ВАЛЕНТНОСТИ ПЕРВОГО ПОРЯДКА

Имеется и альтернативный вид межатомной ориентации, создающий то, что мы называем валентностями второго порядка. Как подчеркивалось в предыдущем обсуждении, равновесие между положительными и отрицательными смещениями вращения может иметь место лишь тогда, когда общая результирующая равна нулю или эквиваленту нуля, потому что любая величина отношения пространства-времени, отличная от единицы (нулевое смещение), создает движение и исключает положения фиксированного равновесия. При самом вероятном условии начальный уровень, с которого начинается каждое вращение – это та же нулевая точка или, если природа ориентации требует других нулевых точек, самая ближайшая комбинация, возможная при таких обстоятельствах. Ясно, что основа валентностей первого порядка самая вероятная, но не единственная.

Ввиду того, что разделение между естественными нулевыми точками (уровнями единицы скорости) составляет две линейных единицы (или 8 трехмерных единиц), можно создать равновесие, при котором первичный уровень положительного вращения (положительный нуль) отделен от первичного уровня отрицательного вращения (отрицательный нуль) двумя линейными единицами. Влияние такого разделения на валентность иллюстрирует Рис. 2.

Рисунок 2

(а) (b) (c)

Основа валентностей первого порядка показана в графе (а). Здесь нормальная положительная валентность V уравновешивается равной отрицательной валентностью V в точке равновесия, представленной двойной линией. В графе (b) начальный уровень положительного вращения смещен к следующей нулевой точке, находящейся на расстоянии двух единиц от точки равновесия. Пребывая на положительной стороне точки равновесия, эти две единицы прибавляются к действующему положительному смещению, поэтому положительная валентность увеличивается до V + 2; то есть, единицы валентности V + 2 уравновешены. В графе (с) показан начальный уровень отрицательного вращения, тоже смещенный от точки равновесия. Здесь две промежуточные единицы прибавляются к действующему отрицательному смещению, и положительная валентность уменьшается до V – 2, поскольку V единиц положительного смещения способны уравновешивать лишь V – 2 единиц отрицательной валентности.

При наличии модификаций нулевой точки, показанных на Рис. 2 (b), каждая положительная валентность первого порядка соответствует валентности второго порядка, мы будем называть ее усиленной валентностью. То есть, в случае прямых валентностей она на две единицы больше (x + 2), а у инверсивных валентностей – на две единицы меньше 8 – (x + 2) = 6 - x. Соединения, основанные на усиленных валентностях относительно необычны, поскольку высокой степенью вероятности обладает сама нормальная валентность, а усиленная валентность не только менее вероятна, но и обладает более высоким действующим смещением в любом конкретном применении, что еще больше уменьшает относительную вероятность. Факторы вероятности более благосклонны к усиленной нейтральной валентности, поскольку в этом случае действующее смещение меньше, чем действующее смещение соответствующих валентностей первого порядка. Поэтому соединений такого типа гораздо больше. Они включают такие хорошо известные вещества как SO₂ и PCI₃. Интересное использование этой валентности обнаруживается в озоне - окиси кислорода, аналогичной SO₂.

Теоретически, валентности могут ослабляться посредством ориентации по способу, показанному на Рис. 2. Но действительно ли соединения формируются на основе ослабленных электрических валентностей, весьма сомнительно. Причина их отсутствия еще не понята. Магнитные валентности могут быть как усиленными, так и ослабленными. Первичные и вторичные валентности могут модифицироваться, но поскольку усиление идет в направлении более низкой вероятности (большей числовой величины), количество обычных соединений, основанных на усиленных магнитных валентностях, относительно невелико. Ослабление валентности увеличивает вероятность, поэтому соединения с ослабленной валентностью изобильны в тех группах вращения, в которых они возможны (соединения с первичными магнитными валентностями больше 2). Список таких соединений еще очень умеренный по сравнению с количеством соединений, основанных на валентностях первого порядка.

