Основы физики и астрофизики
* *****@***ru
1. Периодическая система комбинаций частиц как эмпирическая основа физики и химии
2. Физика и причины периодичности (законы уровней элементов, частиц и ядер)
3. Законы энергий ионизации, связи и реакций различных уровней
4. Принципы катализа и строения систем
Периодическая система элементов с “характерными соединениями групп” Менделеева представляет вид и начало общей Периодической системы комбинаций частиц (р, п, е), элементов, их соединений и реакций, энергетического и материального обмена, катализа и регуляции, теории и практики будущего.
Конкретная форма ПС элементов, соединений и реакций связана с физикой и геометрией в R3, видом “конфигураций” электронов и протонов с общими законами. Отличия и законы химии и физики частиц и ядер связаны со знаком притяжения и отталкивания их электронов и протонов, энергии ~Z/r. Они определяют выгоду l=0 в химии и l≠0 в ядрах, периодичности и оболочек их, АО, МО и ЯО, где те же s2p6- элементы заполняются в 2Не и 8О, без 1-2s2-перехода. Эмпирическую базу теории дает анализ атомных масс А элементов ПС, определяющий оболочки, энергии и реакции ядер, а анализ Т - времени жизни изотопов определяет кинетику, скорости реакций, их законы и квантование типа αn.
Выгода l=0 с s-проникновением к ядру (~Z, n) обуславливает законы энергий ионизации (ZN-I), формы ПС и химии, изменения по вертикали и горизонтали системы. Рост и падение энергии ионизации Ei и диссоциации-связи Ed в s2p3-4-состояниях обуславливает максимум энергии связи С-Н и С-С - органических соединений, уменьшение энергии связи или рост энергии окисления по мере оттягивания электронов у углерода (противоположно N, O), как главный закон неорганической, органической и биологической химии. Это дает метод объяснения и расчетов, энергии различных соединений и реакций, как комбинаций и разностей этих s2pk-состояний, их активации и катализа и открывает путь “новой химии”, электронной теории и связи естествознания от физики до биологии.
Законы энергии ионизации атомов оказываются определяющими для ионизации в других условиях сред, помимо химических соединений, графика Е(ЭН), включая уравнения Саха и строение звезд, энергии или работы выхода и ширину зоны, электрохимические потенциалы и др.
Законы химии могут быть законами сопряжения, компенсации этих формальных степеней окисления, отвечающих ионизации лишь при большой энергии, в звездах, законами уменьшения энергии до обычной, тепловой кТ. Менделеев по существу наметил продолжение своей ПСхэ в разных направлениях, переходя от постоянной валентности Кекуле к переменной, «квантовой» В=1-8: 1- соединений от гидридов RН8-n до высших оксидов R2On и их кислот Н8-nRO4, развиваемых в нашей системе степеней окисления от 8-n до n и радикалов неорганических и органических Сm - 2- начиная с ряда С2Н6 - С2Г6 ↔ С2(ОН)6↔(СООН)2+2Н2О, конденсации 3- де-гидратации и “добавочных валентностей” для перехода от обычных соединений к “молекулярным”, комплексным 4- изоморфизма, включая “диагональное сходство”, гомо - и гетеро-валентное замещение, сейчас объясняемое отношением Z/r, изменяемым в группах и периодах, и др. В группах Менделеева “элемент R образует водородное соединение RHn, гидрат его высшего оксида будет RHnО4, следовательно, высший оксид содержит 2RHnО4-Н2О=R2Оn”. Мы включим эти и другие промежуточные степени окисления (например, RHnO0-4: RHn - RHnO - RHnO2- RHnO3- RHnO4) в общую периодическую систему соединений по степеням окисления их элементов (от низшей к высшей или наоборот). Электронная теория заменила изменение атомных весов “без точной гомологической разности” Менделеева (3, Анализ А), точным изменением числа электронов n, с заполнением октетов в ряду как периодов, так и гомологов (4-6).2 На примере высшей степени окисления показывается разделение соединений далее, по заряду и степени гидратации, далее требующее трехмерной системы:
Т.1. Связь периодической системы элементов и соединений.
