Физические поля Земли

Физические поля Земли включают гравитационноее, магнитное, и тепловое поле. Физические поля Земли охватывают не менее 2 млн км. Эти пределы определяются гравитационными и электромагнитными полями.

Гравитационное поле Земли составляет две сферы:

1. Сфера Хилла, радиус этой сферы составляет около 1 500000 км и определяет расстояние, на котором могут двигаться тела, оставаясь спутниками Земли.

2. Сфера, радиус которой 260000 км, в пределах которого земное притяжение превышает солнечное.

Гравитационные взаимодействия Солнца, а также и других планет на земную орбиту вызывают вековые возмущения колебательного характера, которые существенно влияют на состояние биосферы и человека.

Гравитационное поле Земли определяет силу тяжести на поверхности. Ускорение свободного падения на Земле различается в зависимости от распределения плотности пород, неровности поверхности для конкретной местности. Отклонения силы тяжести в данном месте от теоретических значений называют гравитационными аномалиями. В среднем значения ускорения свободного падения изменяются от 9,78 м/сек² (на полюсах) до 9,83 м/сек² (на экваторе). Эти значения рассчитаны для формы Земли, как сфероида, что не совсем точно.

Магнитное поле Земли, как показали исследования, выполненные с помощью ракет и спутников, простирается на

расстояние около десяти земных радиусов (1 00-200 тыс. км), где его напряженность практически сравнивается с напряженностью межпланетного магнитного поля.

Напряженность магнитного поля на поверхности Земли неодинакова. В полярных областях она достигает 8^.1 0^-3 -9^.1 0^-3 А/м, а на экваторе напряженность уменьшается до 5^.1 0^-3 А/м. По мере удаления от Земли напряженность уменьшается пропорционально кубу расстояния.

Тепловое поле Земля имеет как всякое нагретое тело. Факторы, обусловливающие нагревание Земли делятся на внешние (солнечная энергия, приливное трение, космическое излучение) и внутренние (теплопередача из глубины Земли, термальные воды, вулканизм, землетрясения, хозяйственная деятельность человека). Основным источником теплового поля является Солнце. Земля получает одну двухмиллиардную часть теплового потока Солнца. На верхнюю границу приходит тепловой поток, равный 1 370 Дж/м², что соответствует сжиганию 1 млрд т нефти.

Температура на поверхности Земли колеблется в достаточно больших пределах. Самая низкая температура зарегистрирована в Антарктиде на станции Восток -89^о С, а самая высокая - в Триполи (Северная Африка) +58^о С.

С увеличением глубины в литосфере и гидросфере колебания температуры уменьшаются. Глубина, на которой температура практически не меняется, называется слоем постоянных температур. Наличие такого слоя объясняет образование вечной мерзлоты.

По мере образования твердой оболочки планеты Земля и ее остывания, создавались условия для образования различных химических соединений, а далее и других форм, в том числе и живых организмов. Особая роль в этом процессе принадлежит химии и химической эволюции.

Химическая эволюция

Химию обычно рассматривали как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить

свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того чтобы понять, что именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. Поэтому, несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии, по сути дела, до открытия в 1 869 г. Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (1834-1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, а следовательно, представить все наличное знание как систему теоретической химии.

Было бы, однако, неправильно не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, или носителей, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Р. Бойля (1627-1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе. Этот первый концептуальный уровень можно назвать уровнем исследования различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с той концепцией атомизма, о которой ранее шла речь. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которой пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

Второй концептуальный уровень познания свойств связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент и производственная практика

убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от их структуры Именно поэтому в познании и использовании химических явлении необходимо было учитывать структуру, т.е. характер взаимодействия составных элементов вещества.

Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакции и некоторые другие. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.

Наконец, четвертый концептуальный уровень, являющийся дальнейшим развитием предыдущего уровня, связан с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

Для определения свойств веществ необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Упоминавшееся выше определение Р. Бойля элемента как «простого тела», а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами веществ, не достигали этой цели. В самом деле, ни сам Р. Бойль, ни его сторонники не имели ясного представления о «простом веществе» и поэтому принимали за него, по сути дела химическое соединение. Так, например, железо, медь и другие известные в то время металлы они рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их прокаливании, - за простое тело. Теперь мы знаем, что окалина, или оксид металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т.е. это сложное тело. Такое ошибочное представление было навязано ученым господствовавшей в то время ложной гипотезой флогистона, согласно которой сложные тела состоят из соответствующего элемента и особого «невесомого тела» - флогистона. Эта гипотеза была опровергнута известным французским химиком Антуаном Лавуазье (1743-1794) после открытия кислорода и выявления его роли в процессах окисления и горения. Он же первый

