Дополнение 2 к лекции 7

Игра "Параллельный мир"

Для того, чтобы лучше понять роль "абстрактных" постулатов в окружающем нас мире, полезно переместиться в "Параллельный мир". Принцип простой: структура квантовых чисел немного искажается, затем на основе их новых значений строим периодическую систему параллельного мира. Игра будет удачной в том случае, если меняется только один параметр, не требующий дополнительных допущений по взаимосвязи квантовых чисел и уровней энергии.

Впервые подобная задача-игра была предложена школьникам на Всесоюзной олимпиаде в 1969 году (9 класс):

"Как бы выглядела периодическая система элементов, если бы максимальное число электронов в слое определялось формулой 2n²-1, а на внешнем уровне не могло бы быть больше семи электронов? Изобразите таблицу такой системы для четырех первых периодов (обозначив элементы их атомными номерами). Какие степени окисления мог бы проявить элемент N 13? Какие свойства соответствующего простого вещества и соединений этого элемента вы могли бы предположить?

Такая задача слишком сложна. В ответе необходимо проанализировать несколько сочетаний постулатов, устанавливающих значения квантовых чисел, с постулатами о связи между этими значениями. При детальном разборе этой задачи мы пришли к выводу, что искажения в "параллельном мире" получаются слишком большими, и мы не можем корректно прогнозировать свойства химических элементов этого мира.

Мы в СУНЦ МГУ обычно используем более простую и наглядную задачу, в которой квантовые числа "параллельного мира" почти не отличаются от наших. В этом параллельном мире живут аналоги людей – хомозоиды.

Периодический закон и строение атома. Задача 1.

Хомозоиды живут в параллельном мире, имеющем следующий набор квантовых чисел:

n = 1, 2, 3, 4,...

l = 0, 1, 2,... (n – 1)

m_l= 0, +1, +2,...(+ l)

m_s = ± 1/2

Постройте первые три периода Их периодической таблицы, сохраняя наши названия для элементов с соответствующими номерами.

1. Чем умываются хомозоиды?

2. Чем напиваются хомозоиды?

3. Напишите уравнение реакции между Их серной кислотой и гидроксидом алюминия.

Анализ решения.

Строго говоря, нельзя изменить одно из квантовых чисел, не затрагивая остальных. Поэтому все описанное ниже – не истина, а учебная задача.

Искажение почти незаметно – магнитное квантовое число становится ассимметричным. Впрочем, это означает существование в параллельном мире однополюсных магнитов и другие серьезные последствия. Но вернемся к химии. В случае s- электронов изменений не происходит (l = 0 и m_l = 0). Следовательно, водород и гелий там те же самые. Полезно вспомнить, что по всем данным именно водород и гелий являются самыми распространенными элементами во Вселенной. Это позволяет допустить существование подобных параллельных миров. Однако для p- электронов картина меняется. При l = 1 мы получаем два значения вместо трех: 0 и +1. Следовательно, имеется только две p- орбитали, на которых можно разместить 4 электрона. Длина периода уменьшилась. Строим "клетки-стрелочки":

Построение Периодической таблицы параллельного мира:

Периоды, естественно, стали короче (в первом 2 элемента, во втором и третьем – по 6 вместо 8. Очень весело воспринимаются изменившиеся роли элементов (названия за номерами сохраняем специально): инертные газы O и Si, щелочной металл F. Чтобы не запутаться, будем обозначать их элементы только символами, а наши – словами.

Анализ вопросов задачи позволяет разобрать значение распределения электронов на внешнем уровне для химических свойств элемента. Первый вопрос простой – водород = H, а кислородом становится C. Все сразу соглашаются, что без галогенов (N, Al и т.д.) параллельный мир не обойдется. Ответ на второй вопрос связан с решением проблемы – почему у нас углерод является "элементом жизни" и что будет его параллельным аналогом. В ходе обсуждения выясняем, что такой элемент должен давать "наиболее ковалентные" связи с аналогами кислорода, азота, фосфора, серы. Приходится немного пойти вперед и разобрать понятия гибридизации, основного и возбужденного состояний. Результат такого обсуждения – аналог этилового спирта BH₂BHCH.