Система химии (общей, неорганической и органической)
Период 0 | группы:1:ns2 | 2 : ns2 | 3: ns2p | 4s2p2-sp3 | 5 ..ns2p3 | 6 ..ns2p4 | 7 ..ns2p5 | 8 ..ns2p6 | |
| 1H 3 Li | 4 Be | 5 B | 6 C | 7 N | 8 O | 9 F | 10 Ne | |
3-7 | Периодическая система химических элементов число е- | Ряды | |||||||
Заряд реальный | характерные соед-я: водородные (изоэлектронные инертным) ВH4- | RH4 CH3-...-4 | NH4+ RH3 NH2-...-3 | H3O+ H2R ОН - O-2 -2 | НR Г - -1 | R ns2p6 0 Еионизац | |||
формаль-3 | Алканы | -3:R2H6 | -2: RnH2n | -1:H2R2 | 0: R Г2 | 1 s2p5 | |||
ный -2 (степени | алкены спирты | -3 RH3 | –2 RH3X | -1 RH2X | 0:Rn: O2 S | +1: НГО | 2: RO s2p4 | ||
-1 окисления | алкины альдегиды | -2 | -1: RnHn | 0:RnN2,P4 | +1:S2X2 | +2 RO | 3: R2O3 s2p3 | ||
0 углерода | углеводы кислоты | -1 | 0:RH2X2 (CH2O)n | +1:R2O H3PO2 | +2 SX2 | +3: НГО2 | 4: RO2 s2p2 | ||
+1 (средние) | гидрокси-амино- | 0 | +1:RnXn | +2: RO | +3: | +4: RО2 | 5 s2p1 | ||
+2 | оксо-кислоты | +1 | +2: RHX3 CO (HCN)n | +3:HRO2 H3RO3 | +4: RO2 H2SO3 | +5: НГО3 | 6: RO3 s2 | ||
+3 | многоосн. 0 | +1 | +2 | +3 | +4 RO2 | +5: | +6: | 7 s1 | |
Общее +4 | комбинации блоков - биоструктурная химия | 4:CO2 SiX4 | +5: PF5 | +6: SF6 | +7: ClF7 | 8 R+8 s0 | |||
Продолжение на КОР и строение ионных соединений (для высшей степени окисления, Э+n, третьего периода) | |||||||||
1-3 | 0-3м | Силоксаны, силиконы, смолы | (RSiOn)m | (RРOn)m | RкSOn | 7-5 | |||
0 | 3м | Силикаты | Шпаты | А1О2- | SiO2Н4SiO4 | PO2X, NO2+ | SO2X2 | ClO2X3 | 4 |
-1 | 2м | Слои | Глины | А1SiO53- | Si2O52- | P2O5 | RSO3- | 3 | |
-2 | 1м | цепи, цикл | Мета- | AlO33- | SiO32- | PO3- | SO3 | ClO3+ | 2 |
-3 | 0м | Размер-ность =0 | Пиро- | AlSiO77- | Si2O76- | ATP P2O74- | S2O72- | Cl2O7 | 1 |
-4 Заряд | Орто- | AlO45- | SiO44- | PO43- | SO42- | ClO4- | RO4 0 |
n 1-2 (He)Каждая клетка и степень окисления включают различные комбинации элемента со всеми элементами других групп (как и комбинации комбинаций, определяющие различные квантовые изменения и измерения), соединения R2, С2-n - естественный принцип систематизации органических соединений, ранее эмпирический (1,2), ряды гомологов, с С2Н6 (Т.3). Т. о. органическая химия неожиданно смыкается с неорганической, физикой и биохимией, бывшей ее началом и границей. Число клеток или различие степеней окисления определяет число необходимых ред-окс-эквивалентов для переходов и пути их, как с НАДН и лактатом для анаэробного окисления в биохимии. Таблица на основе общей формальной степени окисления (согласно электроотрицательности Ме, Э<C<X) определяет три перекрывающиеся части 1 – систему металло - и элементоорганических соединений в левой части (от –4) 2- систему органических соединений с С-С-связями без гетеро-эфирных (С-Х-С) связей, и 3- систему гетеросоединений справа (до +4), включая метаболические пути
*Таблица 3. Периодическая система органических соединений и метаболизм (до С10 без 2n клеток металлорганических и более окисленных гетероциклических соединений, сокращенно)
2. Физическая основа и обобщения Периодической системы. Анализ А, ядра и частицы.
