Химические связи 1. Общие положения. Часть 2

Химические связи 1. Общие положения (Часть 2)

ПО ЕВКЛИДУ, ТОЧКА – ЭТО ТО, ЧТО НЕ ИМЕЕТ ЧАСТЕЙ!

В конце первой части рассказа был показан фрагмент живого объекта, – кто-то, имеющий домашних питомцев, возможно, догадался по шёрстке, – этим объектом является кот (кошка). Но я продолжаю интригу и спрашиваю: в какой позе объект находится, что делает, чем занят? Зная повадки кошачьих, можно предположить, что объект спит. Тогда что такого необычного меня привлекло, когда показал этот незатейливый фрагмент?

Всё очень просто. Я увеличил картинку на компьютере, чтобы рассмотреть более детально, как выглядит шёрстка, – обнаружил разные геометрические формы или так называемую “поверхностную структуру” шерсти кошачьих. Воспользовавшись микроскопом, можно было бы видеть волосяной покров и отдельные волосинки. А при достаточном разрешении электронного микроскопа – структуру волоса. Но это всё ещё – не атомы, хотя масштаб был бы увеличен в разы.   

Чтобы «добраться» до атомов или ещё более мелких элементарных частиц, мне нужно знать предел, которому должен соответствовать электронный микроскоп, то есть, – хотя бы иметь представление о размерах того, чего желаю увидеть. Кроме того, мне нужно иметь картинку без аберраций (искажений), что даст наиболее полное представление об исследуемом фрагменте. Посмотрите на Фото 1 перед текстом, – снимок после дождя куста роз, там где оптика фотоаппарата передаёт нечёткое изображение в той части (снимка), что меня интересует более всего.

Капли дождя, переливаясь в солнечных лучах, выглядят в виде бусин примерно одинакового размера. Это, очевидно, – наименьший размер удержавшихся на листве капель среди большого разнообразия как по форме, так и по размерам. Это, должно быть – проекция капель на поверхность листа, а размер сферических бусин характеризует область адгезии, за счёт которой капля сцеплена и держится на листе. На самом деле, форма «бусин» – не что иное, как тор, – точно такую имеет, например, мыльный пузырь, сцепившийся с поверхностью стекла.

Приблизьте фрагмент (Фото 1) и рассмотрите внимательно. Косвенный приём в данном случае позволяет посчитать количество уместившихся на поверхности листа капель, а по ним – плотность адгезии влаги с листьями роз. Природа на уровне макромира достойна того, чтобы её изучать!

Следующий фрагмент – Фото 2. В яркий солнечный день оконная сетка полностью затеняет стекло, а на фрамуге, наклонённой под углом к горизонту, видны волны от проникающих сквозь сетку пучков света, сливающихся в параллельные линии.

На Фото 3 – фрагмент проекции от влажного стекла литровой банки на плоскую стену. Соответственно, на Фото 4 и 5 – фрагмент соединения (смеси) различных водорастворимых веществ до перемешивания и после.   

Во всех показанных фрагментах запечатлены уникальные поверхностные формы, что образуются благодаря структуре воды, встроенной в сегрегации эфира. Нас в школах и университетах этому не учат: ВСЕ ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ИЗНАЧАЛЬНО УПАКОВАНЫ В ВОДЕ!

Остаётся только выяснить, какова геометрическая структура воды в различных её агрегатных и переходных состояниях.

Прежде всего, это точно известно, капля воды имеет гибкую упругую форму, – при уменьшении размеров капли её форма стремится к сферической; в невесомости любые по объёму капли воды приобретают шаровидную форму. Об этом более подробно – в другой раз, здесь же стоит подчеркнуть, что мельчайшие капли воды имеют объём, что, в отличие от точки (по Евклиду), не имеющей частей, даёт нам возможность изобразить мельчайшие капли воды окружностями малого диаметра.

