Основы физики и астрофизики

Основы физики и астрофизики
Седнев Ю.В.* usednev@yandex.ru
1. Периодическая система комбинаций частиц как эмпирическая основа физики и химии
2. Физика и причины периодичности (законы уровней элементов, частиц и ядер)
3. Законы энергий ионизации, связи и реакций различных уровней
4. Принципы катализа и строения систем
Периодическая система элементов с “характерными соединениями групп” Менделеева представляет вид и
начало общей Периодической системы комбинаций частиц (р, п, е), элементов, их соединений и реакций,
энергетического и материального обмена, катализа и регуляции, теории и практики будущего.
Конкретная форма ПС элементов, соединений и реакций связана с физикой и геометрией в R3, видом
“конфигураций” электронов и протонов с общими законами. Отличия и законы химии и физики частиц и
ядер связаны со знаком притяжения и отталкивания их электронов и протонов, энергии ~Z/r. Они
определяют выгоду l=0 в химии и l≠0 в ядрах, периодичности и оболочек их, АО, МО и ЯО, где те же s2p6элементы заполняются в 2Не и 8О, без 1-2s2-перехода. Эмпирическую базу теории дает анализ атомных масс
А элементов ПС, определяющий оболочки, энергии и реакции ядер, а анализ Т- времени жизни изотопов
определяет кинетику, скорости реакций, их законы и квантование типа αn.
Выгода l=0 с s-проникновением к ядру (~Z, n) обуславливает законы энергий ионизации (ZN-I), формы ПС
и химии, изменения по вертикали и горизонтали системы. Рост и падение энергии ионизации Ei и
диссоциации-связи Ed в s2p3-4-состояниях обуславливает максимум энергии связи С-Н и С-С - органических
соединений, уменьшение энергии связи или рост энергии окисления по мере оттягивания электронов у
углерода (противоположно N, O), как главный закон неорганической, органической и биологической химии.
Это дает метод объяснения и расчетов, энергии различных соединений и реакций, как комбинаций и
разностей этих s2pk-состояний, их активации и катализа и открывает путь “новой химии”, электронной
теории и связи естествознания от физики до биологии.
Законы энергии ионизации атомов оказываются определяющими для ионизации в других
условиях сред, помимо химических соединений, графика Е(ЭН), включая уравнения Саха и строение звезд,
энергии или работы выхода и ширину зоны, электрохимические потенциалы и др.
Законы химии могут быть законами сопряжения, компенсации этих формальных степеней
окисления, отвечающих ионизации лишь при большой энергии, в звездах, законами уменьшения энергии до
обычной, тепловой кТ. Менделеев по существу наметил продолжение своей ПСхэ в разных направлениях,
переходя от постоянной валентности Кекуле к переменной, «квантовой» В=1-8: 1- соединений от гидридов
RН8-n до высших оксидов R2On и их кислот Н8-nRO4, развиваемых в нашей системе степеней окисления от 8n до n и радикалов неорганических и органических С m - 2- начиная с ряда С2Н6 - С2Г6 ↔
С2(ОН)6↔(СООН)2+2Н2О, конденсации 3- де-гидратации и “добавочных валентностей” для перехода от
обычных соединений к “молекулярным”, комплексным 4- изоморфизма, включая “диагональное сходство”,
гомо- и гетеро-валентное замещение, сейчас объясняемое отношением Z/r, изменяемым в группах и
периодах, и др. В группах Менделеева “элемент R образует водородное соединение RHn,
гидрат его высшего оксида будет RHnО4, следовательно, высший оксид содержит
2RHnО4-Н2О=R2Оn”. Мы включим эти и другие промежуточные степени окисления
(например, RHnO0-4: RHn- RHnO- RHnO2- RHnO3- RHnO4) в общую периодическую систему
соединений по степеням окисления их элементов (от низшей к высшей или наоборот).
Электронная теория заменила изменение атомных весов “без точной гомологической
разности” Менделеева (3, Анализ А), точным изменением числа электронов n, с
заполнением октетов в ряду как периодов, так и гомологов (4-6).2 На примере высшей
степени окисления показывается разделение соединений далее, по заряду и степени
гидратации, далее требующее трехмерной системы:
Т.1. Связь периодической системы элементов и соединений.