Как указывалось раньше, один компонент любого реального химического соединения может обладать отрицательным смещением 4 или меньше, поскольку такое соединение возникает лишь посредством установления равновесия между отрицательным и положительным смещением. Элементы с требующимся отрицательным смещением составляют Деление IV. Из этого следует: каждое соединение должно включать, по крайней мере, один элемент Деления IV или элемент, обретающий статус Деления IV посредством усиления валентности. Если имеется лишь один такой компонент, положительно-отрицательная ориентация фиксирована, поскольку элемент Деления IV – это обязательно отрицательный компонент. Однако если к Делению IV относятся оба компонента, тогда один обычно отрицательный компонент вынужден переориентироваться так, чтобы выступать в роли положительного смещения. Но тогда возникает вопрос сохранения его отрицательного статуса.

Ответ на этот вопрос тесно связан с относительной отрицательностью рассматриваемых элементов. Очевидно, меньшее смещение отрицательнее, чем большее, поскольку последнее находится дальше от нейтральной точки, в которой положительные и отрицательные смещения равной величины эквивалентны. Внутри любой группы порядок отрицательности такой же, как в последовательности смещения. Например, в группе 2В самый отрицательный элемент – хлор, за ним идут сера, фосфор и кремний именно в таком порядке. Это значит, что в любой комбинации хлор-сера Деления IV, отрицательный элемент - хлор, а результат - соединение SCI₂, а не CIS или CI₂S. С другой стороны, поскольку обычно фосфор положителен к сере, имеется соединение Р₂S₃.

Если электрические смещения равны, элемент с меньшим магнитным смещением отрицательнее, поскольку действие большего магнитного смещения разбавляет отрицательное электрическое вращение за счет распределения на большее общее смещение. Поэтому мы находим CIF₃ и CIBr₃, а не FCI₃ или BrCI₃. Степень изменения отрицательности за счет разницы в магнитном смещении значительно меньше, чем степень изменения, возникающая в результате неравенства электрического смещения. Поэтому неравенство электрического смещения является контролирующим фактором, кроме тех случаев, когда электрические смещения обоих компонентов одинаковы.

На основании вышеизложенного все элементы Деления I, II и III положительны к элементам Деления IV. Смещение 4-х элементов на границе между Делениями III и IV принадлежит более высокому делению, если комбинируется с элементами более низкого смещения. Если элементы, расположенные ниже в отрицательных сериях, обретают валентности 4 или больше посредством усиления или переориентации, они обретают свойства Деления III и становятся положительными к другим элементам Деления IV. Поэтому хлор, отрицательный к кислороду в соединении OCI₂ в Делении IV, становится положительным компонентом в соединении CI₂O₇. Аналогично, обычные отношения фосфора и серы, как они существуют в P₂S₃, переворачиваются в S₃P₄, где сера обладает валентностью 4.

Как и смещение 4-х членов высших групп, водород – пограничный элемент, и за счет своего положения способен принимать либо положительные, либо отрицательные характеристики. Поэтому он положителен ко всем чисто отрицательным элементам (Деление IV ниже валентности 4), но отрицателен ко всем строго положительным элементам (Деления I и II) и к элементам Деления III. Из-за низкого магнитного смещения он отрицателен и к более высоким пограничным элементам - углероду, кремнию и так далее. Тот факт, что водород отрицателен к углероду, особенно значим в свете важности комбинации углерод-водород в органических соединениях.

Еще одно положение, которое следует отметить: если водород действует с положительным смещением, он делает это как элемент Деления III, а не как член Деления I. Следовательно, его магнитная валентность равна +1. Вот почему в пересмотренной периодической таблице водород помещен лишь в отрицательное положение, а не в два привычных положения.

Изменение отрицательности в зависимости от величины магнитного смещения обладает эффектом расширения поведения элементов Деления III в поведение элементов Деления IV и, в некоторой степени, в более высокие группы. Например, свинец практически не обладает характеристиками Деления IV, а висмут имеет меньше дубликатов в более низких группах. На нижнем конце атомных серий ситуация переворачивается. И характеристики поведения элементов Деления IV расширяются на поведения элементов Деление III как альтернатива нормальному положительному поведению некоторых элементов этого Деления. Например, кремний образует не только такие комбинации, как MnSi или CoSi₃ (которые, согласно имеющейся сейчас информации, появляются в виде интерметаллических соединений, подобных соединениям высших элементов Деления III), но и Mg₂Si и CaSi₂, которые, возможно, являются реальными соединениями, аналогичными Be₂C и CaC₂. Углерод продолжает эту тенденцию еще дальше и образует карбиды с широким разнообразием положительных компонентов.