* * *
В учебных пособиях атомы обычно изображают в виде шариков, а молекулы – в виде соединённых между собой (палочками-связями) атомов, причём разным по величине атомам придают соответствующий диаметр. Поскольку это абстракции, не соотносящиеся с природой, то мне нет смысла сопоставлять чьи бы то ни было умозрительные фантазии со своими выкладками. Здесь речь идёт о другом!

Тысячелетиями люди познавали окружающую среду обитания, изучая с помощью элементарных устройств, – при отсутствии точных приборов, поэтому на ранних стадиях развития наук доказать предположения было практически невозможно.

Говоря о химических веществах, необходимо привести ряд исторических фактов – порядок открытия элементов до публикации периодической таблицы Менделеева. К 11-ти элементам, известным с древности, плюс 3-м, открытым до XVIII века, во времена Лавуазье (к 1789 году) добавились ещё 15. К числу открытий относятся и основные, определяющие состав воды и воздуха: водород, кислород, азот.

Пиком открытия новых элементов считается период с 1789 по 1869 – к известным 29-ти за 8 десятилетий присовокупились ещё 34. Тут важно понимать хронологию событий и развитие разных направлений в науках одновременно, когда теорий не было, и все точные науки тесно переплетались между собой.

Амедео Авогадро (1776-1856), вдохновлённый успехами своего соотечественника Гей-Люссака, исследовавшего упругость газов в зависимости от температуры, а также процессов парообразования (с 1806), изменение объёма воздуха и других газов в зависимости от температуры (1807), его публикациями об исследованиях химических свойств новых элементов (калий, натрий, бор, – 1808, хлор – 1809), в которых Гей-Люссак принимал участие, наткнувшись на его заметку «О взаимном соединении газообразных веществ» (1808), где выводы были настолько важными, что впоследствии получили название «закон Гей-Люссака» (в русскоязычной литературе этот закон обычно называют законом объёмных отношений), – на базе полученных достоверных результатов, выдвинул умозрительную гипотезу (1811), которую нынче знают в мире, как «закон Авогадро».

В тот период современная атомистическая теория делала только первые шаги, поэтому выводы Гей-Люссака были настоящим прорывом в области исследования структуры вещества. В первой формулировке закона, опубликованной в 1808 году, Гей-Люссак утверждал, что «газы, действуя друг на друга, соединяются в простых отношениях, например 1 к 1, 1 к 2 или 2 к 3» (данные из Википедии). Гей-Люссак выяснил также, что это соотношение не меняется, с температурой, вопреки общепринятым тогда представлениям, что количество элементарных частиц, составляющих газ, изменяется с температурой, причём в разных пропорциях для различных газов.

В начале XIX века экспериментаторам-химикам повезло в том, что параллельно, наряду с грубыми приборами, развивались опыты с источником электричества – вольтовым столбом. Так, к примеру, в 1807 году Берцелиус, Хизингер и Дэви, используя вольтов столб, получили из расплавов поташа и соды металлы (калий и натрий), обладавшие удивительными свойствами: были мягкими как воск, плавали в воде, самовозгорались и сгорали ярким пламенем. Проведя опыты, Гей-Люссак и Тенар обнаружили, что калий и натрий можно получать и химическим путём (результаты опубликованы в марте 1808).

Об открытии Гей-Люсаком йода и других веществ можно найти в Интернете, но удивительными, на мой взгляд, являются высказывания его предположений (при исследованиях по метеорологии в одном из выпусков «Летописи химии и физики» за 1822 год), что облака состоят из маленьких пузырьков, наподобие мыльных, которые поднимаются вверх восходящими потоками воздуха. А в 1818 в одном из писем Гумбольдту Гей-Люссак даёт достаточно наивное по нынешним временам объяснение грозы. По его мнению, электричество широко распространено в воздухе. В грозовых облаках, которые обладают свойствами твёрдых тел, электричество стремится выйти на поверхность. Скапливаясь в больших количествах на поверхности облаков, электричество преодолевает сопротивление воздуха и производит длинные электрические искры.