При этом становится очевидным, что в параллельном мире мы лишились прямых аналогов нашей 3-й и 5-й (или 2-й и 6-й) групп. Например, элементы 3 периода соответствуют:

натрий	магний	алюминий	кремний	фосфор	сера	хлор	аргон
F	Ne	–	Na	–	Mg	Al	Si

Максимальные степени окисления: Na(+3), Mg(+4), Al(+5); однако приоритетными являются химические свойства и их периодическое изменение, к тому же длина периода уменьшилась.

Тогда ответ на третий вопрос:

Серная кислота + гидроксид алюминия = сульфат алюминия + вода

H2MgC3+ Ne(CH)2= NeMgC3+ 2 H2C

Или как вариант (прямого аналога алюминия нет):

3 H2MgC3+ 2 Na(CH)3= Na2(MgC3)3+ 6 H2C

Главный результат описанного "путешествия в параллельный мир" – понимание того, что бесконечное разнообразие нашего мира вытекает из не очень большого набора относительно простых законов. Примером таких законов являются разобранные постулаты квантовой механики. Даже небольшое изменение одного из них резко меняет свойства вещественного мира.

Библиография к лекции 7

1.. Опубликовано: Загорский В.В. Вариант изложения в физико-математической школе темы “Строение атома и Периодический закон”, Российский химический журнал (ЖРХО им. Д.И.Менделеева), 1994, т. 38, N 4, с.37-42; Загорский В.В. Строение атома и Периодический закон / "Химия" N 1, 1993 (прил. к газете "Первое сентября")

2.. Бекетов Н.Н. (1827-1911), акад. Петерб. АН, термохимия, алюмотермия.

3.. Смирнов Г.В. Досье эрудита - М: ЗАО МК-периодика, 2001. - 256 с., стр. 40

4.. Отношение массы электрона к заряду более точно определил в 1896-1898 гг Вальтер Кауфман (1871-1947). Значение Кауфмана 0,54*10^-11 кг/Кл; Томсона от 0,49 до 0,9*10^-11; современное 0,569*10^-11 кг/Кл. Однако Кауфман считал, что нельзя оперировать с сущностями, недоступными наблюдению (Э.Мах).

5.. Нагаока Хантаро (1865-1950), основатель японской физики, член АН СССР с 1930 г.

6.. История эксперимента хорошо описана в книге: Вайнберг С. Открытие субатомных частиц: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 286 с., с.169-183

7. Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962). Нобелевская премия по физике 1922 г.

8.. Хабердитцл В. Строение материи и химическая связь: Пер. с нем. – М.: Мир, 1974. – 296 с., с.52

9.. Генри Гвин Джефрис Мозли (1887-1915), англ. физик, создатель метода рентгеновской спектрроскопии с использованием кристалла в качестве дифракционной решетки. Определил физический смысл Периодического закона – свойства элементов зависят от заряда ядра. Пошел добровольцем на первую мировую войну, погиб в возрасте 28 лет.

10.. Хабердитцл В. Строение материи и химическая связь: Пер. с нем. – М.: Мир, 1974. – 296 с., с.49

11.. Витковская Н.М., Пупышев В.И. Квантовая химия В: Современное естествознание: Энциклопедия в 10 т. – М.: Флинта: Наука, 1999-2000., т.1. Физическая химия. – 328 с.

12.. Дэвис П. Суперсила: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 272 с., с.41

13.. Пупышев В.И. Современные представления о химической связи В: Современное естествознание: Энциклопедия в 10 т. – М.: Флинта: Наука, 1999-2000., т.1. Физическая химия. – 328 с.

14. Поль Адриен Морис Дирак (1902-1984) Нобелевская премия 1933 г.

