ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ, ИОНОВ И КЛАСТЕРОВ Мыльников В.В. Анонс.

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛЕЙ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ, ИОНОВ И КЛАСТЕРОВ
Мыльников В.В.
[email protected]
Анонс. Анализ структур ядер атомов, а также самих атомов, молекул, ионов и кластеров,
следующих из учебника «Физхимия микромира»
http://www.micro-world.su/index.php/2012-03-08-17-51-29/566-2012-03-09-07-11-46
показывает, что они наилучшим образом отражают всю совокупность информации, следующей из результатов многочисленных экспериментальных исследований. Поэтому пришло
время построить их модели в 3D виде, формирующем максимально реальные представления
о микромире на данном этапе развития человеческого знания.
Для решения этой задачи модели 3D атомов, молекул и кластеров должны выполнять
все присущие этим химическим образованиям главные перемещения в пространстве: поступательное движение, вращение вокруг оси, а также испускание и поглощение фотонов. Для
этого нам потребуются следующие составляющие микромира: электроны, протоны, нейтроны, фотоны, а также энергетические и магнитные поля, между этими элементами. Построение моделей атомов, молекул, ионов и кластеров выполним с помощью программных
средств Blender-3D, 3DsMAX. Далее определим необходимые нам структуры с их названиями, принятыми в научном мире…
Электрон представляем в виде зеленого тора с электрическим полем на поверхности
тора и магнитным полем с магнитными полюсами, распложенными на концах центральной
оси его вращения (Рис.1а). Электрон совершает поступательные движения, приближаясь и
отдаляясь от протона, вращается относительно двух осей: центральной оси тора и кольцевой
оси тора.
Фотон – образование в виде шестигранного кольца, которое мы в ряде случаев заменяем простым кольцом (Рис.1б).
Зеленый электромагнитный конус – содержит на поверхности электрическое поле, а
вдоль оси – магнитное с двумя магнитными полюсами: северным и южным (Рис.1в). Электромагнитный конус, имитирует взаимодействие электрона с протоном.
Рис. 1а. Электрон
Рис. 1б. Фотон
Рис. 1в. Электромагнитный конус
Электромагнитный цилиндр (Рис.1г), имитирующий взаимодействие электрона с
электроном будет изображен красным цветом.
На Рис.1д. электромагнитные цилиндры, имитирующие взаимодействие электрона с
электроном и протона с протоном (желтый цилиндр).
Электромагнитное взаимодействие, имитирующее взаимодействие протона с электроном выполним красным конусом (Рис. 1е).
2
Рис. 1г. Электромагнитная
связь между электронами
Рис. 1д. Электромагнитные
связи между электронами и
протонами
Рис. 1е. Электромагнитная
связь электрон - протон
Торообразные электроны взаимодействуют с протонами ядер линейно так, что их
сближают разноимённые электрические заряды, а ограничивают сближение одноимённые
магнитные полюса. Светлые шарики в ядрах атомов – протоны, синие – нейтроны.
Получается, что для построения всех атомов и молекул химических элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева можно обойтись, используя восемь представленных
нами, 3D деталей. Электромагнитное поле электрон - электрон будем имитировать прозрачным красным цилиндром. Других достоверных сведений о частях микромира у нас пока
нет. Покажем, как будут выглядеть атомы водорода и его молекулы. На рис. 2б – 2ж показаны модели атомов и молекул водорода во время испускания электронами фотонов.
Рис.2а. Атом водорода
Рис.2г. Атом трития
Рис.2б. Атом водорода
Рис.2д. Молекула
ортоводорода -1
Рис.2в. Атом дейтерия
Рис.2е. Молекула
ортоводорода-2
3
Рис. 2ж. Молекула пароводорода
Рис. 2з. Атом гелия
Аналогично атому водорода строим последовательно атомы: лития, бериллия, бора и
его молекулу.
