Количественные аспекты теории химической связи Джильберта Льюиса (стр. 1 )

Примечание: Первое сообщение этой серии и биографические сведения автора смотри Бутлеровские сообщения. 2002. №6. 31. (код pho5)

Поступила в редакцию 28 февраля 2004 г.; УДК 541.571

Редакционное замечание: Уважаемые коллеги! Данная статья является дискуссионной и ее публикация не означает безоговорочной поддержки редколлегией журнала авторской концепции. У редколлегии имеются сомнения в правомерности использования сильных взаимодействий, работающих на межядерных расстояниях для описания межатомных взаимодействий. Однако, с нашей точки зрения, автор сделал только одно допущение – описал пару электронов как самостоятельный объект – бозон, при этом, с учетом принципа неопределенности Гейзенберга, для данного бозона, если учитывать только энергетику, можно считать, что он одновременно присутствует во всем межатомном пространстве, включая и очень малые расстояния, сопоставимые с межядерными и любые изменения на сверхмалых расстояниях, мгновенно будут находить отклик в межатомных взаимодействиях. Автор просто рассмотрел, в точном приближении, к каким следствиям приводит данное допущение. Редколлегия журнала, однако, не согласна с автором, противопоставляющим свой подход роли кулоновских взаимодействий в теории химических связей. Они являются краеугольным камнем квантовой химии и однозначно подтверждены экспериментом. Высказывания автора общего характера являются правом автора. Факт того, что автору удалось добиться хороших вычислительных результатов, делает предлагаемый метод как минимум удобным приближением, облегчающим расчетные процедуры. Кроме того, целью данной публикации является также завязать научную дискуссию о возможности альтернативных или дополнительных описательных алгоритмов применительно к общепринятой теории химическим взаимодействий.

Тематическое направление: Химическая связь как аналог сильного взаимодействия. Часть III.

Количественные аспекты теории химической связи ДЖИЛЬБЕРТА Льюиса.

©

Ул. К. Либкнехта, 64а-54. г. Иркутск 664007. Россия. Тел./E-mail: *****@***ru

Ключевые слова: теория Льюиса, потенциал Юкавы, энергия связи, ИК-спектры, решение колебательной задачи. 

Резюме

Описывается новый подход к расчету энергии ковалентных связей, в котором пара электронов рассматривать как самостоятельный объект - частица со следующими характеристиками: массой, равной приведенной массе двух электронов и спином, равным нулю. Выведена новая, универсальная для любого атома характеристика, идентичная Боровскому радиусу для атома водорода, но учитывающая специфику всех атомов (названная редакцией параметром Якубова). С использованием данной характеристики определен потенциал Юкавы в приложении к ковалентным связям. На основании потенциала Юкавы, даны количественные расчеты энергии ковалентных связей в представлении Льюиса. Показана связь между энергетическими уровнями энергии связи и частотами ИК-спектров.

Введение

В 1916 г. Дж. Льюис [1], указал: «Представляется весьма маловероятным, что можно достичь прогресса в решении сложных проблем химии при априорном введении законов взаимодействия между положительными и отрицательными составляющими атомов и построении на основе этих законов моделей атома», и предложил свою теорию химической связи. Эта теория представляла химическую связь как результат взаимодействия между атомами посредством пары электронов. Изложение теории Льюиса можно найти практически во всех учебниках, затрагивающих общие проблемы химии. Однако количественного воплощения эта теория до сих пор не получила. Как будет показано ниже, отказ от априорного приписывания силам, удерживающим атомы в молекулах исключительно электромагнитной природы, может служить основой для построения количественной теории химической связи.

Последовательная теория должна правильно количественно описывать три основных параметра, характеризующих химическую связь – это энергия связи, длина связи, и дипольный момент (распределение зарядов) связи.

В настоящей работе приведено решение для энергии ковалентных связей. Вопросы, касающиеся длины связи и её дипольного момента будут освещены в отдельных публикациях, обе задачи решены и работа находиться в стадии подготовки к печати. Решения для ионных, донорно-акцепторных и водородных связей будет также освещено в отдельных публикациях. При этом, автор надеется на понимание того, что теория может предсказать все возможные состояния системы и указать какое измерение надо произвести, чтобы определить в каком конкретно состоянии система находится.

