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: 254
Скачиваний: 2
единице. Валентности других атомов молекулы часто устанавлива лись исходя из этого предположения.
Например, в ряде молекул
N H 3 , Р Н 3 , A s H 3 , SbH3 , ВІН 3 |
(XI, 1) |
валентность атомов N, Р, As, Sb, Ві принимается равной трем, исходя из предположения, что валентность атома Н во всех этих соединениях равна единице. Тогда кратности связей NH, РН, AsH, SbH, ВІН могут быть равны только единице, и формулы строения этих молекул будут:
N |
Р |
As |
Sb |
Ві |
/ І \ |
/ 1 \ |
/ 1 \ |
/ 1 \ |
/ 1 \ № 2) |
н н н |
н н н |
н н н |
н н н |
н н н |
Однако в рамках понятий и постулатов классической теории нет оснований, по которым нельзя было бы принять валентность атома Н в ряде молекул (XI, 1) равной, например, двум (или трем). Тогда формулы строения молекул ряда (XI, 1) были бы
ИН
ит: п., и валентности атомов N, Р, As, Sb, Ві в молекулах (XI, I) оказались бы равными шести, а кратности связей NH, РН и т. д. — равными двум.
Долгое время принималось также, что атом кислорода почти во всех молекулах двухвалентен, и это предположение часто ис пользовалось при установлении валентности других атомов в опре деленных рядах молекул. Это согласовалось со стехиометрическими и принимавшимися структурными формулами простейших соедине ний водорода и кислорода (воды и перекиси водорода)
Оо—о
/ |
\ |
/ |
\ |
н |
н |
н |
н |
Далее, предположение о двухвалентности атома кислорода во всех (или почти во всех) молекулах использовалось для установления валентности атомов других элементов в тех молекулах, в которых эти атомы связаны с атомом кислорода. Например, в молекулах ряда BeO, MgO, CaO, SrO, ВаО валентности атомов Be, Mg, Са, Sr, Ва принимались равными двум, исходя из предположения, что валентность атома кислорода в этих соединениях равна двум.
Наконец, рассматривались обычно такие ряды соединений, кото рые можно представить как производные от водородных или кисло родных соединений данного элемента, полученные путем замещения одного или нескольких атомов водорода (или кислорода) атомом другого элемента. Например, молекулы ряда СН3 С1, CH2CI2, СНС13 , ССЦ можно рассматривать как производные от молекулы метана
СН4, в которой один, два, три или четыре атома Н замещены на атомы С1.
Предполагая, <что при таком замещении валентность атома С и оставшихся в молекуле атомов Н не меняется, приписывали атому СІ в этих молекулах валентность, равную валентности Н. При пред положении, что в этих молекулах валентность атома Н равна еди нице, а валентность атома С равна четырем, получим, что валент ность атома СІ в приведенном ряде молекул равна единице.
Следуя указанным путем и рассматривая все новые и новые ряды молекул, были постепенно приняты валентности определен ных атомов в различных рядах молекул. Необходимо еще раз под черкнуть, что принятые таким путем валентности определенных атомов в рядах молекул основаны на исходных предположениях, что атом водорода во всех молекулах одновалентен, а атом кисло рода почти во всех молекулах двухвалентен. В то же время для атомов других элементов допускалась разная валентность в разных рядах соединений. Например, атом фосфора в ряде молекул РН 3 ,
РРз, РС13 , РВгз, Різ принимался трехвалентным, |
а в ряде PF5 , РСЬ, |
|||||
РВг5 , |
Р 1 5 — пятивалентным. Атом серы |
в ряде |
молекул SH2 , SF2 |
, |
||
SCI2 , |
SBr2 , S I 2 принимался двухвалентным, в ряде молекул |
SOF2 |
, |
|||
SOCl2 , |
SOBr2 — четырехвалентным, а в ряде молекул S03 , |
S02 F2 , |
||||
S02 C12 |
— шестивалентным и т. д. |
атома |
водорода и |
двух- |
||
Предположения об одновалентности |
валентности атома кислорода не следуют из понятий и постулатов классической теории и не являются единственно возможными в рамках этой теории. Таким образом, и принимаемые обычно числа валентности атомов в различных м*олекулах и рядах молекул и кратности соответствующих связей не являются необходимыми следствиями понятий и постулатов классической теории, а основы
ваются на указанных выше предположениях о валентности |
ато |
мов Н и О. |
|
Естественно, что с расширением круга молекул и рядов |
моле |
кул, получаемых и изучаемых химиками, предположения об одно валентности атомов Н во всех молекулах и двухвалентности ато мов О в большинстве молекул так же, как и предположения о крат ностях соответствующих связей, должны пересматриваться и, может быть, изменяться в соответствии с новыми экспериментальными дан ными о существовании, строении и свойствах новых рядов молекул.