15.. Полинг Л. Общая химия, М.: Мир, 1974, 846 с., стр. 70

16.. Полинг Л. Общая химия, М.: Мир, 1974, (амер. изд. 1970)846 с., стр. 151

17.. Шевельков А.В. Периодичность свойств и особенности химической связи. Наиболее неоднозначно трактуемые студентами и преподавателями закономерности неорганической химии. http://www.chem.msu.su/rus/teaching/shevelkov/chembond.pdf

18.. Гиллеспи Роналд, Харгиттаи Иштван Модель отталкивания электронных пар валентной оболочки и строение молекул: Пер. с. англ. – М.: Мир, 1992. – 296 с.

[1]. Опубликовано: Загорский В.В. Вариант изложения в физико-математической школе темы “Строение атома и Периодический закон”, Российский химический журнал (ЖРХО им. Д.И.Менделеева), 1994, т. 38, N 4, с.37-42; Загорский В.В. Строение атома и Периодический закон / "Химия" N 1, 1993 (прил. к газете "Первое сентября")

[2]. Бекетов Н.Н. (1827-1911), акад. Петерб. АН, термохимия, алюмотермия.

[3]. Смирнов Г.В. Досье эрудита - М: ЗАО МК-периодика, 2001. - 256 с., стр. 40

[4]. Отношение массы электрона к заряду более точно определил в 1896-1898 гг Вальтер Кауфман (1871-1947). Значение Кауфмана 0,54*10^-11 кг/Кл; Томсона от 0,49 до 0,9*10^-11; современное 0,569*10^-11 кг/Кл. Однако Кауфман считал, что нельзя оперировать с сущностями, недоступными наблюдению (Э.Мах).

[5]. Нагаока Хантаро (1865-1950), основатель японской физики, член АН СССР с 1930 г.

[6]. История эксперимента хорошо описана в книге: Вайнберг С. Открытие субатомных частиц: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 286 с., с.169-183

[7] Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962). Нобелевская премия по физике 1922 г.

[8]. Хабердитцл В. Строение материи и химическая связь: Пер. с нем. – М.: Мир, 1974. – 296 с., с.52

[9]. Генри Гвин Джефрис Мозли (1887-1915), англ. физик, создатель метода рентгеновской спектрроскопии с использованием кристалла в качестве дифракционной решетки. Определил физический смысл Периодического закона – свойства элементов зависят от заряда ядра. Пошел добровольцем на первую мировую войну, погиб в возрасте 28 лет.

[10]. Хабердитцл В. Строение материи и химическая связь: Пер. с нем. – М.: Мир, 1974. – 296 с., с.49

[11]. Витковская Н.М., Пупышев В.И. Квантовая химия В: Современное естествознание: Энциклопедия в 10 т. – М.: Флинта: Наука, 1999-2000., т.1. Физическая химия. – 328 с.

[12]. Дэвис П. Суперсила: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 272 с., с.41

[13]. Пупышев В.И. Современные представления о химической связи В: Современное естествознание: Энциклопедия в 10 т. – М.: Флинта: Наука, 1999-2000., т.1. Физическая химия. – 328 с.

[14] Поль Адриен Морис Дирак (1902-1984) Нобелевская премия 1933 г.

[15]. Полинг Л. Общая химия, М.: Мир, 1974, 846 с., стр. 70

[16]. Полинг Л. Общая химия, М.: Мир, 1974, (амер. изд. 1970)846 с., стр. 151

[17]. Шевельков А.В. Периодичность свойств и особенности химической связи. Наиболее неоднозначно трактуемые студентами и преподавателями закономерности неорганической химии. http://www.chem.msu.su/rus/teaching/shevelkov/chembond.pdf

[18]. Гиллеспи Роналд, Харгиттаи Иштван Модель отталкивания электронных пар валентной оболочки и строение молекул: Пер. с. англ. – М.: Мир, 1992. – 296 с.

Дата добавления: 2014-12-16