предпринял попытку систематизации открытых к тому времени химических элементов, хотя при этом отнес к ним и некоторые химические соединения (известь, магнезию и др.). А. Лавуазье считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его время реакции разложения. Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную концептуальную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Великая заслуга Д.И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических знаний. В качестве системообразующего фактора, или «неизменного общего в изменяемом и частном», он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом, он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками, и свойства их оказались такими, какие предсказал Д.И. Менделеев. Благодаря этому его периодическая система получила широкое признание в научном мире. Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от их атомного номера, определяемого зарядом ядра. Атомный же вес является средним арифметическим величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по своей массе. Тем самым была решена и проблема химического элемента, которая с XVIII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, (хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не выражаются целыми числами).

С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом? Еще в начале XIX в. по этим вопросам возникла острая дискуссия между известными французскими химиками Ж. Прустом (1754-1826) и К. Бертолле (1748-1822). Пруст считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, неизменным составом, и это свое убеждение сформулировал в виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Д. Дальтон (1 766­1 844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество -простое или сложное - состоит из мельчайших частиц -молекул, которые, в свою очередь, образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества как кислород (О₂) образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода Н₂О представляет собой жидкость, а образована она из двух газов - водорода и кислорода. Важно подчеркнуть, что каким бы способом она или другое химическое соединение ни были получены, они всегда будут иметь тот же самый состав. Долгое время закон постоянства состава считался «абсолютной» истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже К. Бертолле указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава, в частности, в школе известного русского физико-химика Н.С. Курнакова (1860-1940), которые он назвал бертоллидами в честь К. Бертолле. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения, например, соединения двух металлов. Химики открыли другие соединения переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают молекулярным строением. Однако такой вывод оказался неубедительным с точки зрения современных научных представлений о строении атомов и молекул. Было установлено, что постоянство и непостоянство состава химических соединений являются внешней их характеристикой и сами нуждаются в дальнейшем анализе. Такой анализ показывает, что природа соединения, т.е. характер связи атомов в его молекуле, зависит от их химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных электронов. В связи с этим изменилось и само классическое понятие молекулы, хотя основное его содержание сохранилось: молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также другие разнообразные квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). Таким образом, в свете современных физических представлений исчезает не только прежнее резкое противопоставление химических соединений постоянного состава как обладающих молекулярным строением и соединений переменного состава, лишенных этого строения, но и отождествление химического соединения со сложным веществом, состоящим из нескольких элементов. В принципе соединение может состоять и из одного элемента. Характер любой системы, как известно, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходилось заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия между элементами химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействия между их элементами. В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому, когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершен-ствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от весьма общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью систематических химических экспериментов. Если, например, по мнению известного шведского химика Й. Берцелиуса (1779-1848), структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или атомных групп, то французский химик Ш. Жерар (1816-1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер такого представления. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность, или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали практических указаний, как применить их для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами. Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтеза новых веществ предпринял известный немецкий химик Ф. Кекуле (1829-1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его сродства. На этой основе и возникли те структурные формулы, которыми с определенными модификациями пользуются при изучении органической химии в школе. В этих формулах элементы связывались с друг другом по числу единиц их сродства, или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это составляет важнейшую задачу химической науки. Дальнейший шаг эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828-1886), который хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения, или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи А.М. Бутлерова нашли не только широкое применение в практике химического синтеза, но и получили свое обоснование в квантовой механике. Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей, или элементов, а с другой - установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет свойства молекулы. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций.

К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов а других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений. Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Меньшее влияние оказывают на реакции такие термодинамические факторы, как температура и давление. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось получить с помощью ни большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось

преодолеть после того, когда был использован металлорганический катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре (18 °С) и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но в будущем такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), когда они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе. Не приводя более примеров о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами. Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично - практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, т.е. на предбиотической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники В.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако, в отличие от самоорганизации открытых физических систем, в указанных химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например, напрямую связывают химическую эволюцию с

самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более чем ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.

