Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул icon

Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул



НазваниеМолекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул
Дата конвертации26.09.2012
Размер283.57 Kb.
ТипДокументы

Молекулы и химические взаимодействия

Глава 3. Молекулы и химические взаимодействия


3.1. Химические связи и образование молекул


В 1927 г. датский физик О.Бурро выполнил квантовомехани- ческий расчет молекулярного иона водорода Н2+ и показал, что единственный электрон в этом ионе занимает орбиталь, которая простирается вокруг обоих протонов. Теоретический расчет энергии связи этого молекулярного иона, т.е. разности между суммарной энергией отдельного атома и протона и энергией иона в его основном состоянии привел к значению 255 кДж/моль.

С учетом того, что число молекул в моле составляет 6,022.1023 (число Авогадро) получаем, что энергия связи двух атомов в ионе молекулы составляет 4,23·10–19 Дж = 2,68 эВ на одну молекулу Н2+.

Следует отметить, что так называемая энергия сродства атомов и молекул к электрону есть энергия связи электрона в соответствующем отрицательном ионе – минимальная энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома или молекулы. Эта энергия составляет для иона водорода Н 0,754 эВ, и для всех ионов лежит в пределах от 0,15 эВ (Сr) до 3,62 эВ (Cl), т.е. порядок величин составляет единицы и доли электронВольт.

Для сравнения напомним, что энергия связи двух нуклонов = протона и нейтрона в ядре атома дейтерия составляет 2,3 МэВ, то есть на 6 порядков больше,

Рассмотрим природу химических связей атомов в молекуле с позиций эфиродинамики [1–3].

Присоединенные вихри различных атомов могут соединяться между собой лишь двумя способами (рис. 3.1).

В первом случае (рис. 3.1а) вихри удерживаются относительно друг друга в общем пограничном слое, образованном благодаря противоположно направленным потокам эфира. Как было показано выше, благодаря градиенту скоростей между вихрями давление понижается, и внешнее давление эфира прижимает вихри друг к другу. Какого-либо преобразования вихрей, кроме изменения их формы, здесь не возникает. Данный случай соответствует ионной химической связи.

Во втором случае соединение двух вихрей дает единый вихрь (рис. 3.1, б). В винтовых потоках это возможно лишь тогда, когда их винтовые факторы совпадают. Это означает, что в присоединенных вихрях и тороидальные, и кольцевые движения должны иметь одно и то же направление в плоскости соединения. Тогда образуется единый присоединенный вихрь, охватывающий оба соединившихся атома. В этом общем присоединенном вихре давление меньше, чем в окружающей среде, а длина потока меньше суммы длин потоков в обоих присоединенных вихрях отдельных атомов. Данный случай соответствует ковалентной связи.





Рис. 3.1.
Соединение вихрей:
а – путем прилипания друг к другу (соответствует ионной связи); б – путем образования общих потоков (соответствует ковалентной связи)


Изложенное позволяет предположить возможность образования ионных связей при любых винтовых факторах в присоединенных вихрях, если у реагирующих молекул потоки эфира на их поверхностях могут ориентироваться антипараллельно на достаточной площади. Для ковалентной же реакции обязателен одинаковый винтовой фактор.

Принцип построения молекулы лучше всего проиллюстрировать на примере молекулы Н2 (рис. 3.2). Возможны разные варианты построения молекулы Н2 – при параллельных и антипараллельных спинах протонов, перпендикулярных и соосных оси, проходящей через центры протонов.





Рис. 3.2. Образование молекулы Н2


Как видно из рис. 3.2, внешние потоки имеют одно и то же направление и в тороидальном, и в кольцевом движении. Именно этот случай и следует рассматривать как основной случай образования молекулы Н2. Образование общего внешнего потока указывает на ковалентность химической связи, что и имеет место в действительности. Аналогичным образом можно получить структуры и других молекул (рис. 3.3).





Рис. 3.3. Структура молекул водорода Н4 (а) и воды Н2О (б). электронные оболочки – присоединенные вихри 1p и 4p лежат вне плоскости рисунка и поэтому не показаны.

Детальное изучение форм связи в молекулах в эфиродинамической модели является предметом специального исследования, однако уже сейчас можно высказать некоторые дополнительные соображения.


^ 3.2. Ковалентные связи и хемодинамическое взаимодействие


При образовании ковалентной связи суммарная линия тока общего присоединенного вихря оказывается короче суммы длин линий токов раздельных атомов, в момент образования ковалентной химической связи часть уплотненного завинтованного эфира оказывается выброшенной из молекулы. Такой кусочек вихря не может существовать в том же виде, и он либо будет поглощен в другом месте, где идет реакция разложения молекул, либо преобразуется в тороидальный вихрь слабо сжатого эфира, который можно условно назвать лептоном, поскольку его масса меньше массы электрона. Расчет показывает, что масса такого тороида составляет порядка 0,0001 массы электрона, но диаметр его составляет порядка 0,01 мм. Для проверки этого обстоятельства был организован лабораторный эксперимент (рис. 3.4).

Были построены специальные крутильные весы, на одном из плеч коромысла которых закреплена алюминиевая пластина (парус), соединенный с металлическим корпусом весов через 10-мегомное сопротивление во избежание возможного влияния электростатики. Корпус весов заземлялся на батарею парового отопления (рис. 3.4)..