Как по мне, оба объяснения природных явлений весьма точны, если только во втором поправить: «длинные электрические искры» на «электрические дуги». Оба эти высказывания Гей-Люссака предлагаю читателю запомнить, дабы сравнивать с высказываниями по данным феноменам других известных и не очень учёных.

* * *
Откуда в химии возникла грамм-молекула и моль вещества объёмом 22,4 литра?
Точнее, 22,414 литра, – что это за цифра, откуда взялась? О, этот вопрос, как мне показал поиск в Интернете, интересует многих людей, не только меня. Но ответа вразумительного (адекватного) я не нашёл. Все сведения ведут прямиком к числу Авогадро, то есть, к гипотетической абстрактной (с особой точностью исчисленной чисто математически) константе, равной 6,022*10^23 (молекул в 1 моле). Какой же объём занимает одна молекула или атом? Найдите самостоятельно.

Ситуация напомнила мне ту, что в начале XX века, – при создании «квантовой физики», когда Макс Планк выдвинул феноменальную константу, не объяснив, что сие означает. Физики (а не дилетанты) до сих пор не знают смысла постоянной, кроме как переводного связывающего подгоночного (математически) коэффициента для несуществующей в природе «скорости света в квадрате».

Эти абстракции – чисто математические приёмы. Только в случае с цифрой для выдуманного условного объёма (названного молем) использован, видимо, другой, более изощрённый приём: составное число 21 + (корень квадратный из 2)!

Гадать «на кофейной гуще», что это значит, бессмысленно, – посему я эту затею отставил. Но всё же для себя раскопал, что вопрос создания теорий остро стоял на стыке веков XIX и XX, – развитие наук требовало их преподавания студентам! Вильгельм Оствальд (1853-1932), лауреат Нобелевской премии по химии, 1909), – один из основоположников классической физической химии, опубликовал множество учебников, научных работ по аналитической химии, электрохимии, неорганической химии. Основал журнал «Время физической химии» (1887).

Нобелевская премия была присуждена за его работу по катализу, химическому равновесию и скоростям реакции (труды его основывались на экспериментах).

Собственно, никакого отношения имя Авогадро не имеет к понятию моля, которое придумано в 1894 году Оствальдом. Интрига, по-видимому, касалась неприятия самим Вильгельмом Оствальдом идей атомной теории в том виде, в котором та зарождалась и создавалась. Об этом можно самим найти информацию. Забавно, что вместе с Эрнстом Махом Оствальд был одним из последних несогласных с атомной теорией, но (по его словам из разговора с Зоммерфельдом) объяснил, что его убедили эксперименты Жана Перрена по броуновскому движению (1908).

Забавен не сам описанный факт убеждения научных оппонентов, а то, что Роберт Браун (Robert Brown, 1773-1858) – шотландский ботаник повлиял не нешуточную дискуссию известных физиков и химиков второй половины XIX века о природе атомов (известных с античных времён, Демокрит, V век до н.э.). На одной стороне выступали неопровержимые авторитеты, такие как Мах (ударные волны), который утверждал, что атомы – суть просто математические функции, удачно описывающие наблюдаемые физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы. С другой стороны, учёные новой волны XIX века – в частности, Людвиг Больцман (постоянная Больцмана) – настаивали на том, что атомы представляют собой физические реалии.

Как оказалось, летом 1827-го Браун, занимаясь изучением поведения цветочной пыльцы под микроскопом (он изучал водную взвесь пыльцы растения Clarkia pulchella), обнаружил, что отдельные споры совершают абсолютно хаотичные импульсные движения. Он доподлинно определил, что эти движения никак не связаны ни с завихрениями и токами воды, ни с её испарением, после чего, описав характер движения частиц, честно расписался в собственном бессилии объяснить происхождение этого хаотичного движения. Однако, будучи дотошным экспериментатором, Браун установил, что подобное хаотичное движение присуще любым микроскопическим частицам, – будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельчённая субстанция.