2.1.Физика привела к понятию прежде неделимых атомов и химических элементов как комбинаций трех целых чисел - ЭЧ (р+, е-, п), квантов и КЧ, порядкового номера элемента как числа протонов или заряда ядра, относительной атомной массы как суммы числа протонов и нейтронов (а. е.м.) и заряда иона или степени окисления как разности числа протонов и электронов (р-е). Отношение заряда к массе далее определяет и большие частицы, масс-спектрометрию и др. Можно показать числа р, е, п как три измерения и место и связь понятий элементов – атомов нейтральных, ионов и изотопов, различаемых числом их (удобнее отразить хр, (у+х)=А или (у-х) п, (з-х)е как №, массу и заряд нуклида и иона):
Отразим ниже только ионы или степени окисления, встречающиеся в химических соединениях. Они отличаются и отличают химию энергией (ионизации) меньшей, чем другие, физического уровня.
+6 +8
+5 N+5
+4 C+4 N+4
+3 B+3 C+3 N+3
+2 y-число р-е Be+2 B+2 C+2 N+2 O+2
+1 Н1+ Не3 Li+ Be+ B+ C+ N+ O+
0 1Н2 2Не4 3Li6 4Be* 5B10 6C12 7N14 8O16 9F0*10Ne20 11
-1 Н-Н3число рLi7 Be9B - 11C-13N-15O-17F - 19 Ne21
-2 B-2 C-2 N-2 O-2 O18 \\ Ne22
-3 z-число n-p B-3 C-3 N-3
-4 C-4
*- нн-изотопы после азота неустойчивы, как показано далее
Большие степени окисления и ионизации, очевидно, не могут компенсироваться энергией химических связей и встречаются только в особых условиях (электрических разрядов, плазмы, звезд, ниже). Эта компенсация и представляет собой природу и отличие химии и продолжается в сопряжении реакций и катализе (ч.4).
Состав же химических соединений отражается правилом составления формул по степени окисления или валентности. Они определяются фундаментальным числом z=в=(р-е) и общей формулой ЭZ’Э’Z или АаВв, где а=Zв=(р-е)В, а в=Zа=(р-е)А, выявляя роль ZаZв=Er. Это определяет и уравнения реакций общего вида АаВв=аА+вВ, и все типы бинарных соединений, из которых главные, наиболее устойивые и многочисленные имеют формулу Э№Э№-8, включая Э№2О-2№, Э2Хn, ЭГn, где №- номер группы Э.
Эти же валентные электроны и оболочки в известны в физике как оптические, определяющие цвет и обычные свойства. Нетрудно заметить, что, например, определяющие фотоэффект и обратное излучение энергии зон, работы выхода пропорциональны энергии ионизации, как и напряжения металлов и ред-окс-потенциалы в растворах, с учетом отличий от атомов в решетке и растворах. Квантовая механика, спектры и формулы их серий показывают пути дальнейших комбинаций – когда каждой ZNI (pne) отвечает своя Ei, той – разные серии Eim (m=1 – Лаймана, 2- Бальмера…) с множеством переходов Emn.