Рис. 3.4. Схема лабораторного эксперимента по выявлению лептонной пены при образовании ковалентной химической связи (а) и график отклонения паруса весов при проведении химической реакции (б):

1 – стаканчик с химическими реактивами; 2 – крутильные весы; 3 – лазер; 4 –самописец.


Пластмассовый цилиндр устанавливался напротив паруса на расстоянии 10 см. Реагировали сухая щелочь КОН и концентрированная серная или соляная кислота.

При проведении реакции парус сначала притягивался к реакции, а затем, после ее окончания, отходил от нее на максимальное расстояние (до упора) и через 1,5–2 ч. возвращался обратно.

Тот же результат получался, если реакция проводилась в том же стаканчике, установленном на деревянном или пенопластовом кубике вдали от весов. Поднесение затем этого кубика к весам давало тот же результат. Все фиксировалось автоматическим самописцем.

Объяснение результатов эксперимента заключается в том, что при проведении химической реакции и образовании лептонной пены лептоны касаются паруса. Поскольку движение эфира на поверхности лептонов при любой их ориентации всегда параллельно плоскости паруса, то образуется градиент скоростей эфира с пониженным давлением. Парус начинает притягиваться к реагирующим веществам.

После окончания реакции лептонная пена начинает диффундировать, причем в первую очередь уничтожаются лептоны, оказавшиеся в верхнем слое пены, поскольку градиент скоростей на их поверхности меньше, чем у внутренних лептонов, следовательно, вязкость выше и время существования поверхностных лептонов меньше. Но лептоны, как и всякие вихри, имели плотность эфира более высокую, чем плотность эфира в свободном пространстве. Поэтому давление эфира возрастает, и парус отодвигается. После того как все лептоны диффундировали, давление в эфире выравнивается, и пружинка возвращает коромысло весов в исходное состояние. Различные вещества дают различное отклонение, но характер поведения весов сохраняется.

Эксперименты с «лептонной пеной» были продолжены Ю.Д.Лобаревым, студентом химфака МГУ. Им было открыто, что «лептонная пена» приводит к снижению чувствительности фотобумаги, а также то, что конденсаторы, расположенные рядом со стаканчиком, в котором проводилась химическая реакция, в первые же секунды после начала реакции увеличивают свою емкость почти на 1%, а затем, после окончания реакции, происходит медленный, в течение десятков минут возврат значения емкости к первоначальному значению.


^ 3.3. Образование межмолекулярных связей


Несмотря на то, что все молекулы электрически нейтральны, в веществе они взаимодействуют между собой. Степень этого взаимодействия различна: в твердом теле она максимальна, в жидкости средняя, а в газе минимальна.

Межмолекулярное взаимодействие – это взаимодействие между электрически нейтральными молекулами или атомами, определяющее существование жидкостей и молекулярных кристаллов, отличие реальных газов от идеальных и проявляется в разнообразных физических явлениях. Межмолекулярное взаимодействие зависит от расстояния между молекулами и описывается потенциальной энергией взаимодействия U(r) (потенциалом межмолекулярного взаимодействия). Именно средняя потенциальная энергия взаимодействия определяет состояние и многие свойства вещества.

Впервые межмолекулярное взаимодействие принял во внимание в 1873 г. голландский физик Я.Д. Ван-дер-Ваальс для объяснения свойств реальных газов и жидкостей [4–6]. Он предположил, что на малых расстояниях между молекулами действуют силы отталкивания, которые с увеличением расстояния сменяются силами притяжения. На этой основе он получил уравнение состояния реального газа.

В настоящее время принято считать, что межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу и складывается из сил притяжения (ориентационных, индукционных и дисперсионных) и сил отталкивания. Ориентационные силы действуют между полярными молекулами, т.е. обладающими дипольными электрическими моментами. Эти силы возникают вследствие того, что расстояния между разноименными зарядами много меньше, чем между одноименными. Индукционные силы действуют между полярной и неполярной молекулами за счет того, что полярная молекула поляризует неполярную. Дисперсионные силы действуют между неполярными молекулами и возникают за счет того, что, хотя в среднем молекулы не полярны, в каждое мгновение они все же полярны. Что в среднем и создает соответствующий эффект притяжения. Все три типа сил притяжения убывают с расстоянием пропорционально 6-й степени расстояния между молекулами.

Силы отталкивания возникают на очень малых расстояниях, когда приходят в соприкосновение заполненные электронные оболочки атомов, входящих в состав молекул. Эти силы убывают с расстоянием пропорционально 13-й степени расстояния.

Однако все это является некоторой моделью, в основном математической зависимостью сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния, практически не проливающей свет на истинную природу этих сил. Отсюда и трудности с расчетом этих сил и с экспериментальными измерениями межмолекулярных сил.

На основе изложенных выше эфиродинамических представ-лений могут быть высказаны предположения о природе сил Ван-дер-Ваальса, т. е. сил, ответственных за межмолекулярные взаимодействия.

С точки зрения эфиродинамики силы межмолекулярного взаимодействия обусловлены тем, что к электронным оболочкам – первым присоединенным к ядрам эфирным вихрям – присоединены вторые присоединенные вихри, которые справедливо будет назвать оболочками Ван-дер-Ваальса, поскольку именно они ответственны за создание сил межмолекулярного взаимодействия.

Так же как винтовое поле скоростей эфира, создаваемое протоном, приводит к появлению присоединенного вихря – электронной оболочки, точно так же и винтовые потоки эфира на поверхности электронной оболочки вызывают винтовые движения эфира в окружающем пространстве. В результате образуется второй присоединенный вихрь, размер которого на 4–5 порядков больше размера электронной оболочки. Если нуклоны, имея критическую плотность, не могут проникать друг в друга, а только соединяются в ядре, примыкая друг к другу боковыми поверхностями, то уже эфирные вихри электронных оболочек способны взаимодействовать путем объединения, однако, не проникая друг в друга. Вторые же присоединенные вихри имеют малую плотность и способны проникать друг в друга. В результате в окрестностях электронных оболочек образуются разнообразные винтовые потоки, попав в которые атомы и молекулы удерживаются в них благодаря градиентам скоростей (рис. 3.5).





Рис. 3.5. Образование 2-го присоединенного вихря – оболочки Ван-дер-Ваальса и последующих присоединенных вихрей – ауры 1-го рода


Таким образом, природа межмолекулярных сил – сил Ван-дер-Ваальса – заключается в снижении давления в эфире благодаря градиентам скоростей потоков во вторых присоединенных вихрях – ван-дер- ваальсовой оболочке.

Если диаметр атомного ядра равен примерно 5·10–15 м, а диаметр электронной оболочки составляет около 10–10 м, то диаметр оболочки Ван-дер-Ваальса должен составлять порядка 10–5 м или около 10 мкм.

Внутри такой оболочки каждого атома может поместиться порядка 1015 других атомов. Следовательно, все оболочки ван-дер-Ваальса будут многократно перемешаны друг с другом и составят единую систему.

Рассмотрим распределение скоростей потоков эфира и распределение плотности эфира в этих потоках для одной оболочки Ван-дер-Ваальса. Следует учесть, что приводным ремнем для этой оболочки являются потоки эфира поверхности первого присоединенного вихря – электронной оболочки атома.

После того как первый присоединенный вихрь своими потоками благодаря вязкости окружающего эфира возбудил движение эфира в соседней области, это движение замкнется само на себя, образовав второй присоединенный вихрь. Поскольку диаметр внутреннего отверстия второго присоединенного вихря на пять порядков меньше внешнего, то и скорость, и плотность эфира во внутренних слоя должны быть многократно выше в этой области, чем во внешней части. Соответственно выше будет и градиент скорости потоков эфира.

Этого бы не было, если бы вихрь существовал сам по себе, тогда максимальная скорость потоков была бы в этой же области, но во внутренней части вихря. Однако движение здесь передается извне, поэтому по мере удаления от стенки скорость потока будет падать пропорционально второй степени расстояния, поскольку вихрь тороидальный, и площадь сечения возрастает пропорционально квадрату радиуса, а градиент скорости будет уменьшаться пропорционально кубу радиуса. Пропорционально квадрату радиуса будет уменьшаться и плотность эфира в этом потоке. Еще одну степень убывания добавит и падение давления эфира к центру этого же вихря. Если во второй присоединенный вихрь попадет вторая молекула или атом, то распределение давлений внутри этого вихря будет смещать их к внутренней границе вихря Ван-дер-Ваальса, поскольку с этой стороны общее давление потоков эфира меньше. Сила притяжения, т.е. сила, направленная от центра молекулы к пограничному слою, определится выражением


Fy = χρSдv/дy, (3.1)


где χ – коэффициент динамической вязкости эфира; ρ – плотность эфира в стенке второго присоединенного вихря; S – площадь взаимодействия молекул; дv/дy – градиент скорости в ближней зоне второго присоединенного вихря.

Получается, что убывание силы притяжения пропорционально примерно 6-й степени расстояния между молекулами, что и имеет место в реальности. При этом силы взаимодействия с потоками эфира на противоположных сторонах взаимодействующих молекул будут малы в силу высокой степени убывания и существенно не скажутся на общей силе притяжения взаимодействующих молекул.

Взаимодействующие молекулы устанавливаются на некотором равновесном расстоянии друг от друга. Попытки сблизить их и переместить в пограничный между вихрями слой вызывают силы отталкивания. Эти силы вызваны, во-первых, теми же причинами, что и выше, с той, однако, разницей, что в пограничном слое распределение скорости потоков, градиента и плотности потоков эфира имеют обратный знак и направлены к центрам молекул, а во-вторых, возрастанием давления в пограничном слое, в который первый присоединенный вихрь – электронная оболочка атома – загоняет внешний по отношению к ней эфир. Уменьшение сечения потока вызывает с одной стороны повышение давления эфира за счет его сжатия, с другой стороны, его же нагрев по той же причине, что также ведет к повышению давления в этой области. При этом силы притяжения будут падать, так как взаимодействующие молекулы будут выходить из зоны вихря и попадут в пограничный слой, в котором распределение скоростей также будет способствовать их отталкиванию. Поэтому степень зависимости силы отталкивания от расстояния здесь будет выше, чем степень зависимости силы притяжения в теле второго присоединенного вихря.

Представляет несомненный интерес образование связей, которые условно можно назвать агрегатными, – тип связей, обеспечивающих соединение молекул в некоторую агрегатную совокупность. Структуру такого типа связей можно проследить на примере соединения молекул воды в агрегаты (рис. 3.6).

Потоки эфира, возбуждаемые поверхностями двух протонов, соединенных с молекулой кислорода, направлены во внешнее относительно молекулы воды пространство под некоторым углом друг к другу. В результате создаются условия для образования двужгутика – двух винтовых вихрей, обвивающих друг друга. На некотором расстоянии вихри, образующие двужгутик, расходятся и далее возвращаются к протонам. В местах поворота вихрей образуются «карманы» – области пониженного давления эфира, что, вероятно, и обусловливает свойства воды как почти универсального растворителя (рис. 3.6, а).

Потоки эфира, возбуждаемые поверхностями двух протонов, соединенных с молекулой кислорода, направлены во внешнее относительно молекулы воды пространство под некоторым углом друг к другу. В результате создаются условия для образования двужгутика – двух винтовых вихрей, обвивающих друг друга. На некотором расстоянии вихри, образующие двужгутик, расходятся и далее возвращаются к протонам. В местах поворота вихрей образуются «карманы» – области пониженного давления эфира, что, вероятно, и обусловливает свойства воды как почти универсального растворителя (рис. 3.6, а).





Рис. 3.6. Соединение молекул воды в агрегаты: а – образование потоков эфира протонами молекулы воды; б – «квазиионное» соединение молекул воды ; в – «двужгутиковое» соединение молекул воды. 1 – зона двужгутикового соединения внешних потоков эфира, создаваемых поверхностями атомов водорода; 2 – «карманы» пониженного давления; 3 – прилипание поверхностей присоединенных потоков эфира в «квазиионном» соединении молекул воды; 4 – двужгутиковое соединение присоединенных потоков эфира молекул воды.


Образование в межмолекулярном пространстве двужгутика приводит к тому, что внешние стороны потоков эфира приобретают выпуклую форму. К этим внешним потокам могут присоединиться такие же внешние потоки других молекул, причем такие соединения могут быть различными. Один тип по своему характеру подобен типу ионных связей, которые образуются за счет прилипания поверхностей потоков друг к другу, в этом случае направление потоков и, соответственно, ориентация молекул будут антипараллельными – «квазиионное» соединение (рис. 3.6, б). Второй тип это тип связи, при котором боковые потоки образуют общий поток, такой тип по своему характеру будет подобен ковалентной связи (рис. 3.6, в) – «квазиковалентное» соединение. Третий тип, при котором боковые потоки параллельно ориентированных в пространстве молекул образуют также двужгутики, что делает связи между молекулами наиболее устойчивыми, – «двужгутиковое» соединение (рис. 3.6, в). Все эти типы связей могут образовываться не только по боковым, но и по торцевым участкам потоков, причем в самой различной комбинации. Ограничение в числе молекул, образующих агрегат, связано с тем, что по мере увеличения количества объединяющихся в агрегат молекул форма эфирных потоков внешних молекул агрегата становится все более выпуклой, и энергия связи этих потоков с другими молекулами становится все меньше, и новые присоединения молекул становятся все более неустойчивыми. По мере повышения температуры такие связи становятся все менее устойчивыми, пока, наконец, не останутся лишь одиночные молекулы. Тогда образуется пар.


^ 3.4. Аура и свечение Кирлиан


Эффект свечения различных объектов, в том числе биологических, в электромагнитных полях высокой напряженности известен уже более двух столетий. Однако сложность использовавшейся тогда аппаратуры препятствовала изучению эффекта. И только благодаря российским изобретателям супругам Кирлиан, обнаружившим это явление в 1930-40 гг, метод «высокочастотного фотографирования» получил широкую известность [7, 8].


Сегодня под термином эффект Кирлиан понимается визуальное наблюдение или регистрация на фотоматериале свечения газового разряда, возникающего вблизи поверхности объекта при помещении его в электрическое поле высокой напряженности (биоэлектрография или кирлианография).




Коронный разряд на монетах Коронный разряд на пальце



Коронный разряд на цветке


Рис. 3.6. Некоторые виды кирлианограм


Кирлианография получила большое распространение в мире как метод экспериментальных исследований: библиография по эффекту Кирлиан насчитывает более тысячи публикаций.

Эффект Кирлиан нашел применение в промышленности, где он используется для контроля качества соединений, всевозможных сварных и клеевых швов, в биологии для определения интенсивности химических процессов в живых тканях, в медицине для определения состояния отдельных органов и всего организма в целом.

Свечение Кирлиан может наблюдаться как на неживых предметах, так и на живых – биологических и животных объектах, включая человека.

Характер свечения биологических объектов существенно зависит от состояния объекта, он может усиливаться и уменьшаться, а также прекращаться совсем, если объект умер. Например, свежесорванный лист светится вначале интенсивно, но затем, по истечении нескольких десятков минут свечение затухает, а затем прекращается полностью. Лист умер.

Нечто подобное происходит с органами животных и человека. Интенсивность свечения характеризует состояния органа: здоровый орган светится интенсивнее, чем больной.

Наибольший интерес вызвали исследования кирлианограмм биологических объектов, в основном организма человека.

Применение эффекта Кирлиан в медицине показало, что вид кирлианограмм меняется при изменении состояния человека. Например, по виду кирлианограмм пальцев рук и ног оказалось возможным судить об общем уровне и характере физиологической активности организма, оценивать состояние отдельных его систем и следить за влиянием различных воздействий: препаратов, терапии и т.п. Это позволило развить эффективные системы диагностики, основанные на этом эффекте.

^ Эффект Кирлиан является в данный момент единственным инструментальным методом, позволяющим на физическом и энергоинформационном уровнях
оценить состояние не отдельного органа или системы, а всего организма в целом во взаимоотношении отдельных частей друг с другом. В перспективе этот метод видится как практический инструмент на столе любого врача.

Особый интерес представляют перспективы применения эффекта Кирлиан в практической психологии: получены данные, свидетельствующие о связи характеристик свечения с психологическим типом личности. При соответствующей разработке эффект Кирлиан может стать первым инструментальным способом оценки характеристик личности, что позволит исследователю формировать объективный портрет человека на разных стадиях его развития.

Естественно возникает вопрос о физической сущности эффекта Кирлиана. С точки зрения эфиродинамических представлений процесс выглядит следующим образом.

Как уже упоминалось выше, электронная оболочка представляет собой присоединенный к ядру эфирный тороидальный вихрь, к которому присоединен следующий вихрь – оболочка Ван-дер-Вальса, к ней – следующий – аура I рода, затем следующий и т.д. Каждый следующий внешний вихрь имеет радиус на несколько порядков больше предыдущего внутренного, соответственно скорости потоков эфира в нем меньше. Структура каждого вихря отражает структуру всех вложенных в него вихрей, начиная с атомных ядер, соответственно атомов и молекул и форму предмета.

Живое вещество и живой орган отличаются от неживых тел тем, что в них происходят химические процессы, отсутствующие в неживых телах. В ковалентных соединениях происходят объединения электронных оболочек и часть завинтованного уплотненного эфирного потока выбрасывается наружу, образуя отдельный тороидальный вихрь. Но если на соседнем участке происходит реакция рассоединения сложной молекулы в простые, то там эфира будет не хватать, давление эфира в этом месте будет понижено, и вырвавшаяся струя эфира будет поглощена в этом месте. Таким образом, здесь имеет место исток и сток, образуется нечто типа фонтана.

Поскольку химические процессы в живом веществе многообразны, энергетика у них разная, то и геометрии, и интенсивность таких фонтанов различна. Подпитка таких фонтанов дополнительным высоковольтным и высокочастотным электрическим полем делает эту ауру наблюдаемой либо с помощью фотографии, либо даже визуально.

Процесс фотографирования происходит в тёмной комнате или при красном освещении. На устройство, создающее поле высокого напряжения кладут не проявленную фотобумагу. Сверху устанавливают интересующий объект. Это может быть лист дерева. Во время подачи высокого напряжения происходит газовый разряд, который проявляется в виде свечения вокруг объекта — коронный разряд, который засвечивает чёрно-белую или цветную фотобумагу или фотоплёнку. После проявки чёрно-белой фотобумаги наиболее яркие места становятся тёмными, как это видно на фотографии.


^ 3.5. Механизм катализа

Рассмотрение эфиродинамических особенностей структур молекул позволяет высказать определенные соображения о механизме катализа.

Как известно, катализ есть изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов), как считается, вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав. Катализаторы существенно ускоряют ход реакций, при этом для каждого вида реагирующих веществ пригоден лишь совершенно конкретный вид катализатора. Активность катализатора прямо пропорциональна площади поверхности катализатора, в связи с чем обычно стремятся к максимально возможному дроблению вещества катализатора.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В первом границы между катализатором и реагирующими веществами отсутствуют, во втором имеется граница раздела между ними. Выбор состава катализатора для определенной реакции является очень сложной проблемой, решаемой главным образом эмпирическим путем. Существует несколько теорий катализа – мультиплетная теория, электронная теория, теория активных центров и т.п., но все они носят полуэмпирический характер и рассматривают, в основном, частные случаи [9]. Однако наиболее физически осмысленной теорией катализа является теория профессора МГУ А.А.Баландина [10-14].

Профессором МГУ А.А.Баландиным в 1929 г. была разработана мультиплетная теория катализа, основанная на предположении о структурном сходстве поверхности молекулы реагента и поверхности молекулы катализатора. Им был открыт принцип структурного и энергетического соответствия катализаторов и реагирующих веществ, легший в основу мультиплетной теории катализа. Эта теория перевела описание каталитических актов на строгий количественный уровень с учетом межатомных расстояний и валентных углов в каталическом (мультиплетном) комплексе и величин энергий связей между атомами реагирующего вещества и активным центром

На основе мультиплетной теории и полной классификации дублетных и триплетных реакций, известных и еще не открытых, А.А.Баландин сумел предсказать ряд новых реакций (например, дегидрогенизацию первичных аминов в кетимины и др.) и их активные катализаторы. Он создал новое направление "Научные основы подбора катализаторов" и возглавил  соответствующий Совет в Академии наук.

В лабораториях А.А.Баландина в МГУ и в ИОХ изучались не только кинетика и механизм катализа для многих реакций, но и разрабатывались катализаторы ряда промышленно важных процессов (в частности, катализаторы для получения мономеров синтетического каучука, для гидрирования и дегидрирования, дегидратации, изомеризации и пр.).

Таким образом, мультиплетная теория катализа, разработанная А.А.Баландиным, себя полностью оправдала не только как теория, но и как методология, нашедшая широкое практическое применение.

И, тем не менее, ряд вопросов остался нерешенным до настоящего времени. Основными среди них являются те, которые связаны с необходимостью выяснения физической сущности катализа.

Ни в коем случае не ставя под сомнение полезность как этой, так и других теорий, не подвергая сомнению все те соображения о механизме действия катализаторов, которые сегодня известны, целесообразно отметить некоторые дополнительные моменты, предоставляемые эфиродинамикой для решения проблемы физической сущности катализа.

Помимо первых присоединенных вихрей – электронных оболочек у каждого атома и каждой молекулы существует последовательный набор присоединенных вихрей – вторых, третьих и т.д. Каждый последующий присоединенный вихрь причиной своего возникновения имеет предыдущий, энергией которого он и питается. Таким образом, вокруг каждой молекулы существует эфиродинамическая аура, структура которой обусловлена структурой этой молекулы. Как было показано выше, электронная оболочка представляет собой присоединенный к атомному ядру тороидальный вихрь эфира, к поверхности которого присоединен второй тороидальный вихрь – оболочка Ван-дер-Ваальса.

На молекулы реагирующих веществ, попавших в область оболочки Ван-дер-Ваальса молекулы катализатора, действуют моменты сил, создаваемые различными давлениями эфира в различных точках их поверхности, что связано с различием градиентов скоростей, различием плотности и температуры эфира в разных областях оболочки Ван-дер-Ваальса молекулы катализатора. В результате разворота молекулы реагирующих веществ принимают определенное положение относительно друг друга. Если на поверхностях этих молекул, обращенных друг к другу, потоки эфира направлены антипараллельно, то давление эфира в этих областях снижается, и молекулы подтягиваются друг к другу, вступая затем в химическую реакцию. Такой разворот молекул-реагентов не обязательно должен происходить непосредственно при соприкосновении с поверхностью молекулы катализатора. Он происходит на некотором расстоянии от нее, поскольку присоединенные к ней потоки эфира распространяются далеко в окружающее пространство.

Потоки эфира аур различных молекул взаимодействуют между собой, при этом если они расположены параллельно, то между молекулами возникает избыточное давление эфира, и молекулы будут отталкиваться друг от друга, если антипараллельно – давление эфира понижено, и внешнее давление эфира будет приталкивать молекулы друг к другу. По всей поверхности всех присоединенных вихрей возникают участки избыточного или недостаточного давлений эфира, создающие в совокупности вращающие относительно центра масс моменты. Это приводит к определенной ориентации молекул в пространстве относительно друг друга. Задачей катализатора, таким образом, является не только и не столько вступление в промежуточную реакцию, как это принято истолковывать, сколько ориентация реагирующих молекул друг относительно друга и обеспечение их взаимной ориентации таким образом, чтобы они были наиболее благоприятно расположены в пространстве для замыкания соответствующих связей.

Очевидно, что и молекулы каждого из веществ, участвующих в реакции, и молекула катализатора имеют на своей поверхности потоки эфира совершенно определенного направления. Если в пространстве встречаются две какие-либо молекулы, то они будут стремиться развернуться так чтобы между поверхностными потоками образовался максимальный градиент скоростей, так как такое положение соответствует наименьшему значению энергии системы. Однако новое положение молекул будет устойчивым только в том случае, если форма совокупности поверхностных потоков одной молекулы будет соответствовать форме совокупности поверхностных потоков второй молекулы. Если такое соответствие имеет место, то эффективность взаимодействия молекул окажется максимальной.

Если на соседний участок молекулы катализатора пристыкуется молекула-реагент другого вещества, то обе молекулы-реагента окажутся на поверхности молекулы-катализатора в непосредственной близости друг от друга, и далее все будет зависеть от того, насколько близко и какими поверхностями эти молекулы будут обращены друг к другу и как на их поверхностях развернуты потоки эфира. Но если все условия соблюдены достаточно благоприятно, то обе молекулы-реагента соединятся, и их общая конфигурация и направления потоков относительно молекулы-катализатора изменятся, а получившаяся новая молекула будет отторгнута, освободив место для новой пары молекул-реагентов.

Такова эфиродинамическая модель катализа.

Определим порядки величин некоторых эфиродинамических параметров механизма катализа.

Размеры ядер любых атомов имеют порядок в 10–15 м, размеры самих атомов имеют уже порядок 10–10 м, такой же порядок величин имеют и размеры простых молекул. Размер же оболочек Ван дер Ваальса – следующих присоединенных вихрей составляет порядок 10–6 – 10–5 м.

Если скорость потоков эфира на поверхности нуклонов составляет порядка 1021 м/с, то на поверхности первого присоединенного вихря – электронной оболочки скорость потоков будет на 10 порядков меньше и составит 1011 м/с, а на поверхности второго присоединенного вихря – оболочки Ван дер Ваальса всего лишь10-100 м/с. Таким образом, молекулы-реагенты при приближении к молекуле-катализатору проходят сквозь потоки эфира, скорость которых меняется в широких пределах.

Падение давления эфира на поверхности молекулы-реагента, создаваемое одним из участков поверхности молекул катализатора, определится как


ρΔv2

ΔР = —— (1 – cos α), (3.2)

4


где ρ – плотность эфира на поверхности молекулы-реагента, α – угол между направлениями струй эфира на поверхностях обеих молекул, Δv = vк + vр; vк – скорость потоков эфира на поверхности молекулы-реагента, создаваемая молекулой-катализатором, эта скорость убывает пропорционаьно квадрату расстояния между молекулами; vр – скорость потоков эфира на самой поверхности молекулы-реагента.

Если потоки эфира на поверхностях обеих молекул параллельны, то давление эфира на этом участке молекулы-реагента будет повышено по сравнению с тем, что имеет место на данном участке в обычных условиях. Если угол между направлениями потоков составит 90о, то никакого влияния молекула-катализатор на молекулу-реагент не окажет. Но если эти потоки окажутся антипараллельны, то на этом участке молекулы давление эфира будет понижено, а поскольку на противоположной стороне молекулы-реагента давление эфира осталось прежним, то молекула получит ускоряющую силу в направлении молекулы-катализатора.

Каждая молекула состоит из многих атомов, и вся поверхность молекул имеет бугристую форму, на каждом бугре – присоединенном вихре эфира потоки движутся в направлении, определенном внутренним строением молекулы, и потоки эфира, исходящие от молекул-катализаторов, создают на каждом из таких участков свои падения давления эфира. В результате на молекулу действуют различные силы, приложенные к ее поверхности. Эти силы создают моменты, разворачивающие молекулы реагенты в пространстве, причем по мере приближения к молекуле катализатора эти силы и моменты увеличиваются.

Возникает вопрос о порядке величин таких сил и моментов и о порядке величин времени, необходимом для разворота молекул-реагентов в пространстве.

В качестве исходной модели примем гантелеобразную форму молекулы, состоящую всего из двух атомов гелия, разнесенных на расстояние в 10–10 м, наиболее близким к такой модели является атом бора, в ядре которого две альфа-частицы соединены одним протоном.

Поверхность такой модели составит 10–20 м2, и при плотности эфира порядка 10–11 кг/м3 и скорости потоков эфира от 102 до 1011 м/с, падение давления на поверхности молекулы может меняться в весьма широком диапазоне от 10–5 до 1011 Па, что создаст на ней силы от 10–25 до 10–9Н. При радиусе в 10–10 м эти силы создадут момент M от 10–35 до 10–19 Нм

Момент инерции такой молекулы будет определяться массой ядер атомов в 7.10–19 кг, разнесенных в данной модели на расстояние в r = 10–10 м, и составит порядка J = mr2 = 7.10–39 кг.м2.

Угловое ускорение, полученное молекулой от приложения разворачивающего момента составит от


М

ω' = —— ; ω'1 = 1,5.103 рад/с; ω'2 = 1,5.1019 рад/с. (3.3)

J


Молекула будет развернута на угол π в течение времени


2 π

t = √ —— ; (3.4)

ω'


или в данном случае от t1 = 6.10–2 с до t2 = 6.10–10с.

Если реакция протекает в жидкой фазе, то реагируют друг с другом те молекулы-реагенты, которые находятся в непосредственной близости от молекулы-катализатора. Слабая связь молекул в жидкости позволяет им достаточно свободно поворачиваться под воздействием эфирных потоков молекулы-катализатора и приближаться к ней. Они могут прореагировать между собой на некотором расстоянии от поверхности молекулы-катализатора, но могут это сделать и после установки на ее поверхность. Здесь время реакции может быть достаточно большим.

Таким образом, соединение молекул-реагентов в новую молекулу может произойти еще на подлете к молекуле-катализатору, поскольку уже на некотором расстоянии от нее молекулы-реагенты сориентированы относительно друг друга нужным образом, и они начнут притягиваться друг к другу еще на некотором расстоянии от поверхности молекулы-катализатора.

Однако если речь идет о реакции веществ, находящихся в газообразной фазе, то возникает вопрос о времени нахождения молекул-реагентов в поле скоростей эфирных потоков молекулы-катализатора и достаточности этого времени для разворота молекул.

При температуре порядка 20оС скорость теплового движения двухатомных молекул типа N2 или О2 составит порядка 500 м/с, и время прохождения оболочки Ван дер Ваальса составит

10–5

t = —— = 2.10–8 с,

500


Это располагаемое время, по крайней мере, на два порядка больше, чем требуется молекуле-реагенту для разворота под действием потоков эфира, создаваемых молекулой катализатора в оболочке Ван дер Ваальса.

Это значит, что молекула начнет разворачиваться не на поверхности оболочки Ван дер Ваальса, а ближе к ее центру, но и не на поверхности молекулы катализатора, а раньше, и времени для разворота у нее более чем достаточно. Тяжелые многоатомные молекулы будут при той же температуре иметь скорость теплового движения значительно ниже и, хотя момент инерции у них будет больше, но и времени на разворот у них будет соответственно больше.

Однако молекула-катализатор в своих окрестностях создает не один поток, а много, по числу своих поверхностей. В принципе в будущем для конкретного анализа можно воспользоваться принципом суперпозиции, рассчитывая каждый поток в отдельности, а затем геометрически суммируя их действия. Но можно утверждать, что уже на подлете молекулы-реагента к молекуле-катализатору она будет испытывать вращающие моменты, стремящиеся установить ее в наиболее энергетически выгодное положение относительно молекулы-катализатора.