Лишь в 1905 году не кто иной, как Альберт Эйнштейн, впервые осознал, что это таинственное, на первый взгляд, явление служит наилучшим экспериментальным подтверждением «правоты атомной теории строения вещества». Он объяснил его примерно так: взвешенная в воде спора подвергается постоянной бомбардировке со стороны хаотично движущихся молекул воды. Одна из 3-х статей Эйнштейна в журнале «Анналы физики» за 1905 год касалась теоретического разъяснения феномена броуновского движения. В 1908 французский физик Жан Батист Перрен (1870-1942) провёл блестящую серию опытов, подтвердивших эйнштейновские объяснения, и учёным того времени стало окончательно ясно (и даже Оствальду), что наблюдаемое хаотичное броуновское движение частиц является следствием межмолекулярных соударений. Как только это Оствальд осознал, на следующий год (1909) стал лауреатом Нобелевской премии.

Казалось бы, спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе…

Естественно, Перрен помог Оствальду с вычислением значения числа Авогадро хотя и тут не обошлось без «прикола». Никому не известный итальянец из Турина неожиданно «всплыл» на первый план атомистической теории! Амедео Авогадро с учёной степенью доктора церковного права!

Правда, будучи из дворянской семьи, самостоятельно занимался математикой и физикой, что дало результат, и в 1806 году (за ~ 100 лет до рассматриваемых выше событий с Перреном и Оствальдом) получил должность профессора в колледже города Верчелли, затем – кафедры математической физики Туринского университета, – чрезвычайно скромный человек, работал в одиночестве.

Статья же Авогадро, что появилась в 1811 году «Очерк метода определения относительных масс элементарных молекул тел и пропорций, согласно которым они входят в соединения» с гипотезой: «В равных объёмах различных газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул», оставалась без внимания учёных ввиду бездоказательности даже теоретической.

Лишь спустя столетие нашлись заинтересованные лица (Перрен и Оствальд), – вознесли доброе имя Авогадро до небес, вписав его во все учебники по химии, да и вычисленное Перреном абсурдное значение для количества атомов для разных газов в одинаковом моле вещества (22,414 литра), назвали числом Авогадро. Так, сняв с себя ответственность за «доказательство недоказуемого», Жан Батист Перрен вместе с Вильгельмом Оствальдом, заодно присовокупив нужный «закон Авогадро» для построения (связки) атомистической теории, как говорится, нашли «козла отпущения».

* * *
Как всегда, в любую эпоху развития человечества, находятся здравомыслящие, кто прекрасно владеет предметом, спецификой полемик и пересуд, философией и бескорыстным отношением к делу и науке. Один из них – Эрнст Мах (1838-1916).

Он не поддался на «уловки» учёных своего времени и был противником атомизма.

Мах утверждал, что поскольку молекулы являются мыслительными конструкциями и их существование не может быть проверено прямым наблюдением, нет никакой необходимости представлять их в пространстве трёх (а не другого, большего числа) измерений. В более широком плане, представлениям об абсолютном пространстве, времени, движении, силе и т.п. Мах противопоставил понимание этих категорий, которые, по Маху, субъективны по своему происхождению. В духе субъективного идеализма (философски) Мах утверждал, что мир есть «комплекс ощущений»; соответственно, задача науки – лишь описывать эти «ощущения». Он, пожалуй, был единственным из плеяды физиков, кто говорил о наличии у тела инертной массы, которая является следствием взаимодействия его со всем веществом Вселенной (принцип Маха).

Для Маха существует не противопоставление «мира» и «я», ощущение и предмет, а только связь элементов. Науке, по его мнению, предстоит просто признать эту связь и пользоваться ею для выработки ясного понятия о существующем, отказавшись от попыток объяснить существование самих элементов. По Маху не тела производят ощущения, а комплексы ощущений, отличающиеся относительным постоянством, получают особые названия и обозначаются как тела. (Мы распознаём сигналы по ощущениям в виде звуков, красок, изображений, и придумываем названия, чтобы отличить одно от другого).

Другим достойным исследователем, кто в 1808 году опубликовал двухтомный фундаментальный труд «Новая система химической философии», радикально повлиявшим на дальнейшее развитие химии, был Джон Дальтон (1766-1844).

У меня нет цели в данном рассказе анализировать все его многочисленные опыты и теоретические выкладки, базирующиеся на экспериментах, главное положение из которых, касаемо атомизма по Дальтону, звучит так:

АТОМЫ ЛЮБОГО (ОДНОГО) ЭЛЕМЕНТА ИДЕНТИЧНЫ, НО ОТЛИЧНЫ ОТ ВСЕХ ДРУГИХ.

Из этого простейшего определения следует прямое логическое понимание, что даже если бы атомы реально существовали в природе, то для различных газов их геометрические размеры и элементарные объёмы отличались бы. Представить это проще простого, взяв в руки тетрадь в клеточку, считая, что каждая клеточка – это атом какого-то конкретного (любого газа) вещества. Записывайте на каждой странице тетради все известные вам простые и составные газы, – водород, метан, углекислота, хлор, кислород, фтор, и проч., а также соединения и испарения (пар, аммиак, сероводород и т.д.), – и попробуйте различить то, что у вас получилось. Чтобы представить объём, можете каждый тетрадный лист свернуть в трубочку.

Можете считать, что каждый тетрадный лист имеет объём в 1 моль (22,414 литра), что клеточки можно уменьшить в масштабе до величины атома, чтобы получить ровно столько, сколько предписано «законом Авогадро», и вам станет абсолютно ясно отличие поистине значимых работ Дальтона: КАЖДОМУ ХИМИЧЕСКОМУ ЭЛЕМЕНТУ СООТВЕТСТВУЕТ ОСОБЫЙ ТИП АТОМА.

Собственно, исходя из этого положения, через 100 лет последователи и затеяли новый виток «углубления» в структуру атома, к тому же в 1897 году Томсоном в экспериментах на катодных лучах был открыт ЭЛЕКТРОН, – доселе неведомая частица. Тут же были отброшены остальные основные положения Дальтона, одно из которых гласило: «Атомы нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путём каких-либо химических превращений (или превратить друг в друга). Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов (атомы не возникают и не исчезают при химических реакциях, – закон сохранения массы)».

Пустившись с залихватским усердием (Резерфорд, Томсон, Бор, Шрёдингер и другие создатели модели атома) к выдвижению концепций о сложной структуре атома, учёные ещё дальше отодвинули теоретическую (гипотетическую) науку от, собственно, самой среды нашего обитания. Как говорится, имеем что имеем.

С моей субъективной точки зрения, сегодня абсурда в «квантовую физику» заложено столь много, что не разглядеть рационального зерна, – зачем гипотетическая абстрактная теория в таком виде вообще нужна? 

Для того, чтобы понимать, как перестраиваются химические связи в структурах веществ, необходимо изучать непосредственно природу, – двигаться совершенно в противоположном направлении. Частично этот путь уже пройден: Декартом и Лейбницем, Дальтоном и Гей-Люссаком, Оствальдом и Махом, другими большими экспериментаторами своего времени.

В современных условиях важно владеть основами классической геометрии и начертательной геометрии, компьютерным программным обеспечением для того, чтобы вести построения и перестроение геометрических фигур (одну в другую), но не просто так, а с пониманием дела.

Я долго искал в Интернете такие построения, где были бы задействованы числа Фибоначчи и «золотое сечение», что всюду встречаются в природе. Предлагаю самостоятельно найти в открытом доступе доклад за 2019 год Васильевой Веры Николаевны (Южно-уральский государственный университет (Национальный Исследовательский Университет)): «Золотое сечение и золотые прямоугольники при построении икосаэдра и додекаэдра».

Для наглядности привёл здесь несколько построений, а из дальнейших рассказов станет ясно, что не из атомов и молекул «вырастают» структуры веществ, а лишь благодаря различным перестроениям химических связей при воздействии извне происходят преобразования одних структурных элементов в другие.    

В природе констант не существует, и тем не менее устойчивость структур веществ для разных их агрегатных состояний соблюдается геометрическими пропорциями (энергетический баланс).