Система химии (общей, неорганической и органической)
Период 0
n 1-2 (He)
3-7
Заряд
реальный
формаль-3
ный -2
(степени
-1
окисления
0
углерода
группы:
1:ns2
2 : ns2
3: ns2p
4s2p2-sp3
5 ..ns2p3
6 ..ns2p4
7 ..ns2p5
8 ..ns2p6
1H 3 Li 4 Be
5B
6C
7N
8O
9F
10 Ne
Ряды
Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева число еNH4+ RH3
H3O+ H2R
RH4
НR 8
R ns2p6
характерные соед-я: водородные
(изоэлектронные инертным)
ВH4-
Алканы
CH3-...-4
-3:R2H6
–2 RH3X
NH2-...-3
-2: RnH2n
-1 RH2X
ОН- O-2 -2
-1:H2R2
0:Rn: O2 S
алкены
спирты
-3
алкины
-2
-1: RnHn
0:RnN2,P4
+1:S2X2
-1
0:RH2X2
(CH2O)n
+1:R2O
H3PO2
+2 SX2
альдегиды
углеводы
кислоты
RH3
Г- -1
0: R Г2 7
+1: НГО
0 Еионизац
1
s2p5
6
s2p4
2: RO
3: R2O3
s2p3
+3: НГО2
4: RO2
4
s2p2
3
+2
RO
5
2
1
+1
(средние)
+2
+3
Общее +4
1-3
0
-1
гидроксиамино-
0
+2: RO
+3:
+4: RО2
+2: RHX3 CO
+3:HRO2
H3RO3
+4:
RO2
H2SO3
+5: НГО3
+4 RO2
+5:
5
s2p1
оксокислоты
многоосн.
0
+1:RnXn
+1
(HCN)n
+1
+2
+3
комбинации блоков- биоструктурная химия
4:CO2 SiX4
+5: PF5
+6: SF6
6: RO3
s2
+6:
+7: ClF7
7
8
s
R+8
Продолжение на КОР и строение ионных соединений (для высшей степени окисления, Э +n, третьего периода)
Силоксаны, силиконы, смолы (RSiOn)m
(RРOn)m
RкSOn
0-3м
ClO2X3
3м Силикаты
Шпаты
А1О2- SiO2Н4SiO4 PO2X ,NO2+ SO2X2
2м Слои
Глины
А1SiO53- Si2O52RSO3P2O5
цепи,цикл МетаРазмер- Пиро-4 Заряд ность =0 Орто-2
1м
-3
0м
AlO33- SiO32AlSiO77- Si2O76AlO45- SiO44-
PO3ATP P2O74-
PO43-
SO3
S2O72SO42-
ClO3+
Cl2O7
ClO4-
1
s0
7-5
4
3
2
1
RO4 0
Каждая клетка и степень окисления включают различные комбинации элемента со
всеми элементами других групп (как и комбинации комбинаций, определяющие
различные квантовые изменения и измерения), соединения R2, С2-n - естественный
принцип систематизации органических соединений, ранее эмпирический (1,2), ряды
гомологов, с С2Н6 (Т.3). Т.о. органическая химия неожиданно смыкается с неорганической,
физикой и биохимией, бывшей ее началом и границей. Число клеток или различие
степеней окисления определяет число необходимых ред-окс-эквивалентов для переходов
и пути их, как с НАДН и лактатом для анаэробного окисления в биохимии. Таблица на
основе общей формальной степени окисления (согласно электроотрицательности Ме,Э<C<X)
определяет три перекрывающиеся части 1 – систему металло- и элементоорганических
соединений в левой части (от –4) 2- систему органических соединений с С-С-связями без гетероэфирных (С-Х-С) связей, и 3- систему гетеросоединений справа (до +4), включая
метаболические пути
*Таблица 3. Периодическая система органических соединений и метаболизм
(до
С10 без 2n клеток металлорганических и более окисленных гетероциклических
соединений, сокращенно)
2. Физическая основа и обобщения Периодической системы. Анализ А, ядра и
частицы.
2.1.Физика привела к понятию прежде неделимых атомов и химических элементов как
комбинаций трех целых чисел - ЭЧ (р+, е-, п), квантов и КЧ, порядкового номера элемента
как числа протонов или заряда ядра, относительной атомной массы как суммы числа
протонов и нейтронов (а.е.м.) и заряда иона или степени окисления как разности числа
протонов и электронов (р-е). Отношение заряда к массе далее определяет и большие
частицы, масс-спектрометрию и др. Можно показать числа р, е, п как три измерения и
место и связь понятий элементов – атомов нейтральных, ионов и изотопов, различаемых
числом их (удобнее отразить хр, (у+х)=А или (у-х) п, (з-х)е как №, массу и заряд нуклида
и иона):
Отразим ниже только ионы или степени окисления, встречающиеся в химических соединениях. Они
отличаются и отличают химию энергией (ионизации) меньшей, чем другие, физического уровня.
