Периодические системы малых молекул

Периодические системы молекул — это диаграммы молекул, подобные периодической таблице элементов. Построение таких диаграмм было начато в начале 20 века и продолжается до сих пор.

Обычно считается, что периодический закон , представленный периодической таблицей, отражается в поведении молекул , по крайней мере, малых молекул. Например, если заменить любой из атомов в трехатомной молекуле атомом инертного газа , то произойдет резкое изменение свойств молекулы. Несколько целей могут быть достигнуты путем построения явного представления этого периодического закона, как он проявляется в молекулах: (1) схема классификации для огромного числа существующих молекул, начиная с малых, имеющих всего несколько атомов, для использования в качестве учебного пособия и инструмента для архивирования данных, (2) прогнозирование данных для молекулярных свойств на основе схемы классификации, и (3) своего рода единство с периодической таблицей и периодической системой фундаментальных частиц . [1]

Физические периодические системы молекул

Периодические системы (или диаграммы или таблицы) молекул являются предметом двух обзоров. [2] [3] Системы двухатомных молекул включают системы (1) HDW Clark, [4] [5] и (2) F.-A. Kong, [6] [7], которые несколько напоминают атомную диаграмму. Система R. Hefferlin et al. [8] [9] была разработана из (3) трехмерной в (4) четырехмерную систему Кронекеровского произведения элементной диаграммы с самой собой.

( Л я Б е Н а М г ) ⊗ ( Л я Б е Н а М г ) = ( Л я 2 Л я Б е Б е Л я Б е 2 Л я Н а Л я М г Б е Н а Б е М г Н а Л я Н а Б е М г Л я М г Б е Н а 2 Н а М г М г Н а М г 2 ) {\displaystyle {\begin{pmatrix}{\rm {Li}}&{\rm {Be}}\\{\rm {Na}}&{\rm {Mg}}\end{pmatrix}}\otimes {\begin{pmatrix}{\rm {Li}}&{\rm {Be}}\\{\rm {Na}}&{\rm {Mg}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\rm {Li_{2}}}&{\rm {LiBe}}&{\rm {BeLi}}&{\rm {Be_{2}}}\\{\rm {LiNa}}&{\rm {LiMg}}&{\rm {BeNa}}&{\rm {BeMg}}\\{\rm {NaLi}}&{\rm {NaBe}}&{\rm {MgLi}}&{\rm {MgBe}}\\{\rm {Na_{2}}}&{\rm {NaMg}}&{\rm {MgNa}}&{\rm {Mg_{2}}}\\\end{pmatrix}}}
Произведение Кронекера гипотетической четырехэлементной периодической таблицы. Шестнадцать молекул, некоторые из которых избыточны, предполагают гиперкуб, который, в свою очередь, предполагает, что молекулы существуют в четырехмерном пространстве; координаты — это номера периодов и номера групп двух составляющих атомов. [10]

Совершенно иной тип периодической системы — (5) период Г. В. Жувикина [11] [12] , основанный на групповой динамике . Во всех случаях, кроме первого, другие исследователи внесли неоценимый вклад, и некоторые из них являются соавторами. Архитектуры этих систем были скорректированы Конгом [7] и Хефферлином [13] для включения ионизированных видов и расширены Конгом [7] , Хефферлином [9] и Жувикиным и Хефферлином [12] до пространства трехатомных молекул. Эти архитектуры математически связаны с таблицей элементов. Сначала их называли «физическими» периодическими системами. [2]

Химические периодические системы молекул

Другие исследователи сосредоточились на построении структур, которые относятся к определенным видам молекул, таким как алканы (Морозов); [14] бензоиды (Диас); [15] [16] функциональные группы , содержащие фтор , кислород , азот и серу (Хаас); [17] [18] или комбинацию заряда ядра , числа оболочек, окислительно-восстановительных потенциалов и кислотно-основных тенденций (Горский). [19] [20] Эти структуры не ограничиваются молекулами с заданным числом атомов и мало похожи на таблицу элементов; их называют «химическими» системами. Химические системы начинаются не с таблицы элементов, а вместо этого начинаются, например, с перечислений формул (Диас), закона смещения гидрида Гримма (Хаас), кривых приведенного потенциала (Йенц), [21] набора молекулярных дескрипторов (Горский) и подобных стратегий.

Гиперпериодичность

Е. В. Бабаев [22] построил гиперпериодическую систему, которая в принципе включает в себя все описанные выше системы, за исключением систем Диаса, Горского и Йенца.