Таким образом, в общем контексте естественно-научного знания химия занимает особое положение. Дело в том, что она непосредственно связана с физикой, биологией и вместе с ними выходит на изучение всей физико-химико-биологической цепи единого мирового (природного) процесса. Такая высокая общность объекта химии делает эту науку не только специальной областью знания, но и междисциплинарной, по-своему комплексной. Появление биохимии, геохимии, космохимии, физической химии свидетельствует о широком включении «материнской» науки в общеприродный научный комплекс.

Химическая реальность имеет свою ярко выраженную специфику: на уровне химической формы движения материи возникают зачатки живого. Исследование сущности, направленности и закономерностей химической эволюции позволяет соответствующей науке проследить не только образование предбиологических систем, но и выяснить, каким образом и при каких усло-виях появляется жизнь. Внутри самой химической формы движения материи также происходят изменения от низшего к высшему, от простого к сложному, от неорганической ступени химичес-кого движения к органической и далее к химико-биологической. Химическое взаимодействие начинается с того момента, когда выступает на первый план взаимодействие превращающихся друг в друга физических форм движения, пока, наконец, не будет достигнут тот пункт, с которого начинает давать себя знать химическое сродство, когда химически индифферентные до тех пор элементы дифференцируются один за другим, приобретают химические свойства и вступают друг с другом в соединения.

В современной химии теория в основном базируется на физическом фундаменте; это происходит во многом за счет того, что атомный уровень вещества относится и к физической, и к химической формам движения материи. Область физической формы движения материи сводится здесь к уровню элементарных частиц, ядерному и некоторым аспектам более высокого (атомного) уровня.

Атом представляет собой сложную систему взаимодействующих элементарных частиц, состоит из ядра, образованного нуклонами (протонами и нейтронами), и электронов. В содержание понятия атомной частицы включается как изолированный атом, так и атомный, т.е. одноатомный, ион, атомный радикал, атомный ион-радикал, образующийся как результат ионизации или возбуждения атома. Атомная частица является исходным уровнем химической формы движения материи, и усложнение ее направлено к образованию различных атомных ассоциатов. Атомные (А...А), атомно-радикальные (А...А.), радикал-радикальные (А.... А.) ассоциаты образуются при высоких температурах.

Область химической формы движения материи начинается с атомного уровня, потом переходит к молекулярному, а затем к уровню полимеров (высокомолекулярных соединений). Получается, что атомный уровень является высшим для физической формы движения материи и низшим - для химической. Свойства атомов как химических элементов изучает химия, а состав и строение атомов - физика.

Химическую форму движения материи можно представить в виде иерархии структурных уровней в порядке возрастания их сложности: атомная, молекулярная, макромолекулярная и различные надмолекулярные. На уровне химической формы движения материи имеются различные химические частицы, являющиеся материальными носителями разновидностей химического движения. Между ними существует такое взаимодействие атомов, при котором сами атомы радикально не изменяются, изменяются лишь их электронные оболочки за счет перегруппировки валентных электронов, но в то же время значительно изменяется порядок их взаимосвязи в молекулах, радикалах, соединениях.

Среди химических частиц, образующих структурные уровни химической формы движения материи, необходимо выделить

молекулярные ассоциаты и агрегаты как наиболее сложные образования результата взаимодействия атомных и молекулярных частиц. Ассоциаты существуют чаще всего в газообразном состоянии и в растворах, агрегаты - в твердом и жидком состоянии. К атомно-молекулярным агрегатам относятся кристаллы: молекулярные, ионные, атомные, металлические. В процессе возникновения атомно-молекулярных агрегатов происходит образование новой фазы с надмолекулярной (кристаллической) структурой. Наиболее сложными молекулярными частицами считаются молекулярные ассоциаты высших порядков, как, например, белки, которые состоят из нескольких различных по природе надмолекулярных структур. Надмолекулярная структура атомно-молекулярных частиц по сравнению с молекулярной структурой характеризуется большей сложностью состава и симметрии. Надмолекулярная структура образуется в системах из двух или большего числа молекул со слабыми взаимодействиями между ними. В белках, нуклеиновых кислотах, полисахаридах суммарные силы связи между молекулярными структурами оказываются очень большими.

Усложнение вещества можно представить следующим образом: элементарные частицы — атомные частицы — молекулярные частицы — ассоциаты — агрегаты.