Ниже мы коснемся вопроса о трудностях описания строения не которых рядов соединений на основе понятий и постулатов класси ческой теории с использованием обычно принимаемых чисел ва лентности атомов в разных рядах молекул. Будет показано, что эти трудности связаны в большинстве случаев не с ограниченностью понятий и постулатов классической теории, а с теми специальными предположениями о числах валентности и принимаемыми кратно стями связей в определенных рядах молекул, которые не являются необходимыми в рамках классической теории и пересмотр которых позволяет преодолеть указанные трудности.
Очевидно, что описанные выше возможные в рамках классиче ской теории изменения в числах валентности, приписываемых ато мам в частицах, и числах кратности химических связей не изме няют числа родов химических связей между атомами заданных химических индивидуальностей, встречающихся в определенном ряде частиц. Таким образом, все такие возможные изменения, рас смотренные выше, не ведут к изменению классификации химиче ских связей по родам и любой вариант выбора чисел валентности атомов в частицах и кратности связей, подобный описанным выше, будет согласовываться с данными по равновесным межъядерным расстояниям для связей соответствующих рядов в одинаковой мере. Аналогичное замечание может быть сделано и в отношении законо мерностей, связывающих строение частиц определенных рядов и другие свойства частиц этих рядов — среднюю энергию образова ния из свободных атомов, среднюю поляризуемость, электрический дипольный момент и т. п. Все закономерности между строением ча стиц определенных рядов и подобными их физико-химическими свойствами будут в равной мере выполняться для лк>бого возмож ного описанного выше варианта выбора чисел валентностей и крат ностей связей атомов в частице.
Таким образом, в рамках классической теории нет никаких пря мых теоретических ^методов определения абсолютных значений * чисел валентностей и кратностей связей атомов в частицах, нет и путей прямого экспериментального определения их абсолютных значений и, наконец, существует возможность различных вариантов выбора этих чисел, в одинаковой мере согласующихся с экспери ментальными данными по свойствам соответствующих частиц.
Из сказанного следует, что объективная значимость таких по нятий классической теории, как понятие о «единице сродства», числе единиц сродства данного атома в данной частице («число валентности»), «кратности связи» данного атома с другими в дан ной частице, не может быть проверена непосредственно какимилибо прямыми экспериментальными измерениями, а только косвен ным путем. Важнейшими аргументами, подтверждающими объек тивную значимость указанных понятий и постулатов, являются следующие закономерности (когда они выполняются):
1. Возможность установить одно-однозначное соответствие ме жду формулами строения, которые можно получить на базе какихлибо принятых предположений о валентностях отдельных атомов и возможных кратностях их связей в определенных рядах частиц, и
* Мы здесь подчеркиваем, что нет ни теоретических, ни экспериментальных методов определения абсолютных значений чисел валентности атомов и крат ности связей в частицах. В рамках классической теории, как мы уже частично показали на примерах, могут быть для отдельных рядов частиц получены урав нения, связывающие числа валентности, приписываемые отдельным. атомам в частице, и числа кратности, приписываемые определенным связям. Но эти уравне ния не имеют однозначных решений. Они допускают бесчисленное множество систем решений, в том числе в целых ^неотрицательных числах, как это показано выше на примере алканов (см. Приложение 1).
химическими частицами, существование которых доказано экспери ментально. Иными словами, согласование предсказаний о возмож ности существования частиц определенных строений (на базе ка ких-либо принятых чисел валентности и возможных кратностей свя зей атомов в определенном ряде частиц), с одной стороны, и экспериментальных данных, подтверждающих существование соответствующего набора частиц данного ряда, с другой стороны.
2. Возможность согласовать формулы строения частиц некото рого ряда, получающиеся на базе каких-либо принятых чисел ва лентности и возможных кратностей связей, с данными по равно весным межъядерным расстояниям и вообще с данными по геометрической конфигурации частиц этого ряда, а также с зако
номерностями в строении и других свойствах этих |
частиц — сред |
ней энергии образования, средней поляризуемости, |
электрическом |
дипольном моменте и т. п. |
|
3. Возможность в какой-то мере согласовать формулы строения частиц определенного ряда, полученные на базе каких-либо приня тых чисел валентности атомов и возможных кратностей связей в частицах, с химическими реакциями веществ, в которые входят частицы этого ряда.