+6
+8
+5
N+5
+4
C+4 N+4
+3
B+3 C+3 N+3
+2 y-число р-е Be+2 B+2 C+2 N+2 O+2
+1 Н1+ Не3 Li+ Be+ B+ C+ N+ O+
0 1Н2 2Не4 3Li6 4Be* 5B10 6C12 7N14 8O16 9F0*10Ne20 11
-1 Н-Н3число рLi7 Be9B- 11C-13N-15O-17F- 19 Ne21
-2
B -2 C-2 N-2 O-2 O18 \\ Ne22
-3
z-число n-p
B-3 C-3 N-3
-4
C-4
*- нн-изотопы после азота неустойчивы, как показано далее
Большие степени окисления и ионизации, очевидно, не могут компенсироваться энергией химических
связей и встречаются только в особых условиях (электрических разрядов, плазмы, звезд, ниже). Эта
компенсация и представляет собой природу и отличие химии и продолжается в сопряжении реакций и
катализе (ч.4).
Состав же химических соединений отражается правилом составления формул по степени окисления или валентности.
Они определяются фундаментальным числом z=в=(р-е) и общей формулой ЭZ’Э’Z или АаВв, где а=Zв=(р-е)В, а в=Zа=(ре)А, выявляя роль ZаZв=Er. Это определяет и уравнения реакций общего вида АаВв=аА+вВ, и все типы бинарных
соединений, из которых главные, наиболее устойивые и многочисленные имеют формулу Э №Э№-8, включая Э№2О-2№,
Э2Хn, ЭГn, где №- номер группы Э.
Эти же валентные электроны и оболочки в известны в физике как оптические,
определяющие цвет и обычные свойства. Нетрудно заметить, что, например,
определяющие фотоэффект и обратное излучение энергии зон, работы выхода
пропорциональны энергии ионизации, как и напряжения металлов и ред-окс-потенциалы в
растворах, с учетом отличий от атомов в решетке и растворах. Квантовая механика,
спектры и формулы их серий показывают пути дальнейших комбинаций – когда каждой
ZNI (pne) отвечает своя Ei, той – разные серии Eim (m=1 – Лаймана, 2- Бальмера…) с
множеством переходов Emn.
Вопреки распространенному мнению, не выяснив причин этих чисел и 8-9 групп
Периодической системы элементов Менделеева, “завершенности” оболочек s2p6инертных газов, определяющих абсолютное большинство соединений, т.е. почти всю
химию, ИЮПАК в 1989 г. вообще “отменил” ее, рекомендуя только длинную (spd-18групповую, в результате чего на Западе в школе уже не учат, что С, N и P, S и галогены
стоят в 4, 5, 6 и 7 группах!) (15). Она анализировалась Менделеевым, более произвольна, выделяя
вместо s2p6 групп промежуточные s2p6d10, но не полные s2p6d10f14- 32-элементных периодов, не объясняя,
какой смысл в том, что “фосфор – элемент 15 группы” (15), а не 5-й, а С, N, О - 14-16. Смысл же номера
группы Менделеева хорошо известен, связан с числом электронов внешей оболочки и валентностью в
соединениях, основой химии. Сравнения орбиталей и оболочек атомов и ядер (АО и ЯО),
последовательности заполнения их 1spd, роли l и повторения ns-групп, атомных весов (А)
показывает разные числа и группы. Первые квантовые числа 2, 8 – 1sp3 уравнения
Шредингера для ядер в R3. ЯО заполняются парами фермионов, протонов и нейтронов,
поэтому паре электронов Не, s2 и химической связи здесь отвечает -частица и
спаривание (с J=0 чч), а октету и sp3-тетраэдру дважды магическое ядро 8О16 (по Полингу,
может, заполняя тетраэдры Сn до С4=12 плотнейшей упаковки) (7).
Очевидно, что атомы отличаются из-за связи s с ядром, невозможной при l>0,
обуславливая выгоду, меньшую энергию ns, в ядрах же заполняется “дырка” r->0 только
1s, выгоднее рост l, очевидно, из-за отталкивания протонов. Оно же может объяснить
распространенность химических элементов на Земле с р6-периодичностью или законом
sp3n, с максимумом распространенности Z=2+6n от 8O-14Si-20Ca-26Fe до 92U (с минимумом
n=5 подобно А, “барьеру 5”). 95% земной коры составляют αCn (84%) и tCn. αC1-312 модель наиболее
распространенных элементов до 20Ca40 сменяется C4-513 моделью (2452-3065) с резким падением
распространенности далее со сменой модели на C6-814 (3684- 48112) и далее на Cn15-16 до n=6+9 (Т.4-5).
