CC BY
46
ЕСТЕСТВЕННО - МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 54;621.311 Сироткин О.С.
СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ И СОЕДИНЕНИЙ (СХСС) КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ОСНОВА СОЗДАНИЯ ЕДИНОЙ УНИВЕРСАЛЬНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Проанализирована проблема отсутствия единой универсальной классификации веществ и материалов, а также показан путь ее решения через Систему химических связей и соединений (СХСС). Ключевые слова: вещество, атом, физическое соединение, химическое соединение, система, материал.
В соответствии с парадигмой многоуровневой организации материи и вещества [1] современные взгляды на их классификацию предполагают естественное разделение материи на две формы (поле и вещество), а разновидности вещества - на физическое (элементарное и атомное), химическое (гомо- и гетероядерное), минералогическое, биологическое и т.д. При этом понятно, что именно химические вещества (химические гомо-и гетероядер-ные соединения) в виде оксидов, углеводородов и т.д. являются реальной материальной основой для производства металлических и неметаллических полимерных и керамических материалов. При этом к началу XXI века стало очевидным, что традиционные классификации химических веществ и материалов (с разделением их на неорганические и органические классы, простые вещества и химические соединения и т. д.) безнадежно устарели в силу целого ряда причин. Например, карбамид (мочевина) как соединение, построенное из четырех основных элементов-органогенов (углерода, кислорода, азота и водорода) и полученное синтезом из двуокиси углерода и аммиака относят к неорганическим веществам. В случае с мочевиной, выделяемой животными и человеком в процессе жизнедеятельности, ее относят к органическим веществам. То же самое можно говорить и о воде, угольной кислоте и оксидах углерода, алмазе и т.д., которые построены также из этих же элементов-органогенов, а реально рассматриваются как неорганические вещества. ИЮПАК разработаны и широко применяются также отдельные но-
менклатуры «простых» веществ (под которыми сегодня следует понимать гомоядерные соединения), неорганических и органических веществ, полимеров и других соединений. Но при этом старшинство элементов и их порядок использования при составлении названия химического соединения почему то является прямо противоположным в различных номенклатурах, что вносит естественную путаницу и непонимание ученых, специализирующихся в разных областях химии и материаловедения [1-4].
Именно поэтому автор в 2003 году сделал попытку создания теории единой химии [1], следствием чего и является появившаяся возможность ответа на вопросы, поднятые в данной статье. Но главной причиной отсутствия единой номенклатуры веществ и материалов заключается в том, что в основу упомянутых выше классификаций изначально не были заложены единые фундаментальные системные химические принципы. Но их и не могло быть до тех пор, пока не была создана единая модель связи элементов тонкой электронно-ядерной микроструктуры химических веществ (гомо- и гетероядерных соединений) и материалов на их основе и Система их объединяющая, а также одновременно раскрывающая причины разницы структуры и свойств базовых классов металлических и неметаллических неорганических и органических веществ и материалов [1; 5].
В качестве данной Системы автор предлагает использовать созданную им в 1992 году Систему химических связей и соединений (СХСС) в виде «Химического треугольника» (ХТ), которая является одной из базисных инноваций современного материаловедения (см. рис. 1) [5]. При этом СХСС является альтернативой Периодической системе Д.И. Менделеева, так как именно она реально объединяет все основные базовые химические соединения (химические вещества), а не Периодическая система атомов. Причем последняя, как система более низкого уровня организации вещества, поглощается СХСС и располагается на левой стороне ХТ в виде «простых», а точнее гомоядерных химических веществ[1; 5].
В вершинах СХСС в виде ХТ располагаются металлические (М), ковалентные (К) и ионные (И) химические соединения, характеризующиеся теоретически предельным (100%) типом химических связей, которые закономерно различаются значениями СОЭ (100%, 50% и 0% указаны без скобок). Однако реально в соответствии с положениями единой модели химической связи [1] предельное (100%) значение связи может иметь лишь ковалентная компонента, а металличность и ионность при достижении 100% приводит к ликвидации (распаду) химического соединения.
В скобках на левой и правой сторонах ХТ указаны степени ковалентности соответствующих гомо- и гетеросвязей. Понятно, что нулевая степень обобществления электронных оболочек (соответствующая теоретически предельной 100%-ой степени ионности химической связи) автоматически приводит к исчезновению химического связывания атомов. Данное утверждение иллюстрируется отсутствием правой нижней вершины ХТ. На левой стороне ХТ лежат гомоядерные (простые) смешанные ковалентно-металлические (КМ) и металло-ковалентные (МК) соединения, а на площади ХТ располагаются гетероядерные смешанные типы химических соединений (оксиды, карбиды, нитриды и т.д.) с тройным типом химического взаимодействия - ИКМ, КИМ, МИК, ИМК, МКИ и КМИ . Порядок расположения каждого типа связи в вышеприведенных сокращениях определяется соответствующими значениями степеней ме-талличности, ковалентности и ионности (в %), расположенными в порядке возрастания величины соответствующих процентов.
Углеводороды -
неметаллы (См=!00%) (Си= 100%) металлы
ХСД„„ - высоко (макро) молекулярные, ХСНИ - ионные, неметаллы
неметаллы
Рис. 1. Химический треугольник» (ХТ) - как система химических связей и соединений (СХСС), веществ, металлических и неметаллических материалов на их основе [1; 5]
Анализ местоположения конкретных классов соединений в «химическом треугольнике» свидетельствует о взаимосвязи их элементного состава с типом химических связей, структур и свойств с соответствующим закономерным изменением этих характеристик на площади ХТ. Последнее можно проиллюстрировать хотя бы тем, что по мере перехода по левой и правой сторонам ХТ снизу
вверх к вершине К имеет место преобразование типично металлических и ионных структур в молекулярные (моно- и макро-) с соответствующим снижением их способности к кристаллизации, понижением их электропроводности, плотности и т.д., включая закономерный переход к преимущественному существованию в нормальных условиях не в виде твердых и жидких конденсированных, а в виде низкомолекулярных газообразных веществ (область в районе вершины К «химического треугольника»). Влияние химической связи (через соотношение двух или трех ее компонент) на местоположение исходных (начальных) фундаментальных классов (I, II), типов (молекулярных - дискретных и немолекулярных - непрерывных) и групп химических соединений (ХС) в единой системе (СХСC) в виде «Химического треугольника» (ХТ), а также основные уровни их периодичности приведены на рис. 1.
В результате стало возможным в рамках единой системы их разделение (классификация) на: гомо- и гетероядерные классы (I, II); индивидуальные химические соединения дискретного - молекулярного (ХСД) типа (дальтониды) {1а, Па и Па’, 1Ь, ПЬ и ПЬ’} и их ассоциаты и агрегаты (ЕХСД, где ХСД > 2); химические соединения непрерывного - немолекулярного (ХСН) типа (бертол-лиды) (Ь, Пс и Пс’}. Сюда же относятся: 1 - Э’2 и Э’Э” - гомо- и гетероядерные низко- или мономолекулярные ХС (Ь, Па и Па’); 2 - [Э’- Э’]п и [Э - Э”]п -гомо- и гетероядерные олиго-, высоко- и макромолекулярные ХС (ЕЬ, ПЬ и ПЬ’); 3 - (Э’)М - гомоядерные немолекулярные металлические ХС (Те); 4 - (Э’Э”)И -гетероядерные неметаллические ионные ХС (Пе); 5 - различные варианты молекулярных (ХСД) и немолекулярных (ХСН) ХС с тройным смешанным (ИМК) типом связи, подобно интерметаллиду М^БЬг (Па’, ПЬ’ и Пе’).
Сформулированные выше выводы и данные СХСС, приведенные на рисунке 1, позволяют предложить следующую единую начальную (исходную) классификацию химических соединений независимо от их «природы». Для названий основных ее уровней (класс, тип, группа, подгруппа, ряд, вид, разновидность и т.д.) можно использовать минералогическую классификацию, так как она наиболее естественна для химических веществ. Это связано с тем, что благодаря Я. Берцелиусу и Дэну классификация минералов по их химическому составу и структуре оказалась более точной и строгой по сравнению с классификациями, опирающимися на естественно-исторический критерий. Их ущербность легко подтвердить невозможностью однозначно строгого отнесения карбамида (мочевины) или алмаза, графита, фуллерена и карбена или карбина к неорганическому или органическому типу соединений на базе традиционных подходов.
Сегодня все химические соединения (химические вещества) изначально предлагается в зависимости от местоположения в СХСС разделять по следующим трем основным признакам (рис. 1):
1. по однородности состава и набору химических компонент связи (или по наличию двух или трех компонент химической связи) на два основных класса: гомоядерные и гетероядерные;
2. по признаку дискретности или непрерывности структурной организации на два основных типа: молекулярные (дискретные или конечноядерные: моно-, олиго- и макромолекулярные постоянного состава) -дальтониды и немолекулярные (непрерывные или бесконечноядерные переменного состава) - бертоллиды;
3. по преобладанию одной из трех компонент связи и разновидности типа структуры на три основные группы: ковалентные (молекулярные гомо-и гетеросоединения), металлические (немолекулярные гомо- и гетеросоединения) и ионные (немолекулярные гетеросоединения).
Затем следуют классификации по элементному составу, например, по наличию или отсутствию углерода в составе соединения: углеродные («органические»), безуглеродные («неорганические») и смешанные («элементоорганические»), оксиды, углеводороды и т. д. [6-11].
Последующая классификация химических соединений с разделением их на соответствующие подклассы, подгруппы, ряды, виды, разновидности и так далее может быть основана на уже существующих и разработанных ИЮПАК в настоящее время более частных классификациях с обязательным установлением одинакового старшинства элементов для органических (сейчас это фтор) и неорганических (сейчас в неорганических полимерах это таллий) соединений при образовании их названий. В том числе по формам объединения индивидуальных молекулярных соединений (молекулярных комплексов) в результате действия остаточных от химических (вторичных) взаимодействий следует различать молекулярные ассоциаты, агрегаты и т.д. Примером макромолекулярного агрегата может служить полимер, представляющий смесь или совокупность индивидуальных олиго- и макромолекул, связанных в единую полимерную систему ван-дер-ваальсовым или водородным межмолекулярным взаимодействием. Причем именно полимер, а не макромолекула (высокомолекулярное соединение) и является реальным материалом, из которого возможно получение изделия и конструкции.
Особо следует обратить внимание на то, что если все реальные хи-
мические связи логично относить к смешанным (или промежуточным), то химические соединения следует называть, опираясь на ту компоненту связи, которая преобладает (металлические, ионные или ковалентные-молекулярные). При этом промежуточные гомосоединения типа As, Sb, Sn (рис. 2) и гетеросоединения типа А1203 логичнее называть переходными в силу их нахождения в СХСС вблизи границы перехода молекулярных (Ск > 50 %) соединений в немолекулярные (50 %>Ск) и соответственно способностью существовать в виде двух структурных типов и относительной легкостью их переходов друг в друга. Переходные типы существуют в виде молекулярных (ковалентных неметаллических) и немолекулярных (металлических) гомосоединений или в виде молекулярных и немолекулярных (ионных) гетеросоединений. Именно этим же переходным типом связи и структуры можно объяснить амфотерные свойства кислородных соединений алюминия. Примером промежуточного или точнее переходного гетеросоединения может служить А1203 ввиду возможности образования им структуры либо в виде тетраэдра (к.ч. А1 = 4 и Ск связи А1-О выше), либо в виде октаэдра (к.ч. А1 = 6 и Ск связи А1-О падает). Расположение же основных трех видов материалов (металлов и их сплавов, органических и неорганических полимеров и керамик), имеющих наибольшее практическое значение в энергетике и промышленности в целом в рамках СХСС, показано на рисунке 2.
Рис. 2. Положение основных трех видов материалов (металлов и их сплавов, органических и неорганических полимеров и керамик) в рамках СХСС
Таким образом, в приведенной работе с опорой на СХСС представлена единая классификация веществ и материалов, а также показано место металлических и полимерных материалов и керамик в данной системе.
1. Сироткин О.С. Начало единой химии (Унитарность как основа формирования индивидуальности, раскрытия уникальности и фундаментальности химической науки). Казань. Изд-во АН РТ «Фэн», 2003. 252 с.
2. Киреев В.В. Высокомолекулярные соединения. М.: Высшая школа, 1992. 512 с.
3. Зоркий П.М. Критический взгляд на основные понятия химии // Российский химический журнал. 1996. Т. 40. № 3. С. 5.
4. Михайлов О.В., Сопин В.Ф. Классификация и номенклатура химических соединений. Казань: Издат. АН РТ «Фэн», 2005. 196 с.
5. Сироткин О.С. Основы инновационного материаловедения. М.: ИНФРА-М, 2011. 158 с.
6. Сироткин Р.О. Электронно-ядерная, молекулярная и надмолекулярная структура полимерных материалов и их физико-механические свойства («Состав - тип связи - структура - свойства» в полимерах и металлах). Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2007. 240 с.
7. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высшая школа, 1998. 743 с.
8. Глинка Н.Л. Общая химия. М.: КноРус, 2010. 752 с.
9. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. М.: Высшая школа, 2004. 519 с.
10. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие / под ред. В.С. Чередниченко. 3-е изд., стер. М.: Омега-Л, 2007. 752 с.
11. Ржевская С.В. Материаловедение: учеб. для вузов. М.: Логос, 2004. 424 с.
Зарегистрирована 11.05.2011 г.