В группе 2А Деления IV характеристики поведения расширяются до поведения пятого элемента – бора. Это единственный случай, когда пятый элемент серий обладает свойствами Деления IV. Поэтому поведение бора при формировании соединений уникально. Обладая валентностью Деления I, в качестве положительного компонента в таких соединениях, как В₂О₃, бор абсолютно обычен. Однако первый порядок его отрицательной валентности равен (–5). Образование соединений, основанных на валентности (-5), конфликтует с ранее установленным ограничением отрицательной валентности - максимум 4 единицы. Поэтому бор сдвигается в усиленную отрицательную валентность, прибавляя к величине первого порядка (-5) две положительные единицы, что в итоге дает (-3). Прямые комбинации бора с положительными элементами – это такие структуры как FeB и Cu₃B₂. Однако многие бориды обладают сложными структурами, в которых действующие валентности определены не так явно. Тогда возникает вопрос: Может ли бор быть исключением из правила, ограничивающего максимальную, отрицательную валентность до (-4)? И может ли он пользоваться валентностями (-5) и (-3)? Эта проблема будет рассматриваться в следующей главе.

Глава 19

Сложные соединения

Обсуждение в предыдущей главе относится только к соединениям типа R_mX_n, в которых m положительных атомов соединяются с n отрицательных атомов. Но разработанный принцип распространяется на все комбинациям атомов. Наша следующая задача – распространение этих принципов на исследование некоторых более сложных ситуаций.

Каждый атом каждого простого соединения можно заменить другим атомом с той же валентностью и номером. Следовательно, любой или все четыре атома хлора в CCl₄ можно заменить эквивалентными, отрицательными атомами, создавая целое семейство таких соединений, как CCl₃Br, CCl₂F₂, CClI₃, CF₄, и так далее. Или можно заменить n одновалентных атомов хлора на атом с отрицательной валентностью n, получая такие соединения как COCl₂, COS, CSTe и так далее. Аналогичные замены можно сделать и в положительном компоненте, создавая такие соединения как SnCl₄.

Однако простая замена на атом с другой валентностью невозможна. Например, медь обладает той же числовой валентностью, что и натрий, но атомы натрия в соединении Na₂O не меняются на атомы меди. Имеется соединение Cu₂O, но нейтральная структура валентности этого соединения очень отличается от структуры нормальной валентности Na₂O. Аналогично, если мы заменяем атом положительного водорода (магнитная валентность) на один из атомов натрия (нормальная валентность) в соединении Na₂O, этот процесс не является простой заменой. Вместо NaHO мы получаем NaOH - соединение абсолютно другого характера.

Фактор, играющий важную роль в строительстве сложных молекулярных структур, таков: существование основных различий в величинах сил вращения в разных межатомных комбинациях. Например, давайте рассмотрим соединение KCN. В этом соединении азот – отрицательный элемент, а положительно-отрицательные комбинации – это K-N и C-N. Подсчитывая межатомные расстояния (с помощью отношений, которые будут обсуждаться позже), мы обнаруживаем, что величины в естественных единицах составляют 0,904 для R-N и 0,483 для C-N.

Как установлено в главе 18, термин “связь” не используется в этой работе и никоим образом не связан с темой этой главы – “могущество” соединения или валентность. Термин “валентная связь” или любое производное типа “ковалентная связь” не имеет места в теоретической структуре СТОВ. Однако употребление слова “связь” удобно при описании сцепления между конкретными атомами и группами атомов; поэтому в последующем обсуждении оно будет использоваться в этом ограниченном смысле. На этом основании можно сказать, что сила сцепления или “прочность связи” значительно больше у C-N, чем у K-N, поскольку она определяется разницей в межатомных расстояниях.

Обычно считалось, что сила сцепления указывает на прочность межатомных сил, но, на самом деле, отношение обратное. Как объяснялось в главе 8, гравитационные силы, влияющие на атомы (силы, возникающие в результате вращения атома), - это силы отталкивания в области времени. Поэтому чем слабее гравитационные силы, тем сильнее сцепление. В рассматриваемой комбинации короткое расстояние C-N и соответствующая прочность связи - результат наличия измерений с недействующей силой. Это ослабляет действующую силу отталкивания и требует более тесного сближения атомов для установления равновесия с постоянной силой последовательности системы отсчета.