Основы таблицы элементов и периодических систем молекул

Периодическая таблица элементов, как маленькая табуретка, поддерживается тремя ножками: (a) атомная модель Бора - Зоммерфельда « солнечной системы » (со спином электрона и принципом Маделунга ), которая обеспечивает элементы с магическими числами, которые заканчивают каждую строку таблицы, и дает количество элементов в каждой строке, (b) решения уравнения Шредингера , которые предоставляют ту же информацию, и (c) данные, предоставленные экспериментом, моделью солнечной системы и решениями уравнения Шредингера. Модель Бора-Зоммерфельда не следует игнорировать: она дала объяснения богатству спектроскопических данных, которые уже существовали до появления волновой механики.

Каждая из молекулярных систем, перечисленных выше, и тех, которые не упомянуты, также поддерживается тремя опорами: (a) физические и химические данные, организованные в графические или табличные шаблоны (которые, по крайней мере для физических периодических систем, отражают внешний вид таблицы элементов), (b) групповая динамика, валентные связи, молекулярные орбитали и другие фундаментальные теории, и (c) суммирование атомного периода и номеров групп (Конг), произведение Кронекера и использование высших измерений (Хефферлин), перечисления формул (Диас), принцип смещения водорода (Хаас), кривые приведенного потенциала (Йенц) и аналогичные стратегии.

Хронологический список вкладов в эту область [3] содержит почти тридцать записей, датированных 1862, 1907, 1929, 1935 и 1936 годами; затем, после паузы, более высокий уровень активности, начиная со 100-летия публикации Менделеевым своей таблицы элементов, 1969. Многие публикации по периодическим системам молекул включают некоторые предсказания молекулярных свойств, но начиная с рубежа веков были серьезные попытки использовать периодические системы для предсказания все более точных данных для различного числа молекул. Среди этих попыток были попытки Конга [7] и Хефферлина [23] [24]