А=N+1
2.2. Магические числа и оболочки ядер можно вывести из одних атомных масс (А) Периодической
системы химических элементов Менделеева. Вместе с выводом электронных оболочек и сравнением их,
показывающим влияние ядер и причины, отличия химии (ч.3), аномалии Z/А (Ar-K, Co-Ni, Te-I), 43, 61, 8489. Из графика отличий А от целого
6
Разности масс А нечетных и четных элементов
(рис.1-2) определяются и энергии связи,
21Sc 29Cu
52Te
62Sm
5
доли изотопов, оболочки - магические
18Ar
48Cd
числа и условия синтеза и распада, эти
34Se
50Sn 56Ba
70
76Os 81Tl
4
аномалии. Анализ изотопов упускал
17Cl
60
74W 78 82Pb
Li 9F 13
23 25 27Co
42 44Ru 51Sb
простые законы А, не решая вопросы их
3 t23
38Sr
49
67
73 75
распространенности.
Рост
O
Au
дроб н
дроб ч
раз.Ан
раз.Ачет
2
d
5 8
30
40
43
71
79
A/Z=N/Z+1=2+(N-Z)/Z≈2+0.015A2/3 c 1
[43]
[61]
35
1 p
у Н и 2 He-Ca (Z≈N) до
238/92=1+146/92≈2.587 (<3 t) у
0
2 8
N=50
50p 53I 82n
82p
90
19K20n p28Ni
урана
(Рис.1)
cвязан
с
-1
кулоновским отталкиванием Z
протонов, изменением энергии и
2
6
3+1+1
j
последовательности (pn) ->(np) ->(n2p2)
->(p2n4-6) согласно «линии стабильности»
А/Z=2+0.015A2/3. Отклонения т.н. магических чисел отражает изменение отношения А/Z или
разности А соседних элементов (Рис.1-2), сохранение несмотря на рост Z, c ΔA/ΔZ->1 <2,
AZ+1≈AZ+1 с p-процессом (или даже в аномалиях Менделеева АZ+1<AZ, как у 19 K и 28 Ni).
Разности масс А 1.3-2.3-1.7 (87.6-88.9-91.2-92.9) у 38-41 элемента показывают сохранение
N=50, 1.6-1.2-0.8 (А=137.3-138.9-140.1-140.9) у 56Ва-59 - 82, А 207-208 82Pb – 209 Bi - 126.
Они, как и Z=50, 82, распространенны гораздо больше соседних, относятся к магическим,
объясняемым оболочками, определяющим и другие свойства и аномалии (Т.6).
6C
12
16 20
37 39
47
55 57
63 65 69
линия
стабильн
ости
А=N+1
Аналогично заполнению
электронных
оболочек
0,98
элементы делятся т.о. на
0,97
стремящиеся заполнить их,
0,96
быстро – за счет роста числа
0,95
нейтронов и потому А/Z=1+N/Z
0,94
и
стремящиеся
уменьшить
0,93
число
их
и
А/Z,
возвращаемое
0,92
далее снова. Это и определяет
0,91
закон изменения атомных масс
0,9
3 9 15 21 27 3335 3941 45 53 – 59 65-69 73 79 83
и разделение всех элементов (по
оболочкам)
аналогично
неметаллам и металлам (указаны МЧ (N)+∆A/Z): (pt)10, точнее (pt)2d2td(tp)6=20Сa40 (МЧ=20)
1
0,99
t3n2=23V51 (МЧ 28) +p2d3=28Ni59+dt9 = 38Sr88 (МЧ 50)+pα =41Nb93+t15 =56Ba138 (МЧ 82) +p3α=61[Pm]145+t21 = 82Pb208
(МЧ 126) p3+…Отсюда видно, что “аналоги металлов” имеют N=МЧ-(МЧ+2), а “неметаллов” гораздо
больше. Эта периодичность четче видна на графике энергии отрыва нейтрона от ядер, аналогичной обычной
периодичности энергии ионизации, определяющей ПС и элементов и соединений, как мы показываем ниже
(рис.3-5). Поэтому следование МЧ аналогично выводу всей химии в ч.3.
Следующие оболочки могут включать предыдущие, определяющие свойства всех последующих.
Как у атомов заполнение s2 отвечает и АО и МО, проявляется в понятии химической связи посредством
пары электронов и неустойчивости неспаренных частиц, так и в ядрах спаривание нуклонов определяет
устойчивость и компенсацию моментов с J=0 у чч.
+