Вследствие большей силы, во многих процессах, разрушающих или модифицирующих связь K-N, связь C-N остается незатронутой, и общее поведение соединения KCN – это скорее поведение комбинации K-CN, чем группы независимых атомов, таких, как у соединения K₂O. Группы подобные CN, обладающие относительно высокими величинами сил связи и способные сохранять свое своеобразие, даже если в соединениях, в которых они существуют, происходят изменения, называются радикалами. Поскольку особые свойства радикалов обуславливаются различиями между силами сцепления самих радикалов и силами других связей в соединениях, степень, с какой любая конкретная группа атомов действует как радикал, зависит от величины этих различий. Если межатомные силы очень слабые, связь, соответственно, очень сильная, как в комбинации C-N. Радикал сильно сопротивляется разделению и во многих отношениях действует как единичный атом. Другая крайность: если различия между разными межатомными связями в молекуле невелики, пограничная черта между радикалами и не радикальными группировками атомов неуловима.

Более сильными радикалами являются определенные структурные группы. NH₄ структурно равнозначна атому натрия. В кристалле CdI₂ OH можно заменить на I без изменения структуры, и так далее. Самые слабые радикалы - радикалы с самыми маленькими границами силы сцепления - кристаллизуются в структуры, у которых радикал как таковой роли не играет, а структурные единицы являются индивидуальными атомами. Известный пример – структура перовскит (CaTiO₃). Здесь каждый атом структурно независим. Отсюда такой вид компоновки пригоден для соединения, подобного KMgF₃, в котором определенно отсутствуют радикалы, и для соединения, подобного KIO₃, содержащего пограничную группу. С точки зрения структуры группа IO₃ в соединении KIO₃ не является радикалом, хотя действует как радикал в некоторых других физических явлениях и обычно осознается как таковая.

Например, с температурной точки зрения, при низких температурах группа IO₃ – определенно радикал, и вся группа действует как единица. Но в отличие от сильных радикалов, таких как OH и CN, сохраняющих статус единицы при всех обычных условиях, при высоких температурах IO₃ распадается на две температурные единицы – другие радикальные группы, еще менее устойчивые к изменениям температуры. Например, группа CrO₃ действует как одна температурная единица при низких температурах, но в верхней части температурного диапазона твердых тел все четыре атома не зависят от температуры. Температурное поведение химических соединений, включая упомянутые примеры, будет обсуждаться в следующем томе.

Чтобы занимать место единичных атомов в трехмерных неорганических структурах, радикалы должны обладать силой, распределенной на все три измерения. В случаях, когда некоторые межатомные силы двумерны, что справедливо для более низкой группы элементов по причинам, которые будут объясняться позже, трехмерное распределение достигается посредством геометрической компоновки. Поэтому типичные неорганические радикалы состоят из группы атомов-спутников, трехмерно сгруппированных вокруг одного или более центральных атомов. Ввиду того, что атомы-спутники находятся между центральным атомом и противоположным компонентом соединения, действующая валентность радикала может иметь тот же знак, что и атомы-спутники. Ограничение в связи с результирующей валентностью означает, что большинство неорганических радикалов - отрицательные. Водород – единственный элемент, обладающий распределением силы в двух измерениях, если выступает в роли положительного компонента. Самый важный радикал этого класса – аммоний NH₄, у которого водород обладает магнитной валентностью 1, азот – отрицательной валентностью 3, а общая валентность группы +1. Радикал фосфония аналогичный, но менее распространенный. Разновидностью NH₄ является радикал тетраметил аммония N(CH₃)₄, у которого атомы водорода заменяются положительными группами CH₃.

Теоретически возможное количество отрицательных радикалов очень велико, но влияние соображений вероятности сводит количество реально существующих радикалов до небольшой величины по сравнению с отрицательными радикалами, которые могли бы быть построены теоретически. При всех прочих одинаковых условиях самыми вероятными являются группы с самым маленьким результирующим смещением. Поэтому обычно мы обнаруживаем BO₂^-1, менее часто BO₃^-3, а не BO₄^-5, BO₅^-7 или другие высокие числа этих серий. В ситуацию входят и геометрические соображения. При тождественности других характеристик, самыми вероятными комбинациями будут те, у которых силы размещаются самым симметричным образом.