Химическая форма движения материи как главная существует в единстве с физической, подчиненной ей. Но при переходе на уровень органической жизни химические процессы занимают место подчиненных форм. В связи с этим для главной формы движения материи характерен такой материальный носитель, без которого ее существование будет невозможным. Например, в процессах, происходящих на уровне неорганической химии, подобными носителями являются атомы. При их отсутствии химические изменения невозможны, хотя они могут происходить не только на уровне атомов, но и молекул, и макротел. Таким образом, химия изучает качественное многообразие материальных носителей химических явлений, химической формы движения материи. Несмотря на то, что структурно химия пересекается в определенных областях и с физикой, и с биологией, она, тем не менее, сохраняет свою специфику. При этом специфически объективным основанием выделения химии является признание наличия специфической химической формы движения материи, связанной с ее носителем - атомными частицами. Представления химии не исчерпываются на каком-то одном уровне знания, каждый из них имеет свою специфику и во многом зависит от исследователя.

Высшее возникает в результате развития низшего на основе возможностей, заложенных в нем. Часто высшее познается через изучение низшего, т.е. той основы, на которой оно строится. Применение методов квантовой механики в химии ознаменовало новый этап в познании тайн вещества. Стало возможным рассчитывать энергию связей молекулы, выявлять пространственное расположение атомов, распределение электронной плотности, физического механизма химических превращений и т.д.

Интеграция физики и химии оказала влияние не только на дальнейшее развитие химии, но и стала для физики генератором идей при исследованиях в области ядерной физики. Электронная теория вещества изучает атомные ядра и электроны, т.е. частицы субатомного уровня материи. Это дает возможность более четко и во многих случаях количественно характеризовать многие важные моменты, которые установлены уже в рамках классической теории строения. Тем не менее как новый, более высокий этап познания структуры вещества теория электронной структуры вырабатывает ряд понятий и положений, которые либо отсутствовали, либо только намечались в классической теории. Электронное строение лежит в основе учения о валентности. Теория валентности включает в себя несколько методов описания образования химических связей (методы молекулярных орбиталей, валентных связей и теорию поля лигандов). Теория валентности явилась новым качественным этапом в познании тайн материи в основном благодаря применению методов квантовой механики, а квантовая теория стала теорией и физики, и химии. Квантовая химия представляет собой основу всей современной химической науки, поскольку исходит прежде всего из химических представлений о веществе как совокупности связанных между собой атомов, характеристики которых изменяются при формировании химических связей между ними. Поэтому одна из основных задач квантово-механического исследования - валентность, определение того, насколько отличается связанный атом в соединении от свободного атома и к каким последствиям в свойствах соединения приводят такие различия.

Если более ранние этапы развития химии характеризуются изучением состава вещества и структуры химических соединений, то на современном этапе в центре внимания находится механизм химических превращений. Большие успехи должны быть достигнуты в изучении нестабильных промежуточных частиц и переходного состояния, поскольку исследования в этом направлении позволят перейти на более глубокий уровень в познании законов природы, обеспечивающий возможность выявления качественных особенностей, сущности химических процессов.

Теоретический подход осуществляется методами квантовой химии, экспериментальный - физическими методами, в том числе методом изучения сверхбыстрых процессов. Таким образом, еще раз подтверждается положение о том, что теория в современной химии в основном базируется на физическом фундаменте. Вместе с тем необходимо отметить, что в литературе порой приводится точка зрения, согласно которой химию можно свести к физике, т.е. все химические взаимодействия не отличаются от физических, физика как бы «поглотила» химию, из-за чего последняя якобы потеряла свою специфику. Особенно настойчиво эту точку зрения стали отстаивать после ряда достижений в области квантовой химии.

Процессы взаимодействия физики и химии, интеграции соответствующего научного знания отчетливо прослеживаются во многих методах химической науки и ее теоретических концепциях. Главными методами научного исследования с давних времен и до наших дней в химии стали анализ и синтез в их диалектическом единстве. Ф. Энгельс в «Диалектике природы» сделал пометку на полях: «Химия, в которой преобладающей формой исследования является анализ, ничего не стоит без его противоположности - синтеза». На основе синтеза в химии образуются новые «этажи» объекта исследования. В настоящее время считают, что химический процесс следует рассматривать как единство синтеза (ассоциации) и распада (диссоциации), и, применяя диалектический принцип единства противоположностей, можно познать суть химизма. При исследованиях в химии находят применение явления, обусловленные электронными процессами в веществе. Это оптические и рентгеновские методы; явления, связанные с влиянием химической природы вещества на ядерные процессы. Когда в структурных исследованиях используют явления аннигиляции позитронов, то образование позитрония можно характеризовать как факт проникновения в химию физики элементарных частиц. Макропроцессы, молекулярные и атомные явления, ядерные эффекты на элементарных частицах - все это химическая наука широко использует в своих методах исследования.