В настоящей работе дано количественное выражение классической теории Льюиса и доказательство прямого указания Льюиса на некулоновский характер взаимодействия атомов, образующих химическую связь, посредством пары электронов. Это указание предопределило определенную аналогию с подходом Юкавы к проблемам сильного взаимодействия [2].

Результаты и дискуссия

1. Качественная картина химической связи.

Представим пару электронов как частицу (квазичастицу) со следующими характеристиками:

массой, равной приведенной массе двух электронов – спином равным нулю. Образование из двух фермионов бозона, называемого Куперовской парой, процесс, наблюдаемый экспериментально и лежащий в основе сверхпроводимости и сверхтекучести He3. При взаимодействии электронной пары с квазичастицей, например фононом, со спином 1, электронная пара может переходить в состояние со спином 1 по типу экситон – фононного взаимодействия для пары электронов выполняется уравнение де Бройля, и её движение может быть описано волновым уравнением; скорость распространения электронных пар в молекуле постоянна и равна . Принятие постоянной скорости распространения пар электронов кардинально упрощает расчёты без ущерба их качества, поскольку значение для дела имеет импульс, а он, как известно, является произведением массы на скорость.  Перенормировку массы (заряда) хотя и трудно, но то можно сделать, а вот определить скорость частицы точно невозможно. А то что скорость  примерно то это условие является следствием эмпирического наблюдения за величинами первых потенциалов ионизации атомов и молекул и из движения электронов в твердом теле (скорость Ферми), где – постоянная тонкой структуры, с – скорость света.

Примем, что общая пара электронов Льюиса является реальным претендентом на роль частицы (квазичастицы), переносящим химическое взаимодействие. Назовем такое взаимодействие, то есть, силу, обусловленную обменом парой электронов, химической силой.

Ядерные силы	Химические силы* (обмен парой электронов)	Кулоновские
Зарядовая независимость	Есть	Есть	Нет
Направленность	Есть	Есть	Нет
Радиус действия	Короткодействующие	Короткодействующие	Дальнодействующие
Характер действия	Притяжение	Притяжение	Притяжение, отталкивание
Насыщаемость	Есть	Есть	Нет
* постулировано

Свойства, которыми обладают постулированные автором химические силы, полезно сравнить с другими силами, действующими в природе, такими как ядерные и кулоновские (электромагнитные) силы.

Таким образом, постулированные химические силы имеют большое сходство с ядерными силами, а факт зарядовой независимости однозначно указывает на их неэлектрическую природу. Современный стандартный теоретический подход к описанию взаимодействия между объектами основывается на простой схеме: два тела взаимодействуют между собой путем обмена частицами (квазичастицами), являющимися квантами поля передающего взаимодействие.

2. Результаты расчетов.

Для реализации указания Льюиса на некулоновский характер взаимодействия атомов, образующих химическую связь, за основу потенциала межатомного взаимодействия возьмем потенциал Юкавы (1), который по сравнению с Кулоновским потенциалом носит более общий характер. В частности, при μ = 0 он превращается в Кулоновский потенциал. 1.0367718

         (1)

где RN – длина связи (межъядерное расстояние) , ћ – постоянная Планка,

g – постоянная взаимодействия (эффективный заряд), равная 1.0367718⋅10-14 Дж1/2⋅м1/2.

Выразим в уравнении (1) приведенную массу электронной пары через массу электрона:

,                (2)

  где U – энергия связи.

Содержащееся в экспоненте выражение (3):

,                        (3)

представляет собой Боровский радиус и длину волны пары электронов в абстрактной молекуле. Подставим (3) в (1):

.                (4)

Уравнение (4) описывает потенциал взаимодействия двух атомов водорода и зависит от Боровского радиуса. Химия имеет дело с различными атомами, химические свойства которых заметно отличны. Эти отличия можно учесть, введя характеристику атомов , идентичную Боровскому радиусу для атома водорода: