Файл: Татевский В.М. Классическая теория строения молекул и квантовая механика.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 241
Скачиваний: 2
Рассмотрим второй пример. Простейшим молекулам, содержа щим атомы водорода и кислорода, таким, как Н 2 0 , Н 2 0 2 , Н 2 0 4 , приписываются в настоящее время следующие формулы химиче ского строения
О |
О—О |
О |
О |
Н |
/ \ |
/ \ |
/ \ |
/ \ |
/ |
нн н н н о о
Следовательно, в этих молекулахатому водорода приписывается валентность, равная единице, атому кислорода — валентность, рав ная двум. Атомы водорода и кислорода этих родов, как следует из формул строения, могут образовывать связи О — Н и О—О. На основании постулата V I возможно существование в природе или синтетическое получение, например, следующих других молекул, содержащих атомы и связи тех же родов:
|
0 |
0 |
н |
о |
о |
н |
|
н о |
о |
|
о |
/ \ / \ |
\ / \ / \ / |
|
\ / \ / \ / \ |
||||||||
Н |
О |
Н |
|
О |
О |
|
О |
о |
о |
о |
н |
Далее известно, что существуют молекулы |
состава |
Н 4 0 2 , |
которым |
||||||||
приписывается строение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ \ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
н |
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
О |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
\ |
|
|
|
|
и которые |
обычно |
(нелогично) |
нназывают |
«димерами» |
молекул |
||||||
Н 2 0 . В |
молекуле Н 4 |
0 2 |
указанного |
строения один |
из |
атомов Н |
|||||
двухвалентен и один из атомов О трехвалентен. Атомы этих родов, как видно из формулы строения молекулы Н4О2, могут образовы вать связи О — Н . Следовательно, на основании постулата V I воз можно существование молекул, например, следующих строений:
н—о' о—н н—о( ;о—н—о(
н
/ |
\ |
|
н—о |
о—н |
нч |
I
н
и многих других, содержащих аналогичные фрагменты.
В качестве последнего примера рассмотрим молекулы состава S«F m O f t . Три из таких молекул известны и изучены: SF6 , S2 F1 0 и S2F10O2. Им приписываются формулы строения
F—S- -S—F
^ F / \ F
, F
F
F—S—О
\ Р х О—S—F ^F
На основании постулата V I возможно существование молекул, например, следующего строения
/F ,F ,F /F /F
F \ |
F \ / F \ . |
|
|
F \ , |
' F X / F N |
/ 4 |
|
||||
F—S |
|
S |
S F |
|
|
F—S- |
— s |
|
S |
S—F- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P / \ |
F |
\ F / |
\ F |
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F / |
|
|
|
|
|
Fx |
F- |
|
|
F 4 |
|
|
|
|
|
|
|
F—S—О |
/ |
|
O - S - F - |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
\o—s—О |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
\ F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F ' |
|
|
|
|
|
|
|
0 N |
|
|
|
F |
, o 4 |
|
,o4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
р/ |
S—F |
S—F |
|
\ S - F F - S - F |
S—F |
|
||||
|
|
\ P |
|
|
|
|
\ |
p / \ |
p |
|
|
Аналогичным путем может быть предсказано возможное существо вание многих сотен тысяч до сих пор не синтезированных ча стиц определенного строения.
Подчеркнем еще раз следующее. Во-первых, не абсолютно все из предсказанных таким путем частиц (или рядов частиц) обяза-
тельно окажутся действительно устойчивыми (способными суще ствовать, самопроизвольно не распадаясь). Некоторые из пред сказанных частиц сложного строения, в частности с тесно сближен ными группами атомов, содержащие много малых циклов (трех членных, четырехчленных), могут оказаться не существующими реально. Однако процент таких неверных предсказаний, как пока зывает вся имеющаяся практика химии, будет относительно не велик *.
Во-вторых, следует ясно представить себе, что указанным путем можно предсказать устойчивое существование как единого целого не распадающегося самопроизвольно одной изолированной частицы (в вакууме, в отсутствие соударений с другими частицами и внеш них полей), а не существование (в каких бы то ни было условиях) вещества, состоящего только из предсказанных частиц (не содер-' жащего их осколков и ассоциатов).
Приведенная выше форма постулата V I содержит весьма жест кие условия, при наличии которых возможно предсказание суще
ствования |
частиц определенного строения, еще не |
полученных и |
||
не изученных экспериментально. Благодаря этому |
предсказание |
|||
на основе приведенной |
формы постулата V I можно считать весьма |
|||
надежным. |
|
|
|
|
Можно |
дать другие |
формулировки постулата V I , не |
содержа |
|
щие столь |
жестких -условий и позволяющие предсказать |
возмож |
||
ность существования в природе и синтеза гораздо более широкого
круга |
частиц, чем предсказываемый постулатом |
V I |
в приведенной |
выше |
форме. Однако при этом предсказания будут менее надеж |
||
ными. Эта форма постулата V I рассмотрена |
во |
второй части |
|
книги (гл. V ) . |
|
|
|
§ 2. Формулы ядерного состава для рядов молекул, которые могут существовать согласно классической теории
Классическая теория позволяет установить формулы ядерного состава (стехиометрические или эмпирические формулы) и струк турные формулы для определенных рядов химических частиц, ко торые (химические частицы) могут существовать как единые устой чивые частицы и, следовательно, могут существовать в природе или быть синтезированы. Установление формулы ядерного состава для многих рядов молекул, которые могут существовать как единые стабильные частицы, проводится элементарно. Установление струк турных формул всех возможных структурных изомеров, а также пространственных, оптических и поворотных изомеров и числа изо меров требует применения комбинаторики и представляет собой в общем случае сложную математическую задачу и только в про стых случаях решается элементарно. Иллюстрируем здесь только
* Кроме того, по написанной формуле строения часто уже можно |
в некото |
рой мере судить о степени вероятности существования соответствующей |
частицы. |
приложение постулатов классической теории к установлению фор мулы ядерного состава определенных рядов молекул, которые, со гласно классической теории, могут существовать как единые ча стицы.
Используя основные математические соотношения ортодоксальной классиче ской теории, решим для примера следующие задачи.
1. Установим общую формулу ядерного состава молекул ряда, не содержа щих циклов, содержащих атомы одновалентного водорода (Н—) и четырех валентного углерода, причем каждая из молекул ряда имеет помимо ординарных связей С—С и С — Н I двойных связей С = С . Поскольку в состав молекул ряда входят только атомы углерода и водорода, общая формула должна быть вида
Cnllm, |
причем требуется установить связь между числами |
пят. |
|
|
|
|||||||
Подсчитаем общее |
число |
единиц сродства по |
атомам. Оно, очевидно, |
будет |
||||||||
|
|
|
|
|
4п + |
т |
|
|
|
(VIII, |
1) |
|
Подсчитаем то же число по связям. Общее число связей, по указанной выше |
||||||||||||
лемме I , будет п-\-т—1. |
Число двойных связей |
задано |
равным /, тогда |
число |
||||||||
ординарных |
будет п + |
т — 1 — I, |
а общее |
число единиц сродства |
по связям |
|||||||
будет |
|
|
2 |
(га + |
т — 1 - |
I) + 41 |
|
(VIII, |
2) |
|||
|
|
|
|
|||||||||
(на каждую ординарную связь затрачивается две, а на |
двойную — четыре |
еди |
||||||||||
ницы |
сродства). Приравнивая |
числа |
( V I I I , |
1) |
и ( V I I I , 2), |
получим |
|
|
|
|||
или |
|
|
2 (га + |
т — 1 - I) + |
41 = |
4га + т |
|
|
|
|
||
|
|
|
т = 2га + |
2 — 21 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Формула ядерного состава для молекул ряда будет |
С „ Н 2 П +а - 2 г: |
при |
/ = |
0 |
||||||||
получим ряд |
алканов, |
при / = 1 — р я д |
алкенов, |
при 1 — 2— ряд |
алкадиенов |
|||||||
ит. д.
2.Установим, какова общая формула ядерного (элементарного) состава ча стиц с открытой цепью, которые могут содержать одновалентный атом водорода, образующий только ординарную связь, четырехвалентный атом углерода, обра зующий только ординарные связи с соседними атомами, и трехвалентный атом азота, образующий только ординарные связи с соседними атомами. Общая фор
мула ядерного состава любой такой частицы должна |
быть C n H m N f t , причем тре |
|
буется определить связь между коэффициентами га, т, |
k. |
|
Общее число единиц сродства всех атомов в частице |
C n H M N A при указанных |
|
условиях, подсчитанное по атомам, будет очевидно: |
|
|
4п + т + 3k
Если общее число единиц сродства подсчитать по связям, учитывая, что при от сутствии циклов в цепи химического действия число связей на единицу меньше общего числа атомов и что все связи по условию ординарные, а на каждую такую связь затрачивается две единицы сродства (по одному от двух связанных ато мов), то получим
2(n + m + k - l )
Приравнивая числа единиц сродства всех атомов, подсчитанные по атомам и по
связям, |
получим |
|
|
|
|
или |
2 (га + т + |
k — 1) = 4га |
+ т + 3k |
||
т = 2га + |
2 + |
k |
|||
|
|||||
Отсюда |
общая формула ядерного |
состава |
рассматриваемого ряда частиц будет |
||
CnH2n+2+feNfc. Здесь числа п и k могут принимать любые целые неотрицательные значения независимо друг от друга (га = 0, 1, 2, • .'•, k = О, J, 2, . . . ) , а число Ш