Взаимодействие методов познания физики и химии привело к тому, что статистические и динамические характеристики химических явлений исследуются во взаимосвязи, а в каталитических процессах в новом свете предстают положения теории промежуточных (хемосорбционных) соединений в части взаимосвязи физической и химической форм движения и идей о роли непрерывной химической организации вещества.

Применение методов квантовой механики в химической науке позволило изучить глубинный механизм существования как атомов и молекул, так и явлений, протекающих на структурных уровнях материи, выяснить природу химической связи и валентности, дать физическую интерпретацию периодическому закону Д.И. Менделеева. Ему подчиняются все химические изменения.

Химическая форма движения материи включает такие процессы изменения частиц вещества, которые определяются действием периодического закона элементов. Причина периодичности химических свойств заключается в периодичности строения электронных оболочек, где главное значение имеет заполнение последних вместо последовательного заполнения отдельных периодов. Таким образом, выясняется причинная связь между структурой электронной оболочки атомов и периодичностью в системе элементов.

На химическом уровне интерпретации периодической системы прослеживается периодическое изменение свойств элементов от увеличения их атомных весов, а на физическом, атомном или электронном уровне выявляется периодическое повторение определенных типов электронных конфигураций атомов в зависимости от роста зарядов их ядра. Периодический закон оказался ключом к раскрытию сущности новых физических явлений, связанных с радиоактивностью, электроном и лучами Рентгена, а эти физические открытия оказались ключом для проникновения в более глубокую сущность самого периодического закона химических элементов.

Проникновение методов физики в химическую науку позволяет понять более глубинную сущность изучаемых явлений, но при этом сохраняется специфика, свойственная как химии, так и физике. Химия рассматривает химическое взаимодействие, которое состоит в перекрывании электронных орбиталей атомов, в результате чего образуются определенные связи, а физика - физическое как на атомном, так и на молекулярном уровнях.

Взаимное проникновение физики и химии в познании вещества показывает, что окружающий мир в своей основе един и представляет собой единство в многообразии и общее в особенном. Резкой границы между физическими и химическими процессами не существует, а наблюдается их всеобщая связь, отражаемая во взаимосвязи наук (физики и химии), которые их изучают, каждая выявляет их специфику с присущими им особыми свойствами и закономерностями. Нет никаких оснований считать, что применение квантово-механических расчетов в химии сводит ее (химию) к физической форме движения материи. Справедливо подчеркнул Б.М. Кедров, что «даже самые крупные успехи квантовой химии ясно показывают, что до сих пор никак не удается «свести» (в смысле «исчерпать») химическую форму движения к физической, химические закономерности к физическим, в частности к квантово-механическим. Последние обнаруживают свое неоспоримое большое познавательное значение лишь в тех случаях, за редким исключением, когда речь идет об истолковании с физической точки зрения закономерностей, ранее уже найденных химией».

Физическими методами невозможно познать многие закономерности, которые характерны только для химической формы движения материи. Физические свойства и процессы, входящие в сферу действия химической формы движения материи, сохраняют свою относительную самостоятельность и в то же время уже не имеют превалирующего значения, а служат средством возникновения и существования химических связей и соединений. Это свидетельствует о том, что химическая форма движения материи более сложна и совершенна, ее можно назвать высшей по сравнению с физической, а высшее как бы подчиняет низшее.

Многие авторы считают, что атом является низшей границей, исходной основой для химического движения и верхней границей действия физики. С этим можно спорить, но тем не менее именно химическая форма движения определяет (тип химической связи) разнообразие свойств твердых, жидких и газообразных тел. Атомный уровень физической формы движения материи подразделяют на субатомный и молекулярно-физический.

