена C2H4, ацетилена C2H2, формулы химического строения, согласно ортодоксальной классической теории будут

(1.1.4.1.)

В соответствии с последовательностью и кратностью отдельных главных взаимодействий, общепринятых для этих частиц.

Классические формулы химического строения молекул могут быть представлены в матричной форме. Строки и столбцы таких матриц соответствуют отдельным атома молекулы, а наличие химических связей определенной кратности между некоторыми парами атомов может быть обозначена цифрами 1,2,3 и т. д. на пересечении соответствующих строк и столбцов. В частности, в матричной записи формулы химического строения молекул CCl4, C2H4, C2H2, будут

1.1.5. Предсказание строения новых, экспериментально

еще неполученных частиц и рядов частиц

Классическая теория позволяет (опираясь на определенные экспериментальные данные) не только описать в определенных понятиях внутреннее строение молекул уже изученных экспериментально, но и предсказать возможность существования новых, еще не изученных молекул и новых рядов молекул. Специальный постулат на котором основаны такие предсказания, может быть сформулирован в следующей форме.

Если в изученных частицах, строение которых надежно установлено в рамках классической теории, атомы некоторых элементов встречаются с определенной валентностью и образуют между собой связи определенных кратностей, то, как, правило, могут существовать любые химические частицы, для которых можно написать формулы химического строения, содержащие атомы указанных элементов в установленной для них валентности (в других уже изученных частицах и рядах частиц).

Таким образом, написав любую формулу строения, удовлетворяющую поставленным выше условиям, можно утверждать, что эта формула отражает в понятиях ортодоксальной классической теории строение некоторой частицы, которая может устойчиво существовать как единое целое, не распадаясь, самопроизвольно (например, в вакууме, в отсутствие соудорений с другими частицами и внешних полей).

Пример. Простейшим молекулам, содержащим атомы водорода и кислорода, таким как Н2О, Н2О2 и Н2О4, приписываются в настоящее время следующие формулы химического строения

О О О

Н Н, Н Н,

О О Н

Н О О

(1.1.5.2.)

Следовательно в этих молекулах атому водорода приписывается валентность, равная единице, атому кислорода – валентность, равная двум. Атомы водорода и кислорода этих рядов, как следует из формул строения могут образовать связи О – Н и О – О. На основании постулата, изложенного выше, возможно существование, например, следующих молекул, содержащих атомы и связи тех же родов

и т. д.

Аналогичным путем может быть предсказана возможность существования многих сотен тысяч до сих пор не синтезированных частиц определенного строения.

Нужно еще раз подчеркнуть следующее: во-первых, не абсолютно все из предсказанных таким путем частиц (или рядов частиц) обязательно окажутся действительно устойчивыми (способными существовать в вакууме, в отсутствие соудорений с другими частицами и внешних полей, самопроизвольно не распадаясь). Некоторые из предсказанных частиц сложного строения, в особенности с резко сближенными группами атомов, а также содержащие много малых циклов (трехчленных, четырехчленных), могут оказаться не существующими реально. Однако процент таких неверных предсказаний, как показывает вся имеющаяся практика химии, будет относительно невелик. Кроме того по написанной формуле строения часто уже можно в некоторой мере судить о степени вероятности существования соответствующей частицы.

1.1.6. Классификация атомов в молекулах

а). Род атома

Атомы в любых частицах могут быть классифицированы по значениям их зарядов Z и по значениям их чисел валентности q. Будем относить все атомы с данными Z и q в любых частицах к одному роду. Таким образом род атома определяется числами Z и q и обозначается символом . Если вместо символа ЭZ употребляется символ соответствующего химического элемента, то получим другое возможное обозначение атома определенного рода. Например, четырехвалентный (в какой-либо молекуле) атом углерода относится к роду, который в общих обозначениях будет Э6,4, а в обозначениях, использующих символ химического элемента, будет обозначаться символом С4.

б). Тип атома

Атомы определенного рода (с заданными значениями Z и q) могут различаться распределением единиц сродства, по связям которые эти атомы образуют в частицах. Поясним это на примере. Для четырехвалентного атома (q=4) любой химической индивидуальности, т. е. атома рода ЭZ,4 все возможные распределения единиц сродства можно получить, представляя q = 4 как сумму целых чисел:

Каждому такому разложению числа q по целым числам соответствует определенное распределение четырех единиц сродства по связям возможное для четырех валентного атома (любой химической индивидуальности).

Правее индекса р = 1,2,3,4,5 перенумерованы (в порядке возрастания слагаемых) всевозможные распределения единиц сродства атома рода ЭZ,4 по связям. Каждое из разложений может быть однозначно определено его номером (р=1,2,3,4,5).

Таким образом, атомы определенного рода ЭZ,4 могут быть классифицированы еще на типы, перенумерованные индексом р. Атомы определенного типа изображаются символом

ЭZ, q,p или ЭА,

т. е. определены тремя числами Z, q,p, совокупность которых может быть обозначена символом А. Все атомы в любых частицах, имеющие одинаковые значения Z, одинаковые значения q и одинаковые значения p, будут относиться к одному типу. Атомы, различающиеся значением хотя бы одного из этих трех чисел, - к разным типам. Так, например, четырехвалентный атом углерода может быть теоретически пяти типов:

(1.1.3.)

Пятивалентный атом фосфора теоретически может быть семи типов:

(1.1.4.)

В общих обозначениях символы приведенных выше теоретически возможных семи типов атома фосфора будут:

Э15,5,1, Э15,5,2, Э15,5,3, Э15,5,4, Э15,5,5, Э15,5,6, Э15,5,7.

в). Вид атома

Атомы в химических частицах могут находиться в различном окружении. Рассмотрим только так называемое «первое окружение» каждого атома в какой-либо молекуле, т. е. только совокупность атомов в молекуле, непосредственно связанных (главными взаимодействиями) с рассматриваемым. Например, в молекуле хлористого винила.

(1.1.5)

для левого атома С первое окружение будет содержать атомы Н, С и Cl, очерченные в формуле пунктиром.

Вид атома определяется его типом (т. е. тремя числами Z, q и p) и первым окружением этого атома в рассматриваемой молекуле с учетом химической индивидуальности, валентности и распределения связей соответствующих атомов первого окружения. Например, атомы азота в двух молекулах:

(1.1.6.)

относятся к одному виду, так как их первые окружения (показанные пунктиром) одинаковы. Атомы азота в двух молекулах:

(1.1.7.)

относятся к разным видам, так как атомы С в их первом окружении различаются распределением единиц сродства по связям.

В общем случае все возможные виды атомов типа ЭZ, q,p в разных молекулах могут быть перенумерованы индексом i (или j), и тогда общее обозначение какого-либо вида атома будет