На основании разработанных до сих пор критериев статус бинарных радикалов, таких как OH, SH и CN, неоднозначен, поскольку отсутствует различие между центральными атомами и атомами-спутниками. Но эти группы могут включать неорганические радикалы, потому что способны входить в трехмерные неорганические, радикальные компоновки.

Еще один особый класс радикалов сочетает положительные и отрицательные валентности одного и того же элемента. Имеется азидный радикал N₃, у которого атом азота с нейтральной валентностью +5 сочетается с двумя отрицательными атомами азота с валентностью –3 каждый; общая валентность группы (-1). Аналогично, атом углерода с первичной магнитной валентностью +2 соединяется с отрицательным атомом углерода с валентностью (-4), образуя карбидный радикал C₂ с валентностью (-2).

Распространенными радикалами боридов - комбинациями структур бора, упомянутыми в главе 18, являются B₂, B₄ и B₆. Самые известные соединения B₄ - это прямые комбинации элементов Деления I с валентностью 4. Поэтому можно прийти к выводу, что результирующая валентность комбинации B₄ составляет (-4). Роль B₆ в таких соединениях как CaB₆ и BaB₆, указывает на то, что итоговая валентность радикала B₆ составляет (-2). Статус радикала B₂ определен не так ясно, но представляется, что он тоже имеет валентность (-2); то есть, половину комбинации B₄. Результирующая валентность (-2) может создаваться либо комбинацией отрицательной валентности (-3) с вторичной магнитной валентностью +1, либо комбинацией отрицательной валентности (-5) с положительной валентностью +3. Эти же две альтернативы имеются и для B₄. Комбинация валентностей +1 и (-3) возможна и для радикала B₆. На основании этих величин валентности всех боридных радикалов представляют последовательную систему, представленную на нижеприведенной таблице:

Однако радикал B₆ не может создаваться комбинацией валентностей +3 и –5. И чтобы воспользоваться валентностью –5 необходимо ввести положительный компонент с валентностью +2. Отрицательная валентность –3 ведет к более согласованному набору комбинаций и увязывается с валентностью бора в прямых комбинациях бора с положительными элементами. По крайней мере, сейчас можно прийти к выводу, что имеющиеся свидетельства говорят в пользу отрицательной валентности бора (–3).

Общие принципы сложного образования, разработанные для простых комбинаций, распространяются и на соединения, содержащие радикалы неорганического класса. Основное требование таково: валентность радикальной группы должна пребывать в равновесии с равной и противоположной валентностью. Поэтому для формирования соединения K₂SO₄ отрицательный радикал SO₄ соединяется с необходимым количеством положительных атомов. Аналогично, положительный радикал NH₄ соединяется с отрицательным атомом для создания соединения NH₄Cl. Или как в соединении (NH₄)₂SO₄ радикалами могут быть оба компонента.

Еще один новый фактор, появляющийся при группировании, - относительная отрицательность атомов внутри группы больше не имеет никакого значения. Например, азидная группа N₃ отрицательная, и не может быть никакой другой, кроме как отрицательной. Тогда в соединении ClN₃ атом хлора обязательно положительный, хотя в прямых комбинациях Деления IV, таких как NCl₃, атом хлора отрицательный к азоту.

В соединениях с магнитной валентностью отрицательное электрическое смещение пребывает в равновесии с одним из магнитных смещений положительного компонента. Это избавляет положительное электрическое смещение от прямого направляющего влияния на другие молекулы или атомы. В общих аспектах направляющее влияние похоже на ориентирующее влияние равновесия пространства-времени, которое требуется для того, чтобы атомы отрицательных элементов вступали в соединения с другими атомами. В обоих случаях имеются определенные относительные положения взаимодействующих атомов или молекул, позволяющие более тесное сближение, что выливается в б о льшую силу сцепления. Ни один из факторов ориентации ничего не вносит в силу сцепления; факторы ориентации просто удерживают участников в положениях, в которых создаются более мощные силы. Без ограничений направления, налагаемых ориентирующими влияниями, относительные положения были бы случайными, и не создавалась бы более мощные силы сцепления.