Home  / Публикации / Изомеры

Изомеры

Объяснение пространственного строения молекул G-теорией химической связи позволяет уточнить и модель атома.

В первом приближении рассмотрим однослойную модель атома. Так, например, в соответствии с пространственной структурой метана связывающие электроны вращаются по орбитам, расположенным в вершинах тетраэдра. Если энергия расположенных таким образом восьми электронов в молекуле сильно отличается от их энергии в атомах, то при образовании химической связи был бы значительно меньший выигрыш в энергии. Поэтому можно предположить, что расположение электронов в атоме почти не отличается от их расположения в молекуле.

Более точно это заключение может быть сформулировано следующим образом. Электроны в атоме могут занимать различные позиции, что обуславливает существование нескольких электронных изомеров, причем высока вероятность присутствия изомера, у которого пространственное расположение электронов идентично их расположению в молекуле, образованной из этих атомов. Если атом имеет два электрона в наружной электронной оболочке, можно предположить существование двух электронных изомеров. В одном изомере оба электрона вращаются на одной электронной орбите в одном направлении, тогда как в другом изомере электроны – на параллельных орбитах и в разных направлениях. Водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара- водорода. В молекуле ортоводорода o-H₂ (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные  спины  направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H₂ (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H₂ и p-H₂ при заданной температуре называется равновесный водород e-H₂. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Практически идентичные закономерности наблюдаются у гелия.

 Кеез в 1926 г. открыл наличие фазового перехода гелия-4 (⁴He) при температуре 2,17K; и назвал фазы гелий-I и гелий-II (ниже 2,17K). В 1938 году П. Л. Капица обнаружил, что у гелия-II отсутствует вязкость..

Близость двух форм водорода по энергии нами объясняется тем, что в том случае, когда электроны вращаются в противоположных направлениях их магнитные моменты противоположны по направлению, и соответственно в этом изомере дополнительный выигрыш энергии достигается за счет их магнитного притяжения. Подтверждением корректности этого объяснения является зависимость равновесия между орта и пара водородами от температуры. При снижении температуры меняются практически все параметры молекулы: уменьшается среднее расстояние между ядрами, уменьшаются магнитные моменты у электронов и т.д. Соответственно можно ожидать влияния температуры на соотношение изомеров, что и наблюдается в ходе эксперимента. Наличие данной закономерности только у водорода и гелия позволяет предполагать, что образование изомеров обусловлено взаимодействием магнитных моментов ядер водорода и гелия с электронами, находящихся в атомах на самых близких к ядру орбитах. Другим подтверждением этого предположения является то, что согласно  найденной зависимости, расхождение между расчетной и экспериментальной энергией гелиоподобных атомов зависит от заряда ядра. Если заряд ядра равен 20, то это расхождение не превышает 0,1%. Такое хорошее совпадение результатов расчета и эксперимента свидетельствует о том, что закон Кулона вполне удовлетворительно описывает энергетические закономерности водород- и гелиоподобных атомов. Количественная оценка энергии атомов и химической связи детально дана в «Общей химии XXI век» (Приложение В). Некоторое расхождение результатов расчета и эксперимента для водород- и гелиоподобных атомов связано не только с явлением электронной изомеризации и электронной энтропии, но и с тем, что в реальных системах орбиты имеют не круговую, а эллиптическую форму.