Користувач:Samsiq/пісочниця

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Денситометрія електронної хмарки. Інтенсивність пучка електронних променів прямо пропорційна густині електронної хмарки[1].

Видимий атом Перелік статей з української вікіпедії, разом 450 відвідувачив за добу.

Технологія[ред. | ред. код]

Денситометрія електронної хмарки (англ. electron cloud densitometry) — міждисциплінарна технологія, яка використовує засади квантової механіки[2] для отримання прямого зображення форми електронної хмарки окремих атомів, молекул та хімічних зв'язків.

Предмет вимірювання Електронна хмарка[ред. | ред. код]

Фото електронної хмарки вуглецю:
     окремі атоми вуглецю (1);
     сігма-зв'язки (2);
     пі-зв'язок (3);
     вільний простір (4).
Праворуч наведено шкалу електронної густини

Електро́нна хма́рка (рос. электронное облако, англ. electron cloud) — графічне зображення області, де перебування електрона є найімовірнішим. Термін використовується для унаочнення розташування електронів (розподілу електронної густини в просторі) на молекулярних чи атомних орбіталях.

Просторовий розподіл густині електронної хмарки виникає через хвильову природу електрона, він є рішенням рівняння Шредінгера і визначає форму, фізичні та хімічні властивості квантових об'єктів: атомів, молекул та хімічних зв'язків. Електронна хмарка є реальним фізичним об'єктом і її густина вимірюється шляхом денситометрії.

Засоби вимірювання Електронний промінь[ред. | ред. код]

Інтенсивність електронного променя прямо пропорційна щільності електронної хмарки атома. Денситометрія електронної хмарки атома C6: два внутрішніх електрони (жовта куля); два валентні зв'язки (зелена міжатомна гібридизація); два зовнішніх активних електрони (блакитні пелюстки); вільний простір (чорний). Праворуч наведено шкалу інтенсивності електронного променя [3].

Електро́нний про́мінь (англ. electron beam, застаріле катодний промінь) — потік вільних електронів у вакуумі, напрям руху якого змінюється магнітними та електричними полями через наявність електричного заряду. Електронний промінь є основою для різноманітних спеціалізованих застосувань у виробництві напівпровідників, мікроелектромеханічних системах, наноелектромеханічних системах, мікроскопії та пікоскопії [4].

Атом[ред. | ред. код]

Пряме зображення атома вуглецю.

Атом —пряме зобрадення атома методом Денситометрія електронної хмарки. Загально відомим є факт, що отримати зображення електронної хмарки атома за допомогою фотонів неможливо через велику довжину хвилі світла. Отримати зображення електрона шляхом бомбардування його зовнішніми електронами теж неможливо. Це принципові фізичні заборони. Вирішити цю проблему вдалося О. П. Кучерову[5][6][7], який, виходячи з фундаментальних основ квантової механіки, довів існування ефекту зсуву траєкторії зовнішніх електронів хмаркою атома. Сутність ефекту полягає в тому, що величина зсуву траєкторії електронів прямо пропорційна густині електронної хмарки, яка визначається як квадрат модуля хвильової функції. На фото наведено пряме зображення атома вуглецю[6], із схематичним зображенням ядра. Зображення отримане шляхом денситометрії електронної хмарки з роздільною здатністю 10 пікометрів. Атом вуглецю (C6) знаходиться в складі кристалічної решітки графіту і має вигляд, який повністю відповідає періодичному закону Д. І. Мендєлєєва. Внутрішня оболонка складається з двох електронів — рожеве коло. Чотири зовнішніх валентних електрона створюють чотири витягнутих хмарки. Перші дві хмарки створюють сильні σ-зв'язки з сусідніми атомами вуглецю. Це дві гібридизації sp² орбіталей (зелений колір). Другі дві хмарки створюють слабкі π-зв'язки з атомами верхнього та нижнього шарів графіту (блакитний колір). π-зв'язки мають вигляд циліндрів діаметром ~ 100 пм і довжиною ~ 200 пм. Також можна подивитись пряме зображення атомів в наступних речовинах: вуглецеві нанотрубки; руденіт; пентан; графіт. В роботі[7] наведено пряме зображення атомів кремнію та германію.

Хімічні зв'язки[ред. | ред. код]

Валентність[ред. | ред. код]

Фото валентних хмарок чотиривалентного атома C6 в графіті: 1,2 хмарки створюють сильні сігма-зв'язки з сусідніми атомами карбону (зелений колір); 3,4 хмарки створюють слабкі пі-зв’язки з атомами верхнього та нижнього шару графіту (блакитний колір).

Вале́нтність — це властивість атомів одного хімічного елемента з'єднуватися з певним числом атомів інших хімічних елементів. Термін походить від лат. valentia — сила, тож в ході його еволюції йому надавалося й таке визначення: властивість атома приєднувати чи заміщувати певне число атомів чи атомних груп з утворенням хімічного зв'язку.

Сигма-зв'язок[ред. | ред. код]

Фото сигма-зв'язку між двома атомами карбону. Відтінками різного кольору відображена електронна густина.

Сигма-зв'язок або σ-зв'язок — різновид ковалентного зв'язку, для якого характерна осьова симетрія. Сигма-зв'язки — найміцніші із ковалентних зв'язків. На фото праворуч відображений сигма-зв'язкок між двома атомами карбону. Пряме пікоскопічне зображення сигма-зв'язку, отримане шляхом денситометрії електронної хмарки з роздільною здатністю 10 пікометрів. Внутрішні орбіталі — це вкладені одна в одну кулі білого та рожевого кольору. Гібридні орбіталі, що утворюють сигма-зв'язок, — це вкладені одна в одну «гантелі» жовтого та зеленого кольору. На периферії можна побачити слабкі (сині) залишки електронної хмарки. Пряме пікоскопічне зображення сигма-зв'язків в графіті та графені[8], та в алмазі[9] .

Пі-зв'язок[ред. | ред. код]

Пряме пікоскопічне зображення пі-зв'язків в графіті (роздільна здатність 10 пікометрів). Атоми вуглецю (жовтий), хімічні зв’язки sp2 (зелений, провідник), слабкі пі-зв’язки (синій, напівпровідник) та шар ізолятора з нульовою провідністю (чорний).

Пряме пікоскопічне зображення пі-зв'язків[10], отримане шляхом денситометрії електронної хмарки з роздільною здатністю 10 пікометрів[11]. На фото відображені шари кристалічного графіту та наведена шкала густини електронної хмарки. Шари кристалічного графіту складаються з атомів вуглецю жовтого кольору, густина електронної хмарки 100%. Атоми вуглецю з'єднані ковалентними сігма-зв’язками, що утворюються внаслідок перекриття sp2 орбіталей атомів вуглецю, зелені, густина 50%. Поєднує шари графіту система слабких пі-зв’язків. Як видно з фото, пі-зв’язки мають форму витягнутих пелюстків бірюзового кольору, густина 20%, які тягнуться від одного шару до іншого під кутом 66°. Пі-зв’язки розділяє вільний від електронних хмарок простір чорного кольору, густина 0%. Утворені зв'язуючі молекулярні орбіталі є антисиметричними, що відповідає їх визначенню, яке наведено вище. На фото видно, що кожен пі-зв'язок сильно пов’язаний з одним атомом (густина 40%, зелений колір) і слабо пов’язаний з іншим (густина 10%, сірий колір).

Іонний зв'язок – Пентан[ред. | ред. код]

Пікоскопічне зображення молекули пентану та її анімація [3].

Пента́н — органічна сполука з формулою C5H12 — тобто алкан з п'ятьма атомами Карбону. Термін може вказувати на будь-який з трьох структурних ізомерів (пентани), або їх суміш, але згідно номенклатури ІЮПАК, пентан позначає тільки n-пентан; інші два називаються ізопентан[en] (метилбутан) і неопентан (диметилпропан). Циклопентан не є ізомером пентану, бо має лише 10 атомів Гідрогену. Пікоскопічне зображення молекули н-пентану[12] (роздільна здатність 10 пікометрів), отримане шляхом денситометрії електронної хмарки [13]. На зображенні видно всі п'ять атомів вуглецю з відповідною просторовою геометрією. Атомів водню на пікоскопічному зображенні [3] нема тому, що іонний зв'язок, це повна передача електрона від одного атома до іншого з утворенням іона. Іоном атома водню є протон. Тобто, іон водню повністю позбавлений електронної хмарки на що вказує список ступенів окислення хімічних елементів заснований на таблиці Грінвуда. [14], що й передає пряме пікоскопічне зображення та анімація. Практичним підтвердженням цього факту є ступінь окиснення, яка при хімічній взаємодії атомів водню завжди дорівнює +1. Схематично це має такий вигляд: C + 1e- = C-; H — 1e- = H+. В результаті у водню зникає електронна хмарка і залишається лише ядро атому.

Різновиди вуглецю[ред. | ред. код]

Вуглецеві нанотрубки

Пікоскопічне зображення двошарової нанотрубки, отримане шляхом денситометрії електронної хмарки (роздільна здатність 10 пікометрів)[3].

Вуглеце́ві або карбонові нанотру́бки — протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох мікронів, складаються з однієї або декількох згорнутих у трубку гексагональних графітових площин (графенів) і закінчуються зазвичай півсферичною головкою. Відношення довжини до діаметра у нанотрубок сягає 132 000 000: 1, що значно більше, ніж у будь-якого іншого матеріалу.

Синоніми — волокнистий вуглець, каталітичний філаментарний вуглець, волокнистий піровуглець, нановолокна вуглецю.

Графіт[ред. | ред. код]

Пряме пікоскопічне зображення монокристалічного графіту (роздільна здатність 10 пікометрів). Атоми вуглецю (жовтий), хімічні зв’язки sp2 (зелений, провідник), слабкі пі-зв’язки (синій, напівпровідник) та шар ізолятора з нульовою провідністю (чорний).

Графі́т (від грец. γραφο — писати) — мінерал класу самородних напівметалів, найстійкіший у земній корі кристалічний різновид вуглецю. Пряме пікоскопічне зображення монокристалічного графіту[15] (роздільна здатність 10 пікометрів), отримане шляхом денситометрії електронної хмарки[16]. Зображені шари від з боку. Праворуч наведено шкалу густини електронної хмарки в процентах. Атоми вуглецю мають зелений колір, що відповідає великій густини електронної хмарки від 80% і до 100% в ценрі атому. Сусідні атоми вуглецю в площині шару пов'язані сігма-зв'язками, утвореними в результаті перекривання sp2-орбіталей атомів вуглецю на зображенні мають зелений колір, електронна густина 50%. Відповідно до масштабної лінійки, атоми в площіні розташовані на відстані порядка 140 пікометрів. Відстань між шарами складає 340 пікометрів. Простір між шарами в основному має чорний колір, - електронна хмара відсутня. Але від кожного атома вуглецю, в той чи інший бік, тягнется пелюсток р-орбіталі блакитного кольору, електронна густина 20%. Це пі-зв'язок, який утворює електронну хмару пов'язану з одним шаром, але розірвану з іншим. Ця розірваність обумовлює слабку провідність між шарами та ковзання шарів один до одного. Але, як показано на прямому пікоскопічному зображенні в роботі[17], з певних обставин, пелюстки р-орбіталей з сусідніх шарів можуть з'эднуватись. При цьому створюється sp3-орбіталі і графіт перетворюється на алмаз.

Нові матеріали[ред. | ред. код]

Фото електронних хмарок: a) руденіт — надщільна алотропна форма вуглецю з двошаровою алмазоподібною структурою, шари на відстані 100 пм; b) графіт — шари на відстані 340 пм. В одному масштабі. Праворуч наведено шкалу електронної густини хмарок.

Руденіт (англ. Rudenite, рос. Руденит) — надщільна алотропна форма вуглецю з двошаровою алмазоподібною структурою.

Одиниці довжини Ангстрем[ред. | ред. код]

Примітки[ред. | ред. код]

  1. ↑ Kucherov, Olexandr (2022). Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry. Applied Functional Materials. 2 (1): 36—43.
  2. ↑ Давидов О. С. Квантова механіка. — К. : Академперіодика, 2012. — 706 с.
  3. ↑ а б в г Кучеров, О.П.; Лавровський, С.Є. (2022). Видимий атом (PDF). Інформаційні технології та спеціальна безпека. 8 (1): 29—62.
  4. ↑ [Архівовано 9 листопада 2016 у Wayback Machine.] // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
  5. ↑ Kucherov, O.; Rud, A.; Gubanov, V.; Biliy, M. (2020). Spatial 3d Direct Visualization of Atoms, Molecules and Chemical Bonds. American Journal of Applied Chemistry. 8 (4): 94—99. doi:10.11648/j.ajac.20200804.11.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  6. ↑ а б Kucherov, O. P.; Rud, A. D. (2018). Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 674 (1): 40—47. doi:10.1080/15421406.2019.1578510.
  7. ↑ а б Кучеров А.П., Лавровский С.Е. (2018). Пикоскопия - прямая визуализация молекул (PDF). Інформаційні технології та спеціальна безпека (№ 4): 12—41. Архів оригіналу (PDF) за 16 квітня 2021. Процитовано 20 квітня 2021.(рос.)
  8. ↑ Kucherov O. P. , A. D. Rud A. D. Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry // Molecular Crystals and Liquid Crystals. — 2018. — Т. 1, № 10. — С. 40—47. DOI: 10.1080/15421406.2019.1578510 (англ.)
  9. ↑ Kucherov O., Rud A., Gubanov V., Biliy M. Spatial 3d Direct Visualization of Atoms, Molecules and Chemical Bonds // American Journal of Applied Chemistry. — 2020. — Т. 8, № 4. — С. 94—99. DOI: 10.11648/j.ajac.20200804.11 (англ.)
  10. ↑ Kucherov O. P. , A. D. Rud A. D. Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry // Molecular Crystals and Liquid Crystals. — 2018. — Т. 1, № 10. — С. 40—47. DOI:10.1080/15421406.2019.1578510 (англ.)
  11. ↑ Кучеров А.П., Лавровский С.Е. Пикоскопия - прямая визуализация молекул // Информаційнї технології та спеціальна безпека. — 2018. — № 4. — С. 12—41. (рос.) https://science-ua.com/gallery/maketn2-1.pdf#page=12
  12. ↑ Кучеров А.П., Лавровский С.Е. (2018). Пикоскопия - прямая визуализация молекул (PDF). Інформаційні технології та спеціальна безпека (№ 4): 12—41 (рос.).
  13. ↑ Kucherov O. P. , A. D. Rud A. D. (2018). Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1 (10): 40—47. doi:10.1080/15421406.2019.1578510. (англ.)
  14. ↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, A. Chemistry of the. — 2-е изд. — Oxford : Butterworth-Heinemann, 1997. — С. 28. — ISBN 0080379419.
  15. ↑ Kucherov O. P., A. D. Rud A. D. Direct visualization of individual molecules in molecular crystals by electron cloud densitometry // Molecular Crystals and Liquid Crystals. — 2018. — Т. 1, № 10. — С. 40—47. DOI:10.1080/15421406.2019.1578510 (англ.)
  16. ↑ Кучеров А.П., Лавровский С.Е. Пикоскопия - прямая визуализация молекул // Информаційнї технології та спеціальна безпека. — 2018. — № 4. — С. 12—41. (рос.) https://science-ua.com/gallery/maketn2-1.pdf#page=12
  17. ↑ Kucherov O., Rud A., Gubanov V., Biliy M. Spatial 3d Direct Visualization of Atoms, Molecules and Chemical Bonds // American Journal of Applied Chemistry. — 2020. — Т. 8, № 4. — С. 94—99. DOI: 10.11648/j.ajac.20200804.11(англ.)
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Користувач:Samsiq/пісочниця&oldid=42022960