Гелий — практически инертный химический элемент. Возглавляет группу инертных
газов в периодической таблице. Нетоксичен, не имеет цвета, запаха и вкуса. Гелий добывается из природного газа процессом низкотемпературного разделения - так называемой фракционной перегонкой. На Рис. 3а показан второй возможный вариант компоновки ядра гелия
Рис. 3а. Атом гелия
Рис. 3б. Атом лития
Рис. 3в. Атом бериллия
Известно, что бор, или бура достаточно инертный химический элемент и это следует из
структуры его молекулы, которая образуется соединением осевых электронов. В результате
получается симметричная структура без внешних осевых электронов, которые выполняют
основные валентные функции. Ядра, бора и алмаза идентичны. Смотрим справочную литературу и выясняем, что бор – второй по прочности элемент после алмаза.
После построения 3D моделей атома бора, молекулы бора, атома алмаза, углерода,
молекулы углерода, кластера углерода, мы можем увидеть эти модели на рис. 4а-4е.
4
Рис.4а. Атом бора
Рис.4б. Молекула бора
Рис.4г. Атом углерода
Рис.4д. Молекула углерода
Рис.4в. Атом алмаза
Рис.4е. Кластер графена
Плоские атомы углерода (Рис. 4г) образуют огромное количество соединений химических элементов, изучаемых органической химией. Пространственный атом углерода - алмаз значительно инертнее его плоского собрата. Интересен и тот факт, что углерод является
основным кирпичиком мироздания, все последующие атомы имеют в основании своих ядер
шесть кольцевых протонов (азот, кислород и далее).
Заслуживает внимания бензол С6Н6. Он отличается от графена шестью дополнительными атомами водорода. На фото, выполненном в Цюрихе фирмой IBM можно различить структуру бензола, которая подтверждает отсутствие орбитального движения электронов в нем. Отметим, что на рисунке после компьютера, явно вырисовываются атомы водорода (с верху, снизу, с боков углеродных колец). Их расположение похоже на валентную связь
с углеродом, структуру которой трудно установить точно. Она может быть в виде электрон
– электрон или протон – электронной связи. Пока будем представлять молекулы бензола с
электрон - электронными и электрон - протонными связями, как и показано на нижних рисунках 5а, 5б. Ниже показаны теоретические 3D модели молекул бензола с электронномагнитными связями электрон – электрон (Рис. 6а) и связями электрон – протон, (Рис. 6б).
5
Рис. 5а. Кластер бензола (фото)
Рис. 6а. Молекула бензола
Рис. 5б. Кластер бензола после компьютера
Рис. 6б. Молекула бензола, вар. 2
Азот (в переводе с древнегреческого безжизненный). Атмосфера Земли содержит 78%
азота. В атмосфере над каждым квадратным километром земной поверхности находится
столько азота, что из него можно получить до 50 млн. т. нитрата натрия или 10 млн. т. аммиака (соединение азота с водородом). Существование свободного азота свидетельствует о его
инертности и трудности взаимодействия с другими элементами при обычной температуре.
Молекула азота напоминает молекулу бора. Она также не имеет осевых электронов, реализующих главные валентные функции.
Форма молекулы азота подтверждает его инертность – вертикальные, валентные электроны атомов вступили в электромагнитную связь между собой других валентных электронов, кроме шести кольцевых, нет, поэтому азот инертен. В результате получается симметричная структура без внешних осевых электронов, которые выполняют основные валентные
функции. Можно возразить, что каждый из шести кольцевых электронов может вступить в
связь с другими элементами атомов, но суммарное, сбалансированное магнитное поле шести
электронов эти атомы отбросит.
6
Рис. 7а. Атом азота
Рис. 7б. Молекула азота
Ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. Это достаточно симметричное образование. Восемь электронов, взаимодействующих с протонами, не нарушают
устойчивость структуры атома, а наличие двух осевых электронов усиливает химическую
активность атомов кислорода. Так как молекула кислорода также имеет два осевых электрона, то её химическая активность аналогична химической активности атома.
Рис. 8а. Атом кислорода О
Рис. 8б. Молекула кислорода О2
Далее, смоделируем и рассмотрим соединение водорода и азота NH3 – аммиак.
На рис. 9а видно, что один атом водорода (электрон и протон, сверху) своим электроном
вступают в связь с осевым электроном атома азота. Два других атома водорода соединяются
своими электронами с двумя электронами атома азота, расположенными в его кольце.
7
Рис. 9а. Молекула аммиака, NH3
Рис. 9б. Кластер воды из трех молекул.
В линейном кластере воды (Рис. 9б.) из трех молекул преобладают электрон - электронные связи.
Окись углерода или угарный газ СО - продукт неполного сгорания углеродосодержащих веществ. Это ядовитый газ без цвета и запаха. Его ядовитые свойства обусловлены
несимметричностью молекулы СО и неравномерностью распределения энергий связи электронов с протонами ядер атомов.
Рис. 10а. Молекула СО
Рис. 10б. Молекула СО2
Углекислый газ или двуокись углерода СО2 (Рис. 10а) – бесцветное газообразное вещество в полтора раза тяжелее воздуха. Сжижается при комнатной температуре под давлением
69 атм., а при выпуске из баллона испаряется. СО2 не поддерживает ни горения, ни дыхания.
Причина этого – предельная симметричность молекулы (Рис.10б), выравнивающая энергии
связи электронов с протонами ядер и снижающая их химическую активность.
Связи между атомами в молекуле воды 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 0 . Если считать, что он соответствует реальности, то с учетом модели ядра
атома кислорода, модель молекулы воды будет такой, как показано на Рис. 11а. Эта модель
дает основание считать, что электростатические силы отталкивания, действующие между
атомами водорода, формируют угол 105 0 . Он образуется у кластеров молекул воды, когда
она замерзает и превращается в лёд.
8
Структура, перекиси водорода на Рис. 11б напоминает кластер воды (Рис. 13а), так как
концы оси молекулы завершаются протонами атомов водорода. Такая структура не может
быть активной, так как активность определяют электроны. Поэтому есть основания полагать,
что молекула перекиси водорода имеет структуру, показанную на Рис. 11b. У этой структуры
на концах оси электроны, так же как и у молекулы кислорода.
Рис. 11а. Кластер воды уголковой Н2О
Рис. 11б. Молекула перекиси водорода Н2О2
Гидроксо́ний (оксоний, гидроний) Н3О+ - комплексный ион, соединение протона с молекулой воды (Рис. 12а). Для измерения концентрации водородных ионов используется водородный электрод .
Гидрокси́ды (гидроо́киси) — соединения оксидов химических элементов с водой. Известны гидроксиды почти всех химических элементов; некоторые из них встречаются в природе в виде минералов (Рис. 12б).
Рис. 12а. Молекула гидроксония Н3О
Рис. 12б. Молекула гидроксида ОН
9
Рис. 13а. Кластер воды из двух её молекул
Используя, указанное выше программное обеспечение моделируем перечисленные
атомы, молекулы, кластеры во взаимодействии друг с другом - в динамике, выполняем по
каждой модели анимационный фильм. Познакомиться с результатами можно в Интернете по
адресу: http://www.micro-world.su/files/4140/N-foton.gif, раздел, «Видео».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, теория микромира, изложенная в монографии [1] позволяет построить
структуры элементов атомов, молекул, кластеров и дает возможность наглядно увидеть особенности устройства реального микромира. Информация о конструктивных особенностях
микромира приведена к законченному виду и у нас нет причин сомневаться в её достоверности.
Литература
1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. Том I. 15-е издание.
http://www.micro-world.su/ Папка «Монографии».
2.Мыльников В.В. Видео микромир.
http://www.micro-world.su/index.php/2012-01-27-15-57-34
3. Интернет. Учёные, впервые запечатлевшие анатомию молекул и кластеров.
http://www.membrana.ru/particle/14065
4. Мыльников В.В. МИКРОМИР ОТКРЫВАЕТ СВОИ ТАЙНЫ СТУДЕНТАМ.
http://www.sciteclibrary.ru/rus/
5. Интернет, Википедия. Водород, гелий, литий …
http://ru.wikipedia.org/wiki/Водород