Свернутая система координат для трехатомных молекул

Система свернувшихся координат имеет три независимых переменных вместо шести, требуемых системой произведений Кронекера. Редукция независимых переменных использует три свойства трехатомных молекул в газовой фазе, в основном состоянии. (1) В общем, независимо от общего числа составляющих атомных валентных электронов, данные для изоэлектронных молекул, как правило, более схожи, чем для соседних молекул, которые имеют больше или меньше валентных электронов; для трехатомных молекул число электронов является суммой номеров атомных групп (суммой номеров столбцов от 1 до 8 в p-блоке периодической таблицы элементов, C1+C2+C3). (2) Линейные/изогнутые трехатомные молекулы кажутся немного более стабильными, при прочих равных параметрах, если центральным атомом является углерод. (3) Большинство физических свойств двухатомных молекул (особенно спектроскопические константы) являются почти монотонными по отношению к произведению двух номеров атомного периода (или ряда) , R1 и R2; для трехатомных молекул монотонность близка к R1R2+R2R3 (что сводится к R1R2 для двухатомных молекул). Следовательно, координаты x, y и z свернутой системы координат равны C1+C2+C3, C2 и R1R2+R2R3. Многократные регрессионные предсказания четырех значений свойств для молекул с табличными данными очень хорошо согласуются с табличными данными (меры ошибок предсказаний включают табличные данные во всех случаях, за исключением нескольких). [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Чунг, Д.-Й. (2000). «Периодическая таблица элементарных частиц». arXiv : physics/0003023 .
  2. ^ аб Хефферлин Р. и Бердик Г.В. 1994. Физические и химические периодические системы Молекул, Журнал Общей Химии, том. 64, стр. 1870–1885. Английский перевод: «Периодические системы молекул: физические и химические». Расс. J. Gen. Chem . 64 : 1659–1674.
  3. ^ ab Хефферлин, Р. 2006. Периодические системы молекул, стр. 221 и далее, в Бэрд, Д., Шерри, Э. и Макинтайр, Л. (ред.) «Философия химии, синтез новой дисциплины», Springer, Дордрехт ISBN 1-4020-3256-0 . 
  4. ^ Кларк, CHD (1935). «Периодические группы негидридных диатомов». Trans. Faraday Soc . 31 : 1017–1036. doi :10.1039/tf9353101017.
  5. ^ Кларк, CHD (1940). «Систематика констант полосового спектра. Часть V. Взаимосвязи энергии диссоциации и равновесного межъядерного расстояния двухатомных атомов в основных состояниях». Trans. Faraday Soc . 36 : 370–376. doi :10.1039/tf9403500370.
  6. ^ Конг, Ф (1982). «Периодичность двухатомных молекул». J. Mol. Struct . 90 : 17–28. Bibcode :1982JMoSt..90...17K. doi :10.1016/0022-2860(82)90199-5.
  7. ^ abcd Конг, Ф. и Ву, В. 2010. Периодичность двухатомных и трехатомных молекул, Материалы конференции Семинара по математической химии Америки 2010 года.
  8. ^ Хефферлин, Р., Кэмпбелл, Д. Гимбел, Х. Кульман и Т. Кэйтон (1979). «Периодическая таблица двухатомных молекул — I алгоритм поиска и прогнозирования спектрофизических свойств». Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer . 21 (4): 315–336. Bibcode :1979JQSRT..21..315H. doi :10.1016/0022-4073(79)90063-3.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ ab Hefferlin, R (2008). «Периодические системы продуктов Кронекера малых молекул газовой фазы и поиск порядка в атомных ансамблях любой фазы». Comb. Chem. High Throughput Screen . 11 (9): 690–706. doi :10.2174/138620708786306041. PMID  18991573.
  10. ^ Гэри В. Бердик и Рэй Хефферлин, «Глава 7. Расположение данных в четырехмерной периодической системе двухатомных молекул», в книге Михая В. Путца, Ред., Химическая информация и вычислительные проблемы в 21 веке, NOVA, 2011, ISBN 978-1-61209-712-1 
  11. ^ Жувикин, Г.В. и Р. Хефферлин (1983). «Периодическая система двухатомных молекул: Теоретико-групповой подход, Вестник Ленинградского университета» (16): 10–16. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  12. ^ ab Carlson, CM, Cavanaugh, RJ, Hefferlin, RA, and of Zhuvikin, GV (1996). «Периодические системы молекулярных состояний из динамики бозонных групп SO(3)xSU(2)s». Chem. Inf. Comput. Sci . 36 : 396–398. doi :10.1021/ci9500748.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  13. ^ Хефферлин, Р.; и др. (1984). «Периодические системы молекул с N-атомами». J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer . 32 (4): 257–268. Bibcode : 1984JQSRT..32..257H. doi : 10.1016/0022-4073(84)90098-0.
  14. ^ Морозов, Н. 1907. Строения вещества, Издание И. Д. Сытиной, Москва.
  15. ^ Диас, Дж. Р. (1982). «Периодическая таблица полициклических ароматических углеводородов. Перечисление изомеров конденсированных полициклических ароматических углеводородов». Chem. Inf. Comput. Sci . 22 : 15–22. doi :10.1021/ci00033a004.
  16. ^ Диас, Дж. Р. (1994). «От бензоидов к фуллеринам и алгоритмы Circumscribing и Leapfrog». New J. Chem . 18 : 667–673.
  17. ^ Хаас, А. (1982). «Новый принцип классификации: периодическая система функциональных групп». Chemiker-Zeitung . 106 : 239–248.
  18. ^ Хаас, А. (1988). «Das Elementverscheibungsprinzip und siene Bedeutung Fur die Chemie der p-Block Elemente». Контакте (Дармштадт) . 3 :3–11.
  19. ^ Горски, А (1971). «Морфологическая классификация простых видов. Часть I. Основные компоненты химической структуры». Roczniki Chemii . 45 : 1981–1989.
  20. ^ Горски, А (1973). «Морфологическая классификация простых видов. Часть V. Оценка структурных параметров видов». Roczniki Chemii . 47 : 211–216.
  21. ^ Jenz, F (1996). «Метод приведенной потенциальной кривой (RPC) и его применение». Int. Rev. Phys. Chem . 15 (2): 467–523. Bibcode : 1996IRPC...15..467J. doi : 10.1080/01442359609353191.
  22. ^ Бабаев, Э.В. и Р. Хефферлин 1996. Концепции периодичности и гиперпериодичности: от атомов к молекулам, в книге Руврэ, Д.Х. и Кирби, Э.К., «Концепции в химии», Research Studies Press Limited, Тонтон, Сомерсет, Англия.
  23. ^ Хефферлин, Р. (2010). «Частоты колебаний с использованием наименьших квадратов и нейронных сетей для 50 новых s- и p-электронных диатомитов». Quant. Spectr. Radiat. Transf . 111 (1): 71–77. Bibcode :2010JQSRT.111...71H. doi :10.1016/j.jqsrt.2009.08.004.
  24. ^ Хефферлин, Р. (2010). «Межъядерные разделения с использованием наименьших квадратов и нейронных сетей для 46 новых s- и p-электронных двухатомных молекул». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  25. ^ Карлсон, К., Гилкесон, Дж., Линдерман, К., ЛеБланк, С. Хефферлин, Р. и Дэвис, Б. (1997). «Оценка свойств трехатомных молекул из табличных данных с использованием метода наименьших квадратов». Croatica Chemica Acta . 70 : 479–508.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Периодические_системы_малых_молекул&oldid=1202551131"