Как известно, катализаторы со временем снижают свою эффективность. Сейчас это объясняется загрязненностью поверхности молекул катализатора. Однако могут быть рассмотрены и другие причины. На ориентацию в пространстве молекул-реагентов молекула катализатора затрачивает некоторую энергию, и ее собственная энергия уменьшается. Это также может являться одной из причин снижения эффективности катализаторов со временем. Еще одной причиной может явиться затрата энергии на перестройку структуры молекулы катализатора в результате прохождения промежуточной реакции с молекулами-реагентами, особенно в случае промежуточной реакции с ковалентными связями.

Таким образом, сущность катализа по эфиродинамическим представлениям состоит в том, что молекула катализатора своими присоединенными вихрями ориентирует молекулы реагирующих веществ в пространстве таким образом, чтобы создать для их реакции наиболее благоприятные условия.

Следует обратить внимание на то, что все формы, интенсивности и направления потоков присоединенных вихрей, как первого – электронной оболочки, так и второго – оболочки Ван-дер-Ваальса, жестко определяются структурой ядра. Поэтому появляется заманчивая возможность не только установить структуру любого атома и любой молекулы с учетом их формы и параметров потоков эфира на любом расстоянии от ядра, но и определить положение атомов и молекул, попавших в поле скоростей эфирных потоков других молекул. Тем самым определится и взаимное положение атомов и молекул различных веществ, попавших в это поле, и этим создать почву для направленного подбора катализаторов для различных реакций.

Решение задачи катализа на путях эфиродинамического моделирования может быть выполнено с помощью современной вычислительной техники путем сначала определения форм и направлений потоков эфира на поверхности различных молекул, а затем путем расчета пространственной ориентации потоков эфира в различных сочетаниях молекул. Современная вычислительная техника в принципе позволяет выполнить подобную работу. Возможно, что такой путь окажется эффективным при подборе катализаторов для конкретных реакций.


Выводы


1. Химические связи в молекулах могут образовываться либо в результате объединения присоединенных вихрей атомов в общий молекулярный вихрь, что соответствует ковалентной связи, либо в результате прилипания присоединенных вихрей двух молекул друг к другу при антипараллельной ориентации поверхностных потоков эфира за счет снижения давления эфира между ними, что соответствует ионной связи. Силы Ван-дер-Ваальса – притяжения молекул друг к другу – можно объяснить как результат образования градиентного течения между молекулами, в котором давление эфира понижено.

2. При образовании ковалентной связи часть уплотненного винтового потока эфира выбрасывается из молекулы и образует самостоятельную легкую частицу, условно названную «лептоном». Лептоны образуют «пену», устойчивость их в «пене» составляет от единиц секунд на поверхности до единиц часов в глубине «пены».

3. При образовании металлической связи выброшенная часть потока эфира стимулирует создание свободных электронов из частей первых присоединенных вихрей - электронных оболочек атомов. Эти свободные электроны выбрасываются в область вторых присоединенных вихрей – в оболочку Ван-дер-Ваальса, где они ведут себя подобно молекулам газа.

4. Часть образованных электронов выходит на поверхность куска металла, где они образуют так называемую «поверхность Ферми», состоящую из электронов, расположенных в шахматном порядке, спины которых ориентированы у соседних электронов в противоположные стороны. Эта система устойчива и может существовать неопределенно долго.

5. Предположительно механизм гетерогенного катализа связан с образованием градиентного течения между отдельными частями молекул и их аур, что приводит к повороту молекул относительно друг друга и создает взаимную пространственную ориентацию, облегчающую вступление молекул в химическую связь.




Похожие:

Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconУрок по теме «Азот» 2 слайд «Нет жизни без азота, ибо он является непременной составной частью белков»
Конкретизировать знания учащихся о строении атома и ковалентной неполярной связи на примере строения атома азота и молекулы азота....
Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconТЫ, оживляющий явленное, не прекращай колёса вращать!
Днк – А, Т, G, с – химические элементы молекулы которые соответствуют аденину, тимину, гуанину и цитозину – очень похожи на музыкальные...
Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconВопрос Физические свойства веществ и физические явления. Химические свойства веществ и химические явления. Химическая реакция. Признаки течения химических реакций. Роль химии в жизни человека

Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconI. Основы физических процессов в ядерных реакторах
Атом – это мельчайшая частица химического элемента. От строения атома зависят химические свойства элемента, в частности – его способность...
Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconТема: «циклопарафины: строение, свойства, применение»
Знать физические и химические свойства циклопарафинов в сравнении с предельными углеводородами, уметь записывать уравнения реакций,...
Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул icon«Характерные химические свойства оснований и амфотерных гидроксидов. Характерные химические свойства кислот» Научный Ахметов М. А
Введение егэ было продиктовано необходимостью создания системы объективной оценки качества подготовки выпускников средней (полной)...
Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconУрок (элементы урока) физики и математики в 7 классе. Тема: Диффузия. Взаимодействие молекул. Повторение темы «Произведение одночлена и многочлена»
Подготовить учащихся к изучению нового физического явления, а именно, взаимодействия молекул
Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул icon1. Получение, физические и химические свойства. Применение алканов

Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconХимический диктант
Примечание: записать все химические формулы и уравнения, прозвучавшие в диктанте
Молекулы и химические взаимодействия Химические связи и образование молекул iconДокументы
1. /Варыпаев В.Н. Химические источники тока. 1990.djvu
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов