Атомы и молекулы простых химических элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Атомы и молекулы простых химических элементов

Представляем закономерности формирования атомов и молекул простейших химических элементов. Они следуют из совокупности законов, которые управляют формированием фотонов, электронов, протонов, нейтронов и ядер атомов. Как мы сейчас увидим процессы формирования атомов, молекул и кластеров замыкают всю совокупность законов, формирующих элементарные частицы и, таким образом, защищают достоверность представленной информации, которая уже заслуживает быть включённой в учебный процесс.

Структура атома водорода

Структура самого простого атома - атома водорода следует из его спектра, который описывается следующей математической моделью

,

где: - энергия поглощенного или излученного фотона; - энергия ионизации, равная такой суммарной энергии фотонов, после поглощения которой электрон теряет связь с ядром и становится свободным; - энергия связи электрона с ядром атома, соответствующая первому энергетическому уровню, также равна энергии фотона. Из этой математической модели следует, что электрон в атоме вращается только относительно своей оси симметрии. Так как разноименные электрические заряды электрона и протона сближают их, то роль ограничителя сближения могут выполнить только одноимённые магнитные полюса этих частиц. В связи с этим для последующего описания поведения электронов в атомах вводим понятие энергетический уровень электрона в атоме вместо существующих понятий орбита и орбиталь. Закон формирования энергий связи электронов с протонами ядер атомов следует из закона формирования спектров атомов и ионов (1) и имеет такой математический вид



При анализе спектра реликтового излучения Вселенной выяснилось, что электрон устанавливает связь с протоном - ядром атома водорода, начиная со 108-го энергетического уровня. Расстояние между протоном и электроном, согласно закону Кулона, в этот момент равно

Оно в миллион раз больше электрона и в миллиард раз больше протона. В момент установления связи между электроном и протоном излучается фотон с энергией , равной энергии его связи с протоном. Длина волны излученного фотона оказывается равной длине волны максимума реликтового излучения.

После установления контакта между электроном и протоном начинается процесс синтеза атома водорода. Переходя с уровня на уровень и приближаясь к протону, электрон излучает фотоны разной длины волны.

Закон Кулона позволяет определить расстояние между протоном и электроном в момент пребывания его на первом энергетическом уровне. Поскольку энергия связи протона с электроном в этом случае равна то при имеем (табл. 1)

Подставляя в формулы (1), (2) и , получим не только теоретические значения (теор) спектра атома водорода, полностью совпадающие с экспериментальными значениями (эксп), но и энергии связи электрона с протоном (табл. 1).

Таблица 1. Спектр атома водорода, энергии связи между протоном и электроном и расстояния между ними

Знач.	n	2	3	4	5
(эксп)	eV	10,20	12,09	12,75	13,05
(теор)	eV	10,198	12,087	12,748	13,054
(теор)	eV	3,40	1,51	0,85	0,54
(теор)		4,23	9,54	16,94	26,67

Результаты табл. 1 позволяют вычислить энергии фотонов, которые излучает электрон при переходе на второй () стационарный энергетический уровень со всех остальных стационарных уровней (табл. 2).

Таблица 2. Спектр атома водорода

Энергии фотонов, излучаемых электроном при его переходе на второй энергетический уровень с более высоких уровней, рассчитываются по формуле (6). Они представлены в табл. 3.

Таблица 3. Энергии фотонов, излучаемых электронами при их последовательных переходах на второй энергетический уровень

Электрон сближают с протоном их разноимённые электрические заряды, а ограничивают сближение одноименные магнитные полюса. Между силами этих полей устанавливается равновесие и образуется структура, называемая атомом водорода (рис. 1).

Рис. 1. Модели атома водорода: - электрон, - протон

Минимальное расстояние, на которое электрон приближается к протону, м (5), то есть порядка ангстрема (табл. 1), что согласуется с принятым в современной физике размером атома водорода (рис. 1). Если размер протона принять равным одному миллиметру, то размер электрона будет около метра, а расстояние между ядром атома водорода (протоном) и электроном окажется около ста метров (рис. 1).

При формировании атома водорода электрон и протон будут сближаться только тогда, когда их спины (вращения) совпадают (рис. 1). Это ограничение сразу формирует второе требование - противоположность направления векторов магнитных моментов электрона и протона . Если действительно существует такая последовательность, то из неё автоматически следует главное различие между электромагнитными структурами электрона и протона: направления векторов спина и магнитного момента у электрона (рис. 1) совпадают, а у протона (рис. 1) направления спина и магнитного момента противоположны.

Модель атома водорода, показанная на рис. 1, ярко демонстрирует его активность. С одной стороны расположен положительно заряженный протон, готовый вступить в связь со свободным электроном, а с другой - отрицательно заряженный электрон, готовый вступить в связь с протоном или электроном. Вот почему атомы водорода существуют в свободном состоянии только при высокой температуре При этой температуре электроны атомов находятся в возбужденном состоянии, то есть на самых высоких энергетических уровнях, где связь с протонами у них чрезвычайно слаба.

Причину излучения фотонов при сближении электрона с протоном можно описать так. При соосном сближении электрона с протоном разные скорости их вращения относительно одной и той же оси формируют момент сил, который будет тормозить или ускорять вращение электрона. Причем, в начальной стадии моменты сил протона и электрона будут разные. После перехода электрона на другой энергетический уровень, для восстановления равенства этих моментов электрон излучает часть своей массы в виде фотона или поглощает его из среды и приближается или удаляется от протона.

Модели молекулы водорода

По мере уменьшения температуры среды электроны атомов водорода переходят на нижние энергетические уровни (приближаются к протонам). Их связь с протонами становится прочнее, и появляются условия для соединения в единую структуру двух протонов и двух электронов.

Известно, что энергия синтеза одного моля молекул водорода равна 436 кДж, а одной молекулы - 4,53eV. Энергию эту выделяют электроны атомов в виде фотонов. Каждый электрон излучает фотон с энергией 4,53/2=2,26eV.

Так как фотоны излучают электроны, то при формировании молекулы водорода каждый электрон должен излучить один фотон с энергией 2,26eV. Возникает вопрос: на каких энергетических уровнях должны находиться электроны в атомах водорода перед тем, как они начнут объединяться в молекулы?

Когда электрон находится на третьем энергетическом уровне в атоме водорода, то его энергия связи с протоном равна 1,51eV (табл. 1), а когда на втором, то - 3,4eV. Чтобы излучить фотоны с энергиями 2,26eV при формировании молекулы и оказаться между вторым (с энергией связи 3,4eV) и третьим (с энергией связи 1,51eV) энергетическими уровнями, электрон должен перейти с 4-го на 2-й (примерно) энергетический уровень. В этом случае он излучит фотон с энергией (табл. 3).

Фактически он излучает фотон с меньшей энергией 2,26eV и оказывается не на 2-ом энергетическом уровне, а между вторым и третьим энергетическими уровнями, соответствующими атомарному состоянию (рис. 2).



Рис. 2. Спектр атома водорода: 2-й () и 3-й () стационарные энергетические уровни электрона

Конечно, если бы все электроны атомов водорода при формировании молекул излучали фотоны с одной и той же энергией, то в молекулярном спектре появилась бы одна спектральная линия между атомарными линиями, соответствующими второму и третьему энергетическим уровням. Отсутствие этой линии и наличие светлой зоны (рис. 2) между спектральными линиями, соответствующими второму () и третьему () энергетическим уровням атома водорода, указывает на то, что электроны атомов водорода, переходя с 4-ых и других энергетических уровней при формировании молекул водорода, излучают фотоны с разными энергиями так, что их средняя величина оказывается равной 2,26eV. Это, видимо, естественно, так как процесс этот идет не при одной какой-то температуре, а в интервале температур. В результате энергии связи между протонами и электронами в молекуле водорода оказываются такими, как показаны на рис. 3, а).

Два протона и два электрона, как принято в современной химии, образуют структуру с довольно прочной связью, равной 436 кДж/моль. В расчете на одну молекулу это составит 4,53 eV, а на один атом - 2,26 eV (рис. 3, а).



Рис. 3. Схема молекулы водорода : а), b) - ортоводород; c) - параводород

На рис. 3, а, b атомы водорода связывают в молекулу их электроны. Направления векторов магнитных моментов обоих электронов совпадают. Данную структуру назовем ортоводородом. Обратим внимание на то, что на концах модели водорода разные магнитные полюса. Это значит, что она может обладать некоторым магнитным моментом. Этому факту придали смысл совпадения векторов магнитных моментов протонов и назвали такую структуру ортоводородом.

Обратим внимание на логические действия Природы по образованию такой структуры молекулы водорода (рис. 3, а). Электростатические силы взаимного притяжения первого электрона и первого протона уравновешиваются противоположно направленными магнитными силами этих частиц. Именно поэтому векторы и их магнитных моментов направлены противоположно. Электростатические силы отталкивания, действующие между первым и вторым электронами, уравновешиваются сближающими их магнитными силами, поэтому направления векторов обоих электронов совпадают.

Чтобы скомпенсировать электростатические силы взаимного притяжения второго электрона и второго протона, необходимо сделать магнитные силы этих частиц противоположно направленными. Это действие отражено в противоположно направленных векторах и магнитных моментов второго протона и второго электрона (рис. 3, а, слева).

На рис. 3, b показан еще один вариант компоновки молекулы ортоводорода. Принцип формирования этой молекулы тот же. Векторы магнитных моментов электронов и протонов оказываются направленными так, что если электрические силы приближают частицы, то магнитные силы должны удалять их друг от друга. В результате между этими силами устанавливается равновесие. Устойчивость образовавшейся таким образом структуры зависит от энергий связи между ее элементами. Поскольку магнитные моменты электронов на два порядка больше магнитных моментов протонов, то электромагнитные силы первой структуры (рис. 3, а) прочнее удерживают ее элементы вместе, чем в структуре, показанной на рис. 3, b, поэтому есть основания ожидать, что первая структура ортоводорода устойчивее второй.

При образовании молекулы параводорода (рис. 3, c) логика формирования связи между первым электроном и первым (справа) протоном остается прежней. Далее, силы взаимного притяжения первого электрона и второго протона, а также второго электрона и второго протона уравновешиваются их противоположно направленными магнитными силами.

Поскольку векторы магнитных моментов электрона и протона, расположенных на краях этой структуры, направлены противоположно, то общий магнитный момент такой структуры близок к нулю (рис. 3, с). Поэтому посчитали, что векторы магнитных моментов протонов у такой структуры направлены противоположно и назвали её параводородом.

Интересно отметить, что в смеси молекул водорода - ѕ молекул ортоводорода. Однако при уменьшении температуры газа все молекулы ортоводорода (рис. 3, а) превращаются в молекулы параводорода (рис. 3, с). Причиной этого является увеличение сил отталкивания между электронами ортоводорода. При уменьшении температуры расстояние между этими электронами уменьшается, электростатические силы отталкивания увеличиваются и молекула ортоводорода (рис. 3, а) разрушается, превращаясь в молекулу параводорода (рис. 3, с).

Настала очередь проанализировать существующие представления о химической связи между атомами в молекулах. Они описываются несколькими теориями.

Ионная теория связи описывает связи, устанавливаемые между противоположно заряженными ионами. На основании этого связь между первым протоном и первым электроном, а также между вторым электроном и вторым протоном в молекуле ортоводорода (рис. 3, а) считается ионной.

В соответствии с теорией ковалентной связи, ее образуют два не спаренных электрона двух атомов. Такую связь мы видим между первым и вторым электронами молекулы ортоводорода (рис. 3, а). Правильнее было бы назвать связь между электронами просто электронной связью, между протонами - протонной связью и связь между электроном и протоном - электронно-протонной связью.

Теория водородной связи описывает химические связи, реализуемые атомом водорода. Схема атома водорода (рис. 1) указывает на то, что атом водорода является идеальным звеном для связи между атомами. Эту связь формируют как кулоновские силы протона и электрона, так и их магнитные силы.

Структура атома гелия

Гелий - второй химический элемент. В его ядре два нейтрона и два протона, а в атоме - два электрона (мы не рассматриваем изотопы). Если в атоме гелия один электрон, то он считается водородоподобным.

Мы уже описали методику определения энергии связи первого электрона с ядром атома, соответствующей его первому энергетическому уровню. Она оказалась равной . Учитывая энергию ионизации этого электрона и используя закон спектроскопии (1), (2), получим необходимые данные (табл. 4).

Итак, если электрон атома водорода, взаимодействуя с ядром, удален от него на расстояние, в 100 раз превышающее размер самого электрона, то как будет взаимодействовать с ядром первый электрон атома гелия с меньшей энергией ионизации?

Прежде чем ответить на этот вопрос, обратим внимание на фундаментальную неясность. Энергия ионизации электрона атома водорода равна , а энергия ионизации первого электрона атома гелия -. Сразу возникает вопрос: почему?

Обратим внимание на другой факт. Энергии связи с ядром у электрона атома водорода (табл. 4) и первого электрона атома гелия имеют близкие значения на одноименных энергетических уровнях, а энергии возбуждения , соответствующие этим же уровням, отличаются почти в два раза.

Таблица 4. Энергии связи и энергии возбуждения электрона атома водорода и первого электрона атома гелия

Почти одинаковые энергии связи у обоих электронов и удвоенная величина энергии возбуждения у электрона атома гелия наводят на мысль о том, что энергия атома гелия принадлежит двум электронам этого атома. Тогда оба они, взаимодействуя каждый со своим протоном, должны иметь одинаковые энергии связи .

Поскольку экспериментальная величина магнитного момента атома гелия равна нулю, то это возможно при структуре ядра, показанной на рис. 4.

Рис. 4. Модели: а) ядра; b) и с) атома гелия без магнитного момента

Как видно (рис. 4), шестиполюсные магнитные поля нейтрона и двухполюсные - протона создают условия, при которых оба протона могут иметь одноименные свободные магнитные полюса. В результате одноименные полюса будут иметь и электроны, что создаёт условия для отсутствия магнитного момента у атома гелия.

Таким образом, факт взаимодействия первого электрона атома гелия осью вращения с его ядром следует из закона спектроскопии и подтверждается величиной энергии (3,37 eV) связи его с ядром в момент пребывания на втором энергетическом уровне. Эта энергия по величине близка к энергии (3,40 eV) связи электрона атома водорода с ядром, состоящим только из одного протона, в момент его пребывания также на втором энергетическом уровне (табл. 4).

Почти одинаковые энергии связи электрона атома водорода и первого электрона атома гелия с их ядрами и почти двукратное различие в энергиях возбуждения (табл. 4) дают основание полагать, что энергии возбуждения первого электрона атома гелия соответствуют фотонам, которые поглощаются не одним, а двумя электронами сразу. В этом случае оба электрона атома гелия будут иметь одинаковые энергии связи со своими протонами в ядре: 3,37 eV, 1,50 eV, 0,84 eV и т. д. Из этого следует, что энергии поглощаемых фотонов распределяются между двумя электронами и оба они одновременно переходят на другие энергетические уровни. Это продолжается до тех пор, пока один из электронов не потеряет связь с ядром. Происходит это при энергии ионизации, равной . Как только электрон остаётся один, он начинает взаимодействовать с двумя протонами ядра и его энергия связи, соответствующая первому энергетическому уровню, становится равной его энергии ионизации . Оставшись в атоме один, второй электрон начинает формировать свой спектр (табл. 5).

Чтобы оценить возможность поглощения одного фотона обоими электронами атома гелия, вычислим величину длины волны фотона, соответствующего энергии ионизации первого электрона атома гелия

Это - фотон ультрафиолетового диапазона. Его радиус почти на два порядка больше размера атома гелия, что и определяет возможность формирования таких условий, когда оси вращения атома и фотона совпадают, а сам атом оказывается фактически внутри фотона.

Чувствуется необходимость в пояснении содержания понятия "ось взаимодействия". Это воображаемая линия, проходящая через центры масс, а значит и через центры магнитных полюсов электрона и протона. Она же соединяет их геометрические центры. Вдоль этой линии и действуют магнитные силы, которые обеспечивают взаимодействие этих частиц, а в совокупности с кулоновскими силами формируются условия для устойчивости такого образования.

Мы уже показали, что когда оба электрона в атоме, то их энергии связи с ядром одинаковые. Как только в атоме остаётся один электрон, то его энергии связи с ядром увеличиваются в раз. Из этого следует, что по мере удаления электрона от ядра атома, в момент, когда он находится там один, его энергии связи с ядром на более высоких энергетических уровнях должны соответствовать энергиям связи в момент, когда вместе с ним в атоме был и другой электрон. Чтобы убедиться, что это действительно так, представим энергии связи электрона атома водорода с протоном, соответствующие n-м энергетическим уровням, и энергии связи второго электрона атома гелия с его ядром в одной таблице 5.

Таблица 5. Энергии связи электрона атома водорода , первого и второго электронов атома гелия с ядрами

Как видно, электрон атома водорода и первый электрон атома гелия имеют практически одинаковые энергии связи с ядрами атомов на соответствующих энергетических уровнях. Энергия связи второго электрона атома гелия с его ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, в четыре раза больше соответствующей энергии связи атома водорода, поэтому все другие значения энергий связи этого электрона, равные соответствующим энергиям связи первого электрона атома гелия и электрона атома водорода, сдвинуты. Например, электрон атома водорода и первый электрон атома гелия имеют одинаковые энергии связи с ядром (0,85 eV), находясь на 4-м энергетическом уровне, а второй электрон атома гелия имеет такую же энергию связи, находясь на 8-м энергетическом уровне.

Обратим внимание на то, что в рамках приемлемой погрешности энергии связи обоих электронов атома гелия (табл. 5), соответствующие первому энергетическому уровню (), рассчитываются по формуле

где - энергия ионизации атома водорода; - номер электрона в атоме, соответствующий номеру потенциала его ионизации.

Тогда формула для расчета энергии связи любого электрона атома гелия, соответствующей любому энергетическому уровню, будет такой

Совпадение результатов расчетов по этой формуле с экспериментальными результатами, представленными в табл. 5, доказывает правильность такого подхода. При определении энергии связи второго электрона атома гелия с ядром, в момент его пребывания на третьем энергетическом уровне, формула (10) запишется так

Это полностью совпадает с данными табл. 5. Таким образом, в условиях, когда оба электрона находятся в атоме, и каждый из них взаимодействует со своим протоном в ядре, их энергии связи с ядром одинаковы. После удаления одного электрона из атома оставшийся электрон (второй электрон) начинает взаимодействовать не с одним, а с двумя протонами ядра.

Из изложенного следует, что если первый электрон атома гелия возвратится в атом, то энергия связи с ядром второго электрона уменьшится и станет равной энергии связи с этим же ядром первого электрона атома гелия.

Этот вывод имеет большое значение для химии. Оба электрона атома гелия имеют равную вероятность формирования связей с электронами других атомов, так как у них одинаковые энергии связи с ядром на всех энергетических уровнях.

Структура атома лития

Мы уже показали, что большинство ядер атомов лития имеют 4 нейтрона и три протона. Причем, все протоны имеют свободные магнитные полюса для соединения с магнитными полюсами электронов при образовании атома (рис. 5) [3].

Связь устанавливается путем взаимодействия разноименных электрических полей протонов и электронов, которые сближают их, и одноименных магнитных полюсов, которые ограничивают это сближение. Получается так, что каждый электрон взаимодействует только с одним протоном ядра атома (рис. 5).

Рис. 5. Схемы ядра и атома лития

Анализ схемы на рис. 5 показывает, что симметрично расположенные электроны будут иметь одинаковые энергии связи с ядром. На электрон, расположенный справа от ядра, будут действовать электростатические силы отталкивания двух других электронов, поэтому он будет расположен дальше от ядра и его энергия ионизации будет наименьшей. Этому электрону мы присваиваем первый номер и обратим внимание на то, что энергия ионизации его меньше соответствующей энергии ионизации атома водорода . Схема атома лития (рис. 5) позволяет понять причину такого различия. Как видно, два симметрично расположенных осевых электрона (2 и 3) своими электростатическими полями удаляют первый электрон от ядра, уменьшая его энергию связи с протоном, а значит и его энергию ионизации. Составим сводную таблицу энергий связи электронов атома лития с его ядром (табл. 6).

Анализируя таблицу 6, видим постепенное уменьшение разницы между энергиями связи электрона атома водорода и первого электрона атома лития по мере увеличения номера энергетического уровня объясняется уменьшением взаимного влияния всех трех электронов атома лития друг на друга. Начиная с 9-го энергетического уровня это влияние исчезает и энергии связи этих электронов со своими протонами оказываются одинаковыми.

Таблица 6. Энергии связи электрона атома водорода и первого, второго и третьего электронов атома лития с ядром

Нетрудно видеть, что если в атоме лития останется один (третий) электрон, то он начнет взаимодействовать сразу с тремя протонами и его энергия связи с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, определится по формуле (9).

что совпадает со значениями этой энергии в табл. 6 и подтверждает нашу гипотезу о том, что если в атоме остаётся один электрон, то он взаимодействует одновременно со всеми протонами ядра.

Рассчитаем по формуле (10) энергию связи третьего электрона атома лития с ядром в момент пребывания его на 5 энергетическом уровне

Как видно, это значение согласуется с аналогичной энергией связи третьего электрона атома лития с ядром в момент пребывания его на пятом энергетическом уровне (табл. 6). Поскольку атом лития с одним электроном - это водородоподобный атом, то для убедительности рассчитаем энергию связи второго электрона этого атома с ядром в момент его пребывания на седьмом энергетическом уровне.

Этот результат также согласуется с энергией связи второго электрона атома лития в момент пребывания его на седьмом энергетическом уровне (табл. 6). Если бы нам удалось измерить энергии связи с ядром двух остальных электронов атома лития, не удаляя из него первый электрон, то оказалось бы, что все три электрона имеют одинаковые энергии связи с ядром на соответствующих энергетических уровнях. Однако, постановка такого эксперимента вряд ли возможна на данном этапе научных исследований. Но гипотетическое объяснение этого явления мы уже привели.

Совпадение результатов расчетов по формуле (14) с экспериментальными результатами, представленными в табл. 6, доказывает жизнеспособность такого объяснения.

Нетрудно представить, что различные значения энергий связи разных электронов атома лития (табл. 6), соответствующие первому энергетическому уровню (), получаются потому, что после удаления из атома первого электрона освободившийся протон начинает взаимодействовать со вторым электроном, увеличивая его энергию связи до величины, близкой к энергии связи второго электрона атома гелия (табл. 5, 6).

После удаления из атома и второго электрона в ядре оказываются два свободных протона, которые немедленно начинают взаимодействовать с оставшимся третьим электроном, увеличивая его энергию связи с ядром в раз.

Если мы начнем последовательно возвращать все электроны в атом, то количество протонов, взаимодействовавших ранее с одним электроном, начнет уменьшаться. Уменьшится и энергия связи этого электрона до величины, примерно равной энергии связи с ядром электрона атома водорода.

Структура атома бериллия

Бериллий - четвертый элемент в таблице химических элементов. В его ядре четыре протона и пять нейтронов (рис. 6) [1].



Рис. 6. Модели ядра и атома бериллия: 1,2,3 и 4 - номера электронов [3]

То, что все ядра атомов бериллия имеют 4 протона и 5 нейтронов, можно считать удивительным фактом, который помогает нам разобраться с большим количеством неясностей, связанных со структурой самого ядра бериллия, со структурой его атома, со спектрами электронов этого атома и многими другими неясностями микромира. Из этой структуры следует, что у центрального нейтрона четыре магнитных полюса в одной плоскости. Как видно, пятый нейтрон необходим для соединения между собой остальных четырех нейтронов так, чтобы с каждым из них мог соединиться протон. Протоны и нейтроны соединяют магнитные силы, которые физики назвали ядерными силами.

Взаимодействие каждого электрона атома бериллия с одним протоном ядра формирует симметричную структуру. Если сравнивать её со структурой атома водорода (рис. 1), то можно прийти к мысли, что все четыре электрона атома бериллия имеют такие же энергии ионизации, как и электрон атома водорода. Однако эксперимент не подтверждает это. В связи с этим возникает вопрос: правильна ли существующая интерпретация результатов этого эксперимента? Попытаемся найти ответ на этот вопрос.

Если пронумеровать условно электроны атома бериллия так, как это показано на рис. 6, то экспериментальные значения энергий ионизации этих электронов окажутся такими: , , , . А энергии связи с ядром атома, соответствующие первым энергетическим уровням, будут равны: у первого электрона , у второго - , у третьего и у четвертого . Составим таблицу 7 энергий связи всех электронов атома бериллия.

Таблица 7. Энергии связи электрона атома водорода и 1-го - 4-го электронов атома бериллия с ядром

В качестве примера рассчитаем по формуле (13) энергии связи различных электронов этого атома, соответствующие различным энергетическим уровням. Энергия связи с ядром первого электрона атома бериллия оказывается равной аналогичной энергии связи электрона атома водорода с протоном в момент, когда и тот, и другой оказываются на 13 энергетическом уровне (табл. 7).

Объясняется это взаимным влиянием друг на друга всех четырех электронов атома бериллия.

Для 3-го энергетического уровня второго электрона . В табл. 7 эта энергия равна 6,25 eV. Для 15-го энергетического уровня второго электрона В табл. 7 эта энергия равна 0,25 eV. Третий электрон на 4 энергетическом уровне имеет энергию связи

Третий электрон на 12-м энергетическом уровне имеет Для 14-го уровня четвертого электрона имеем . Это полностью совпадает с табличным значением (табл. 7) этой величины (при продолжении таблицы). Четвертый электрон на втором уровне имеет (см. табл. 7).

Неплохая сходимость теоретических результатов, полученных различными способами, подтверждает правильность избранного нами пути анализа структур ядер химических элементов и структур их атомов.

Итак, с увеличением номера энергетического уровня взаимное влияние электронов атома бериллия ослабевает и значения энергий их связи с ядрами атома приближаются к соответствующим значениям энергий связи электрона атома водорода.

Начнем искать ответ на вопрос: почему энергии ионизации всех четырех электронов атома бериллия не равны энергии ионизации атома водорода? Анализ рисунков (рис. 1 и рис. 6) структур этих атомов показывает, что главное отличие условий взаимодействия электронов с ядрами этих двух атомов заключается в том, что в атоме водорода электрон один и ему некому мешать взаимодействовать с ядром. В атоме бериллия их четыре, поэтому они неизбежно взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие и определяет отличие их энергий ионизации от энергии ионизации атома водорода.

Прежде всего, электростатическое взаимодействие электронов атома бериллия друг с другом лишает их возможности приблизиться к ядру на такое же расстояние, на каком находится электрон атома водорода. Электростатические силы отталкивания, действующие между электронами атома бериллия, удерживают их на большем расстоянии от ядра, чем магнитные силы отталкивания, действующие между электроном и протоном в атоме водорода.

Настал момент обратить внимание ещё на один интересный факт. Энергия связи первого электрона атома бериллия , соответствующая его первому энергетическому уровню, больше энергии его ионизации . Почему?

Анализируя спектры атомов и ионов, мы показали, что значение первой энергии связи электрона с ядром может быть фиктивным. То есть само значение энергии существует, а электрон не имеет возможности занять в атоме положение, которое соответствует этой энергии связи с ядром. Не позволяют силы отталкивания, действующие между электронами. В результате первым рабочим энергетическим уровнем у электрона может оказаться второй или даже третий энергетический уровень. Поэтому есть основания полагать, что первым рабочим энергетическим уровнем первого электрона атома бериллия является второй уровень с энергией связи с ядром, равной (табл. 7).

Таким образом, меньшая энергия ионизации первого электрона атома бериллия по сравнению с энергией ионизации электрона атома водорода объясняется влиянием друг на друга всех четырех электронов этого атома.

Находясь на большем расстоянии от ядра, электроны атома бериллия имеют меньшие энергии связи с ним, что приводит к уменьшению энергии ионизации первого электрона этого атома. Она оказывается равной , в то время как у электрона атома водорода эта энергия равна . Это значит, что один протон ядра генерирует максимальную энергию связи, равную . Индивидуальная энергия связи, генерируемая четырьмя протонами, равна 13,60х4=54,40 eV.

Когда в атоме остаётся три электрона, то эта энергия распределяется между ними и индивидуальная её часть оказывается равной 54,40/3=18,13 eV. Эта величина близка к энергии ионизации второго электрона атома бериллия .

Теперь обратим внимание на величину энергии связи с ядром второго электрона атома бериллия , соответствующую его первому энергетическому уровню. Не забудем при этом, что эта энергия соответствует состоянию атома, когда там отсутствует один электрон. Мы уже предположили, что этот электрон взаимодействует с двумя протонами ядра. Для дополнительной проверки этого предположения умножим энергию ионизации атома водорода, которая, как мы знаем, равна энергии его связи с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню, на квадрат количества протонов, с которыми, как мы предполагаем, взаимодействует второй электрон атома бериллия. В результате получим . Эта величина близка к энергии связи второго электрона атома бериллия с ядром и доказывает факт его взаимодействия с двумя протонами ядра. Небольшое расхождение между величинами и указывает на факт взаимного влияния друг на друга всех трех электронов, находящихся в атоме бериллия в этот момент.

Далее, обратим внимание на некоторые особенности методов получения спектров атомов и ионов. Главная из них заключается в том, что для получения спектров атомов повышают температуру вещества, которому принадлежат эти атомы, до плазменного состояния. Первый потенциал ионизации означает уход из атома первого электрона, второй - второго, третий - третьего и т.д. Из этого следует, что когда из атома уходит один электрон, то протон в ядре атома, освободившийся в результате этого, начинает взаимодействовать с соседним электроном, увеличивая его энергию связи с ядром. Однако, как он делиться этой энергией с соседним электроном, мы не знаем.

Итак, в атоме бериллия остались два симметрично расположенных электрона - третий и четвертый. Вполне естественно, что энергии ионизации у них должны быть одинаковые. Эксперимент показывает, что они равны . Почему получается такое значение третьей энергии ионизации атома бериллия? Сложный вопрос.

Однако первая попытка найти ответ на него вынуждает нас сформулировать следующую гипотезу. Нейтроны в ядре не полностью экранируют электростатические поля протонов, и они взаимодействуют не только друг с другом, но и с электростатическими полями всех электронов. Сейчас мы получим доказательство справедливости такого утверждения.

Четвертый потенциал ионизации атома бериллия равен . Если мы возьмем энергию ионизации атома водорода , в ядре которого один протон, и умножим на квадрат количества протонов в ядре атома бериллия, то получим величину , близкую к энергии . Это указывает на то, что когда в атоме бериллия остаётся один электрон, то он взаимодействует сразу с четырьмя протонами. Доказательством этого является близость энергии связи с ядром четвертого электрона, соответствующей его первому энергетическому уровню и энергии ионизации . В этом случае другие электроны отсутствуют, поэтому мешать четвертому электрону некому, и он ведет себя так же, как и электрон атома водорода, будучи один в атоме. У него, как и у электрона атома водорода () энергия связи с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню, равна энергии ионизации . Это - веское доказательство взаимодействия четвертого электрона атома бериллия со всеми протонами ядра в момент, когда он остаётся один в атоме.

Аналогичная закономерность изменения энергии связи с ядром, соответствующей первому энергетическому уровню, прослеживается и у третьего электрона. Она равна . Умножая энергию связи с ядром электрона атома водорода, соответствующую первому энергетическому уровню 13,60eV, на квадрат количества протонов, с которыми, как мы предполагаем, взаимодействует третий электрон атома бериллия в момент, когда в атоме остаются два электрона, получим . Эта величина близка к энергии связи с ядром атома бериллия его третьего электрона в момент его пребывания на первом энергетическом уровне и доказывает факт взаимодействия этого электрона с тремя протонами, когда в атоме отсутствуют два электрона. Расхождения между величинами и объясняется взаимным влиянием друг на друга двух электронов, которые находятся в атоме в этот момент. Когда третий электрон будет удален из атома, то такое влияние исчезнет, и мы получим результат, совпадающий с теоретическим.

Таким образом, когда все электроны находятся в атоме бериллия, то, взаимодействуя друг с другом, они мешают экспериментаторам зафиксировать их истинные энергии связи с ядрами. По мере перехода на более высокие энергетические уровни они удаляются от ядра атома и друг от друга, и их взаимодействие ослабевает. В результате, как это видно в табл. 8, энергии связи с ядром на высоких энергетических уровнях у них принимают почти одинаковые значения. Из этого следует, что у нас есть основания представить табл. 7 в таком виде (табл. 8).

химический водород атом

Таблица 8. Энергии связи электрона атома водорода и электронов (1, 2, 3, 4) атома бериллия с ядром в момент, когда все они находятся в атоме

Данные табл. 8 показывают, что, начиная с 13 энергетического уровня, энергии связи всех электронов атома бериллия с ядром оказываются такими же, как и у электрона атома водорода. Это значит, что при удалении электронов от ядра атома их взаимное влияние друг на друга почти исчезает, и они начинают вести себя так же, как и электрон атома водорода.

Таким образом, когда все электроны любого атома находятся в атоме, то, взаимодействуя каждый со своим протоном в ядре, они формируют спектры, подобные спектру атома водорода. Но это невозможно доказать прямым экспериментом, а косвенное доказательство существует. Оно заключается в том, что зависимости излучения абсолютно черного тела не зависят от материала черного тела, то есть от атома химического элемента. Мы с этим познакомимся позже.

Структура существующего ядра атома бериллия, показанная на рис. 6, дает дополнительные доказательства соединения нейтронов и протонов посредством разноименных магнитных полюсов этих частиц. Эта же схема доказывает важность экранирующих функций нейтрона и сложность его магнитного поля.

Электроны атома бериллия не совершают орбитального движения в атоме. Каждый из них взаимодействует со своим протоном в ядре, прецессируя на нём в момент поглощения или излучения фотонов.

Структура атома бора

Атом бора - пятый элемент в таблице Менделеева. Большинство ядер этого атома имеет пять протонов и шесть нейтронов (рис. 7, b). Ядро атома бора имеет одну ось симметрии. Аналогичную структуру имеет и атом этого химического элемента (рис. 7). Пять протонов имеют свободные магнитные полюса, к которым присоединяются электроны.

Рис. 7. Ядро и атом бора

Ось первого электрона, проходящая через ядро атома, является единственной осью его симметрии. Дальше мы увидим, что более сложные атомы имеют несколько осей симметрии.

Структура атома углерода

Углерод считается основой жизни, так как формирует наибольшее количество связей с атомами других химических элементов (рис. 8). Посмотрим на причину такой его активности. Ядро атома углерода имеет две формы. Первая форма ядра, в которое входит шесть нейтронов, формирует атомы графита (рис. 8, а). Вторая, пространственная форма ядра может иметь семь или пять нейтронов. Она формирует ядра алмаза (рис. 8, b). Каждый протон имеет свободный магнитный полюс для соединения с электроном.

Все шесть протонов ядра атома углерода и все шесть его электронов имеют равные возможности вступать в связь с электронами других атомов и формировать сложные соединения. Атомы углерода с плоским ядром (рис. 8, а) формируют органические соединения, в которых все шесть электронов этого атома участвуют в формировании связей между атомами различных молекул.

Рис. 8. Плоская и пространственная структуры ядер и атомов углерода; XYZ - оси декартовой системы координат

Структура атома алмаза, которая формируется из пространственного ядра этого атома, имеет три оси симметрии (рис. 8). Это - оси декартовой системы координат. Структура пространственного ядра и атома углерода, и самого атома убедительно демонстрируют главное свойство алмаза - его прочность.

Экспериментаторы Research Almaden IBM представляли фото кластеров графена (рис. 9) с указанием масштаба увеличения. http://www.membrana.ru/particle/14065 [2], [4]



Рис. 9. Фото кластера графена

На рис. 9 указано, что расстояние между белыми пятнами - атомами углерода ( рис. 8) равно 0,14nm в молекуле углерода (рис. 10). Из новой русской теории микромира следует не орбитальное, а линейное взаимодействие электронов с протонами ядер атомов и фотографии команды из IBM Research Almaden убедительно доказывают достоверность линейного взаимодействия валентных электронов атомов углерода с их ядрами (рис. 8, 9 и 10).

Рис. 10. Модели молекулы углерода : а) теоретическая и b) визуализированная

химический водород атом

На рис. 10 - теоретическая молекула углерода, в которой видны структуры четырёх атомов углерода, начиная со структур их ядер, с чётким расположением в них протонов и нейтронов. Они, как и весь атом, также имеют шестигранную структуру, на поверхности которой расположены протоны, а с ними взаимодействуют линейно электроны. Так образуется шестилучевая плоская структура атома углерода , на поверхности которой шесть электронов, но лишь три из них выполняют валентные (соединительные) функции.

Рис. 11. Фотографические структуры молекулы и атома углерода

Линейное взаимодействие 3-х валентных электронов плоских атомов углерода однозначно следует из увеличенных фотографий шестигранной молекулы углерода и его атома углерода (рис. 11). Кластеры из разного количества плоских атомов углерода представлены на рис. 12. Каждый атом этого кластера электронный микроскоп «видит» в виде белого пятнышка (рис. 9 и 11, b).



Рис. 12. Кластеры и молекула из 4-х атомов и 10-ти атомов углерода, представленных на электронной фотографии (рис. 9) в виде белых пятнышек

Таким образом, новая теория микромира полностью объясняет экспериментальные достижения по фотографированию атомов и молекул [1], [3].

Структура атома и молекулы азота

Термин «азот» предложил Лавуазье. Он означает «безжизненный». Воздух содержит 75,6% азота по массе и около 23% кислорода. Но азот не поддерживает ни горение, ни дыхание. Молекулярный азот не соединяется с кислородом и это спасает всё живое Земли от формирования кислот в воздушной и водной средах.

Азот - седьмой элемент в периодической таблице химических элементов, расположенный в её пятой группе. Структура его ядра показана на рис. 13, а. Она близка по форме к структуре ядра атома углерода. Поскольку большинство ядер атомов азота имеют семь протонов и семь нейтронов, то это большинство имеет плоские ядра, показанные на рис. 13, а.



Рис. 13. Ядро, атом и молекула азота [3]

Схема атома азота, имеющего такое ядро, показана на рис. 13, b. Атом азота имеет лишь один активный (валентный) осевой электрон. Именно эта особенность создаёт условия для формирования молекулы из двух атомов со столь большой энергией связи, что химики придумали для неё название тройной связи. Нет, связь у молекулы азота одна, но с большой энергией связи. Жаль, что спектр атома азота смешан со спектром его молекулы. Приводимая в справочниках по спектроскопии энергия ионизации атома азота, равная 14,534 eV, скорее всего, является энергией диссоциации молекулы азота, а не энергией ионизации его атома. Это достаточно большая энергия связи.

А теперь представим процесс перехода шести кольцевых электронов атома азота на нижние энергетические уровни. Его особенность заключается в том, что эти электроны переходят на нижние энергетические уровни одновременно, излучая при этом фотоны, размеры которых на несколько порядков больше размера атома азота. Когда в этот процесс вовлекается вся совокупность атомов азота вещества, в которое он входит, и когда в него вовлекаются атомы углерода и кислорода, которые также имеют кольцевую совокупность электронов, то суммарное количество излученных фотонов сразу увеличивает объём, занимаемый ими в пространстве, что и формирует явление взрыва. Конечно, существующее представление о том, что взрыв - расширение газов - глубоко ошибочно. Давление формируют одновременно излучаемые фотоны благодаря тому, что их размеры на 5-7 порядков больше размеров атомов. Из этого сразу вытекают неизвестные специалистам требования к взрывчатым веществам и ракетному топливу и методы их реализации, но мы не будем развивать эту тему по известным причинам.

При анализе структуры молекулы воды мы увидим причину увеличения её размера при замерзании. В этом процессе также участвуют кольцевые электроны и фотоны, излучаемые и поглощаемые ими, и мы наглядно увидим, как они реализуют его.

Молекулу азота (рис. 13) формируют электронные связи осевых электронов 1 и 2 его атомов. Связь оказывается достаточно прочной. Все остальные 12 электронов находятся на одинаковых расстояниях от ядер своих атомов и поэтому не могут быть активными, когда азот - в молекулярном состоянии. Нет электронов слева и справа от кольцевых электронов атомов вдоль оси симметрии молекулы. Это - главная причина низкой химической активности молекулы азота.

Вся энергия связи распределяется вдоль оси симметрии молекулы лишь между двумя электронами 1 и 2 (рис. 13), поэтому она названа химиками тройной связью. Теперь придётся отказываться от противоречивых представлений о молекулярных связях и привыкать к тому, что одна электрон - электронная связь в различных молекулах имеет разную величину энергии связи, которая и определяет активность молекулы при формировании различных соединений.

Структура атома и молекулы кислорода

Атом кислорода - восьмой элемент периодической таблицы химических элементов, расположенный в её шестой группе. На рис. 14, b представлена схема атома кислорода, следующая из структуры его ядра (рис. 14, а). Атом кислорода значительно активнее атома азота, так как у него два осевых активных электрона 1 и 2 (рис. 14, b). Это обусловлено тем, что шесть кольцевых электронов, расположенных в плоскости, перпендикулярной осевой линии, своим суммарным электрическим полем удаляют электроны 1 и 2 от ядра на большее расстояние, формируя условия для большей их активности при взаимодействии с электронами соседних атомов.

Структура молекулы кислорода показана на рис. 14, с, она образуется путем соединения разноименных магнитных полюсов осевых электронов двух атомов кислорода.

Молекула кислорода, в отличие от молекулы азота, имеет значительную химическую активность, которая обеспечивается осевыми электронами 1 и 2, наиболее удаленными от ядер атомов.

Структура молекулы аммиака

Аммиак - бесцветный газ с резким запахом. На рис. 15 видно, что один атом водорода (электрон и протон ) своим электроном вступает в связь с осевым электроном атома азота. Два других атома водорода соединяются своими электронами с двумя электронами атома азота, расположенными в его кольце.



Рис. 15. Схема молекулы аммиака: N - ядро атома азота; 1,2,3,4,5,6 и 7 - электроны атома азота; e1, e2 и e3 - электроны трех атомов водорода; P1,P2, P3 -протоны атомов водорода

Нам представляется, что изложенная методика формирования структур атомов и молекул достаточна для того, чтобы построить модели других атомов и молекул.

Структура молекулы воды и её ионов

Вода - наиболее распространенное химическое соединение. Разнообразие свойств, которые может проявлять вода, скрыты в различиях структуры молекулы воды. Полученная нами информация позволяет приступить к раскрытию и анализу структурных особенностей молекулы воды.

Мы уже отметили, что связи между атомами в молекуле формируют поверхностные электроны, которые мы называем еще и валентными. Валентные электроны атомов, образующих молекулу, могут вступать в связь друг с другом или с протонами ядер, если ячейка ядра, где расположен протон, оказывается свободной. Это свойственно атому водорода.

Часть модели молекулы воды изображаются так, что угол между атомами водорода составляет 105. Если считать, что он соответствует реальности, то с учетом модели ядра атома кислорода (рис. 14, а), модель молекулы воды будет такой, как показано на рис. 16. Эта модель дает основание считать, что электростатические силы отталкивания, действующие между первым (e1, P1) и вторым (e2, P2) атомами водорода, формируют угол 105. Он образуется, видимо, у кластеров молекул воды, когда она замерзает и превращается в лёд.

На рис. 16, c показана структура молекулы воды, следующая из структур ядер атомов кислорода и водорода. Два электрона атома кислорода расположены на оси атома, а шесть остальных - по кругу, перпендикулярному оси. Можно предположить, что суммарное электростатическое поле шести электронов, расположенных по кругу (назовем их кольцевыми электронами), удаляет первый и второй осевые электроны на большее расстояние от ядра атома, чем то расстояние от ядра атома, на котором распложены кольцевые электроны. Поэтому осевые электроны атома кислорода являются его главными валентными электронами. Именно к этим электронам и присоединяются электроны атомов водорода и образуется молекула воды (рис. 16).

Рис. 16. Структура молекулы воды: а) и b) с углом 105между атомами водорода и с) линейная структура

Обратим внимание на то, что осевые протоны ядра атома кислорода (рис. 16, c) отделены друг от друга кольцевыми и осевыми нейтронами. Поэтому при удалении из атома кислорода одного осевого электрона освободившиеся силовые линии магнитного поля осевого протона перераспределяются в цепочке протон - нейтрон-нейтрон - протон так, что напряженность магнитного поля свободного осевого протона ослабнет, а напряженность магнитного поля второго осевого протона, взаимодействующего со вторым электроном, усилится, и энергия его ионизации увеличится до .

Описанное явление присуще, по-видимому, всем ядрам. Этот процесс назван процессом насыщения. Иначе нарушается равенство между электростатическими силами, сближающими электроны с протонами, и магнитными силами, ограничивающими это сближение в случаях, когда часть электронов покидает атом.

Структура атома водорода (рис. 1) показывает, что если этот атом соединится с первым осевым электроном атома кислорода своим единственным электроном, то протон окажется на поверхности молекулы и образует зону с положительным зарядом, который будет генерироваться протоном атома водорода. Аналогичную зону сформирует и протон второго атома водорода, который соединяется со вторым осевым электроном атома кислорода (рис. 16, c). Отрицательно заряженную зону сформируют электроны атома кислорода, расположенные по кольцу вокруг оси атома кислорода.

Поскольку при охлаждении электроны излучают фотоны и приближаются к ядру атома, то шесть кольцевых электронов атома кислорода в молекуле воды (рис. 16, c), приближаясь к ядру атома, своим статическим полем удаляют осевые электроны от ядра. В этом случае расстояние между атомами водорода, расположенными на оси молекулы воды, увеличивается. За счет этого увеличивается длина связи с соседними молекулами воды при её замерзании. С учетом этого мы отдаем предпочтение модели молекулы воды, показанной на рис. 16, c, и в дальнейшем будем использовать только эту модель. Анализ изменения свойств воды с использованием модели, показанной на рис. 16, a и b, оставляем другим исследователям.

Обратим внимание на то, что кластеры воды формируются, прежде всего, протон - протонными связями, когда две её молекулы соединяются соосно. Если учесть, что размер протона на три порядка меньше размера электрона, то протон - протонная связь легче разрушается при механическом воздействии на такой кластер. Второй вариант образования кластера - соединение осевого протона с кольцевым электроном. Это - протон - электронная связь. Её прочность тоже меньше прочности электрон - электронной связи, которую имеют молекулы азота и кислорода. Эти факты и проясняют текучесть воды.

...