В силу чрезвычайной сложности законов протекания химических реакций, зависимости их «механизмов», скоростей по разным па
раллельно идущим путям и состояний равновесия от ряда |
внеш |
них факторов (температура, давление, среда, поля и т. п.) |
этот |
последний путь является наименее надежным и наименее свобод ным от осложнений, хотя он и применялся широко длительный период и, опираясь на него, устанавливалось и устанавливается, предположительное строение огромного числа химических частиц.
Следует еще раз подчеркнуть, что соответствия между предста влениями ортодоксальной классической теории о строении опреде ленных рядов частиц и экспериментальными данными (если и в той мере, в которой такие соответствия удается установить) могут под твердить только объективную значимость самих понятий орто доксальной классической теории о «единице сродства», «числе валентности атома в частице», «кратности связи», но в силу уже сказанного выше не дают возможности установить абсолютные зна чения соответствующих чисел для каких-либо рядов частиц.
Наличие таких соответствий (если оно установлено) может быть согласовано в равной мере с любым вариантом выбора этих чисел, допускаемым ортодоксальной классической теорией (урав нениями, основанными на ее основных постулатах).
§ 2. Специальное замечание
о связях разных родов (разной кратности)
В ортодоксальной классической теории не решался вопрос о том, эквивалентны или неэквивалентны все единицы сродства, приписываемые одному атому в какой-либо частице. Данных для
постановки и решения такого вопроса, по существу, не было. Когда в этой теории принималось, что одни связи между атомами задан ных индивидуальностей, например связи СО, имеют одну крат
ность, |
например |
«ординарные» |
(С—О), а |
другие — «двойные» |
|||
(С = |
0 ) , |
то, по существу, |
связи |
СО (в одной |
или разных молеку |
||
лах) |
просто |
делились на |
два рода *: некоторый род (С •«-»• 0 ) ( 1 ) и |
||||
другой род |
(С |
0)<2 ) . |
|
|
|
Тот факт, что связи СО одного рода [например, рода (С -*-»• 0)W] принимались образованными одной единицей сродства каждого из связанных атомов, а связи СО другого рода [например, рода (С-*->0)(2>] — двумя единицами сродства каждого из связанных атомов, в рамках постулатов ортодоксальной классической теории не давал никаких возможностей для суждения о том, в каких от ношениях могут находиться какие-либо характеристики связей СО первого рода («ординарных») и второго рода («двойных»), если, и в какой мере, такие характеристики существуют и могут быть численно определены. Иными словами, в рамках ортодоксальной классической теории нет никаких оснований, чтобы утверждать, что какая-либо характеристика связи '(если она может быть ^вообще
введена и численно определена) |
для |
«двойной связи» |
(например, |
двойной связи С = 0 ) должна быть меньше или больше |
(и в какой |
||
мере) подобной характеристики |
для |
«ординарной» связи (напри |
мер, связи С—О). Так, ни из каких постулатов указанной теории не следует, что равновесное межъядерное расстояние для связи, кото
рая рассматривается |
как двойная (например, |
для |
связи, которая |
рассматривается как |
связь С = 0 ) , должно |
быть |
меньше (или |
больше), чем равновесное межъядерное расстояние для связи ато
мов тех ж е химических |
индивидуальностей, |
которая |
рассматри |
|
вается как ординарная |
(например, для |
связи, |
которая |
рассматри |
вается как связь С—О). |
|
|
|
|
То же относится к любым другим |
величинам, которые вводят |
(последовательно или непоследовательно, обоснованно или не
обоснованно и в какой мере — этого здесь мы |
не разбираем) |
для |
характеристики отдельных связей в частицах, т. е. к таким величи |
||
нам, как парциальная энергия образования, приходящаяся |
на |
|
связь, парциальная средняя поляризуемость, |
приходящаяся |
на |
связь (средняя поляризуемость связи), парциальный электрический |
||
* В этом параграфе термин «род связи» употребляется не совсем в том |
||
содержании, как определено понятие рода связи в § 2 гл. V I . Именно |
здесь «род |
|
связи» определяется только химической индивидуальностью связанных атомов |
и |
|
кратностью связи. Валентности связанных атомов не учитываются, |
как это |
и |
было при классификации связей на первых порах в развитии теории |
химического |
строения. Такая непоследовательность в терминологии, допущенная в этом пара графе, объясняется тем, что автор не нашел другого подходящего термина в русском языке для определения связи по ее кратности и химической индиви дуальности связанных атомов, учитывая, что термины «тип связи» и «вид связи»
использованы в литературе и будут использоваться |
дальше для определения |
других ПОНЯТИЙ. |
і |