Файл: Татевский В.М. Классическая теория строения молекул и квантовая механика.pdf

Индекс п, равный единице, обычно не пишут, и общепринятая за­ пись последней формулы будет

Если макротело содержит только ядра азота и водорода, при­ чем доля первых равна У4, а доля вторых 3 / 4 , то формулы элемен­ тарного валового состава, выраженные через ядерные доли у или целочисленные индексы п, будут

При известном изотопном валовом составе макротела анало­ гично могут быть записаны «эмпирические» формулы изотопного

вый (средний) элементарный состав, выражающийся «эмпириче­ скими» формулами ( I , 15) или ( I , 17) независимо от абсолютных значений чисел ядер С и Н и от абсолютного числа всех ядер мак­ ротела. Аналогичный смысл имеют формулы валового элементар­ ного (или изотопного) состава для других макротел.

Естественно, что никаких других сведений о внутреннем строе­ нии макротел, например о способах связи отдельных ядер макро­ тел друг с другом, или сведений о наличии в макротеле каких-либо внутренних структурных единиц более крупных, чем отдельные ядра и электроны (т. е. включающих несколько ядер и некоторое число электронов), формулы валового элементарного (или изотоп­ ного) состава не содержат.

Элементарный состав и свойства макротел. Элементарный со­

став макротела определяет только числа и виды ядер (или ней­ тральных атомов), которые могут быть получены при полном рас­ паде («диссоциации») макротела на отдельные ядра и электроны (или на отдельные нейтральные атомы). Элементарный состав макротела-практически не определяет ни важнейших особенностей внутреннего строения макротела, ни многих его свойств. Легче всего иллюстрировать это на простейших примерах.

Например, если мы возьмем при нормальных условиях (25 °С, 1 атм) два газообразных макротела: 1) некоторое количество газа

ротела будут иметь одинаковый элементарный состав, выражаю­ щийся одной и той же формулой СН4 , но совершенно различные физические и химические свойства.

Можно было бы привести много подобных примеров. Ясно, что знание только элементарного состава не позволяет однозначно оп­ ределить свойства соответствующего макротела.

Очевидно, что элементарный (и соответственно изотопный) со­ став макротел не дает достаточных сведений о внутреннем строе­ нии макротел, для того, чтобы эти данные можно было более или менее однозначно связать с их свойствами. Опыт показывает, что макротела, имеющие один и тот же элементарный состав, могут значительно и в ряде случаев очень сильно различаться по своим свойствам, а изменения, которые могут происходить в макротелах при химических превращениях, ни в коей мере не исчерпываются изменениями в их -элементарном составе. Очевидно, что помимо элементарного состава необходимо рассмотреть другие характери­ стики внутреннего строения и возможных состояний макротел.

Можно привести убедительные аргументы для обоснования при­ менимости понятия химической частицы в том общем виде, как это было пояснено выше, и для других классов макротел, с которыми, как правило, имеет дело современная химия за исключением тех случаев, когда макротела находятся в условиях сверхвысоких дав­ лений или при сверхвысоких температурах.

Поясним содержание этого понятия некоторыми примерами. Некоторое количество газообразного гелия при комнатной темпе­ ратуре (25 °С) и давлении ~ 1 мм рт. ст., помещенного в замкну­ тый сосуд, с достаточной для огромного большинства практических целей точностью можно представить себе как совокупность хими­

ных условиях можно принять, что отдельные химические частицы (атомы гелия) взаимодействуют только при соударениях. Возмож­ ные для каждой из этих частиц состояния и свойства в массе рас­ сматриваемого макротела между соударениями можем принять с достаточной точностью такими же, как и в том случае, если бы

электрический разряд, то канал разряда будет представлять собой макротело, которое можно представить как совокупность нейтраль­ ных и заряженных частиц (Не, Не+ , Не 2 + , е~), находящихся как во внешнем поле, вызывающем разряд, так и в поле самих заряжен­ ных частиц (Не+ , Не 2 + , е~). Состояния отдельных частиц, например, атомов Не и ионов Не + в массе макротела канала разряда уже не будут совпадать с состояниями, возможными для одной изолиро­

в первом примере условиях, представляя его как совокупность ча­

Не), однако их нельзя отождествлять. Атомы гелия в газообразном гелии в первом примере с достаточной точностью по их возможным состояниям и свойствам можно отождествить с атомом гелия, взя­ тым изолированно от других частиц (в вакууме), а атомы гелия в канале разряда по их состояниям и свойствам отличны от изоли­ рованного атома гелия в вакууме из-за наличия полей в разряде.

Следовательно, описывая макротело в канале разряда как сово­ купность частиц видов Не, Не+ , Н е 2 + и е~, для атомов Не надо ввести эффективные состояния (с учетом полей разряда), отличные^ от состояний, свойственных изолированному атому гелия, т. е. рас­ сматривать некоторые «эффективные» атомы Не, причем конкрет­ ное содержание этого понятия (т. е. совокупность возможных со-

стояний для такого эффективного атома) будет меняться в зависи­ мости от полей, имеющих место в разряде.

Совершенно аналогично, если мы рассмотрим газообразный ге­

такое макротело как состоящее из отдельных химических частиц — атомов гелия, однако из-за сильных взаимодействий атомов гелия состояния, возможные для отдельного атома в массе макротела, будут уже сильно отличаться от состояний, возможных для одного атома гелия, изолированного в вакууме. Поэтому, вводя понятие «атома гелия» для гелия, сжатого до давления в 100 000 атм, необ­ ходимо помнить, что это понятие в данном случае имеет другое кон­ кретное содержание, чем для изолированного в вакууме атома в от­ ношении тех состояний, которые необходимы для его описания как структурной единицы рассматриваемого макротела (сильно сжа­ того газообразного гелия).

Подобное изменение конкретного содержания понятия химиче­ ской частицы определенного вида происходит всегда, в той или иной мере, при переходе от рассмотрения одной частицы данного вида, изолированной в вакууме (или совокупности частиц в сильно разреженном газе), к макротелу, в котором взаимодействием ча­ стиц уже нельзя пренебрегать (сильно сжатые газы, жидкости, твердые тела).

Если мы рассмотрим какое-либо макротело при обычных тем­ пературах (близких к комнатной) и сверхвысоких давлениях, то окажется, что введение понятия «химическая частица» для таких состояний макротел уже не имеет большого смысла. При сверх­ высоких давлениях макротела уже плохо описываются как сово­ купности некоторых отдельных более или менее обособленных химических частиц (т. е. некоторых структурных образований из ядер и электронов), так как энергии взаимодействия выделяемых мысленно таких отдельных химических частиц становятся уже сравнимыми с энергиями взаимодействия ядер и электронов в каж­ дой частице, и само выделение «отдельной химической частицы» как индивидуального структурного образования макротела теряет смысл.

Макротела при этих условиях в некоторых случаях правильнее рассматривать как некие единые связные совокупности, состоящие непосредственно из ядер и электронов, без введения промежуточной структурной единицы — химической частицы.

Если мы перейдем от рассмотрения макротел при сверхвысоких давлениях и обычных низких температурах к рассмотрению макро­ тел при сверхвысоких температурах, т. е. температурах выше не­ скольких сотен тысяч градусов (до нескольких миллионов граду­ сов), и низких давлениях, то окажется, что при таких условиях все