Материальные носители и первого, и второго вида характеризуются гравитационными, электрическими, магнитными свойствами и энергией. Взаимодействия, осуществляемые на физическом уровне движения, могут быть электромагнитными, гравитационными, сильными и слабыми. Скомпенсированность мощных физических сил определяет слабость химических взаимодействий, что обусловливает их подвижность, вариабельность, легкость перестройки молекул, возможность образования чрезвычайно сложно организованных надмолекулярных комплексов. Развитие структурных уровней материи от элементарных частиц к ядру, затем к атому и молекулам, к полимерам и белковым соединениям дает возможность убедиться, что начиная с атомов и по мере дальнейшего усложнения первостепенную роль играют химическое взаимодействие и химические процессы, возникающие на его основе.

При химических превращениях важными факторами являются реакционная способность, энергетические возможности, скорость химической реакции, каталитические свойства и кинетические закономерности. К ним относятся многостадийность химических реакций с участием промежуточных соединений и химических частиц (молекулы, радикалы, ионы), распространение цепных механизмов превращений. Превращение молекул можно рассматривать в виде основы качественной характеристики химической формы движения материи, а образование химической связи обусловлено физическим взаимодействием атомов. Явный результат химических превращений можно обнаружить на молекулярном уровне, поскольку этот уровень чаще всего образуется как новое качество после изменения на атомном уровне. Химические связи, возникающие на уровне химической формы движения материи, указывают на сложность химических взаимодействий в конкретных молекулярных системах и на то, что участие в химических взаимодействиях принимают не отдельные электроны и ядра, а атомы и молекулы. Получается, что природа химической связи зависит от условий, в которых протекают химические взаимодействия. Например, при переходе валентных электронов от одного атома к другому возникает ионная связь, а при образовании общих электронных пар - ковалентная связь. Типы связи в веществах отличаются от типа связи в отдельной молекуле. Например, в молекуле хлористого натрия связь полярная ковалентная, а в кристалле хлористого натрия - связь ионная. Или в молекуле натрия связь ковалентная, а в кристалле металла натрия - металлическая. От типа связи (ионной, ковалентной, металлической, водородной или другой) зависит образование веществ с новой структурой и соответственно новыми химическими свойствами.

Понятие химической связи отражает непосредственное взаимодействие атомов и его результат. Еще в период создания теории валентности отсутствие свободных связей и насыщенности валентных сил в молекуле показало, что в системах внутренние связи преобладают над внешними. Получалось, что внутримолекулярные связи обладают некоторой самостоятельностью, а сама химическая связь выступает как аддитивное целое. Химическую связь надо рассматривать в качестве результата взаимодействия, который характеризуется определенным составом, специфическими связями составляющих его элементов и наличием новых, особых в сравнении с ними свойств. Химическая связь является следствием стремления атомов к образованию молекулы как целостности.

Многообразие химических связей проявляется в различных свойствах молекул. В качестве примера можно привести энергетику молекул, электронные спектры поглощения, ядерный магнитный резонанс, дипольные моменты, реакционную способность. Через них отчетливо выявляется различие типов химических связей. Объяснив природу химической связи на физической основе как особую форму проявления волновых свойств валентных электронов, квантовая механика помогла химии выделить и обосновать собственно само понятие химизма в качестве стержня всего понятийного аппарата этой науки, в качестве того всеобщего, вокруг которого и за счет которого происходит формирование множеств единичного и особенного - миллионов химических соединений и реакционных систем.

При химическом взаимодействии на атомно-молекулярном уровне возникают новые вещества, и этот процесс связан с образованием или разрушением (например, испарение) химических связей. Образование или разрушение связей наиболее ярко характеризует проявление химизма. При физическом взаимодействии на атомно-молекулярном уровне не возникают новые вещества, но может отмечаться переход газообразных веществ в жидкое состояние (кислород, водород) или образование атомных или молекулярных кристаллов (бензол и большинство органических веществ, не содержащих сильных полярных группировок атомов).

Физические взаимодействия существуют и на уровне химической формы движения материи, но можно провести довольно четкую границу между химической и физической формами движения материи на основании одновременного учета двух признаков: во-первых, сохранения или несохранения внутренней структуры молекул вещества, и, во-вторых, сохранения или несохранения атомов, участвующих в данном процессе.

В настоящее время возрастает специализация наук, которая позволяет глубоко изучить не только формы движения материи, но и взаимопереходы между ними. Это в первую очередь касается физической химии, химической физики, биохимии, биоэлектроники, биотехнологии и др. Химическая эволюция создала предпосылки еще большего усложнения молекулярных структур, образования белковых молекул, аминокислот, являющихся основами живых организмов.

Date: 2016-05-15; view: 1796; Нарушение авторских прав