Вопреки распространенному мнению, не выяснив причин этих чисел и 8-9 групп Периодической системы элементов Менделеева, “завершенности” оболочек s2p6- инертных газов, определяющих абсолютное большинство соединений, т. е. почти всю химию, ИЮПАК в 1989 г. вообще “отменил” ее, рекомендуя только длинную (spd-18-групповую, в результате чего на Западе в школе уже не учат, что С, N и P, S и галогены стоят в 4, 5, 6 и 7 группах!) (15). Она анализировалась Менделеевым, более произвольна, выделяя вместо s2p6 групп промежуточные s2p6d10, но не полные s2p6d10f14- 32-элементных периодов, не объясняя, какой смысл в том, что “фосфор – элемент 15 группы” (15), а не 5-й, а С, N, О - 14-16. Смысл же номера группы Менделеева хорошо известен, связан с числом электронов внешей оболочки и валентностью в соединениях, основой химии. Сравнения орбиталей и оболочек атомов и ядер (АО и ЯО), последовательности заполнения их 1spd, роли l и повторения ns-групп, атомных весов (А) показывает разные числа и группы. Первые квантовые числа 2, 8 – 1sp3 уравнения Шредингера для ядер в R3. ЯО заполняются парами фермионов, протонов и нейтронов, поэтому паре электронов Не, s2 и химической связи здесь отвечает a-частица и спаривание (с J=0 чч), а октету и sp3-тетраэдру дважды магическое ядро 8О16 (по Полингу, может, заполняя тетраэдры aСn до aС4=aa12 плотнейшей упаковки) (7).
Очевидно, что атомы отличаются из-за связи s с ядром, невозможной при l>0, обуславливая выгоду, меньшую энергию ns, в ядрах же заполняется “дырка” r->0 только 1s, выгоднее рост l, очевидно, из-за отталкивания протонов. Оно же может объяснить распространенность химических элементов на Земле с р6-периодичностью или законом sp3n, с максимумом распространенности Z=2+6n от 8O-14Si-20Ca-26Fe до 92U (с минимумом n=5 подобно А, “барьеру 5”). 95% земной коры составляют αCn (84%) и tCn. αC1-312 модель наиболее распространенных элементов до 20Ca40 сменяется C4-513 моделью (2452-3065) с резким падением распространенности далее со сменой модели на C6-814 (3684- 48112) и далее на Cn15-16 до n=6+9 (Т.4-5).
2.2. Магические числа и оболочки ядер можно вывести из одних атомных масс (А) Периодической системы химических элементов Менделеева. Вместе с выводом электронных оболочек и сравнением их, показывающим влияние ядер и причины, отличия химии (ч.3), аномалии Z/А (Ar-K, Co-Ni, Te-I), 43, 61, 84-89. Из графика отличий А от целого (рис.1-2) определяются и энергии связи, доли изотопов, оболочки - магические числа и условия синтеза и распада, эти аномалии. Анализ изотопов упускал простые законы А, не решая вопросы их распространенности. Рост A/Z=N/Z+1=2+(N-Z)/Z≈2+0.015A2/3 c 1 у Н и 2 He-Ca (Z≈N) до 238/92=1+146/92≈2.587 (<3 t) у урана (Рис.1) cвязан с кулоновским отталкиванием Z протонов, изменением энергии и последовательности (pn)2->(np)6->(n2p2)3+1+1->(p2n4-6)j согласно «линии стабильности» А/Z=2+0.015A2/3. Отклонения т. н. магических чисел отражает изменение отношения А/Z или разности А соседних элементов (Рис.1-2),
|
сохранение несмотря на рост Z, c ΔA/ΔZ->1 <2, AZ+1≈AZ+1 с p-процессом (или даже в аномалиях Менделеева АZ+1<AZ, как у 19 K и 28 Ni). Разности масс А 1.3-2.3-1.7 (87.6-88.9-91.2-92.9) у 38-41 элемента показывают сохранение N=50, 1.6-1.2-0.8 (А=137.3-138.9-140.1-140.9) у 56Ва-59 - 82, А 207-208 82Pb – 209 Bi - 126. Они, как и Z=50, 82, распространенны гораздо больше соседних, относятся к магическим, объясняемым оболочками, определяющим и другие свойства и аномалии (Т.6).
|
Следующие оболочки могут включать предыдущие, определяющие свойства всех последующих. Как у атомов заполнение s2 отвечает и АО и МО, проявляется в понятии химической связи посредством пары электронов и неустойчивости неспаренных частиц, так и в ядрах спаривание нуклонов определяет устойчивость и компенсацию моментов с J=0 у чч.
