Умк_ксе_бак

уменьшением расстояния между ними, их взаимодействие ослабевает5. Это явление получило название асимптотической свободы, следствием которой является возможность рассматривать кварки внутри адронов как свободные частицы. Другой особенностью является то, что взаимодействие между кварками увеличивается с ростом расстояния между ними. Вследствие этого нельзя разделить две частицы, обладающие цветом. В результате, кварки и глюоны оказываются ненаблюдаемыми в свободном виде. Наблюдаемыми являются только бесцветные комбинации этих частиц. Явление удержания элементарных частиц, обладающих цветом, внутри адронов получило название конфайнмента.

Почти очевиден факт, что на квантовом уровне все взаимодействия ведут себя аналогично. Одна частица испускает другую частицу — переносчик взаимодействия, которую поглощает третья частиц. Это и приводит к взаимодействию первой и третьей частиц. Далее возникает вопрос, насколько глубока эта аналогия. Не имеют ли все фундаментальные взаимодействия единую природу? Многие современные физики считают, что имеется лишь одно фундаментальное взаимодействие, которое проявляет себя по разному в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Это мнение основано не только на вере в то, что мир устроен гораздо красивее, чем нам представляется сейчас, но и на уже имеющихся фактах. Уже создана и является общепризнанной теория электрослабого взаимодействия — теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Согласно этой теории, в области низких энергий электромагнитное и слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. При увеличении энергии начинается их взаимное влияние, при достаточно больших энергиях эти взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Энергия, при которой происходит объединение этих взаимодействий огромна, поэтому электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют своей единой природы в обычных физических явлениях.

Работа, направленная на развитие теорий, объединяющих все большее число взаимодействий, продолжается достаточно интенсивно. Уже созданы модели единой теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия, получившие название моделей великого объединения. Энергия, при которой все эти взаимодействия объединяются в одно, оказалась настолько большой, что прямое экспериментальное исследование великого объединения кажется проблематичным даже в отдаленном будущем. Сохраняются, однако, надежды на получение косвенных подтверждений этой теории, предсказывающей конечное время жизни протона и существования магнитного монополя.

Распространение идеи объединения и на гравитацию встречается с огромными трудностями и, хотя разработаны такие очень интересные теории, как супергравитация, теория струн, многим исследователям представляется, что построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий неосуществимо в рамках имеющихся в настоящее время представлений.

2.6. Физический вакуум

Концепции квантовой механики радикальным образом изменили представления о том, как устроен окружающий нас мир. Но, возможно, более всего эти концепции изменили наши представления о пустоте или, другими словами, о вакууме. До создания квантовой механики пространство представлялось вместилищем для всех материальных тел. Оно может быть заполнено веществом или полем, а может быть и пустым. Эту пустоту и называли вакуумом.

Хорошо известно, что классическая механика допускает состояния полного покоя, например, маятник может колебаться, но может и покоиться. Квантовая же механика не допускает состояний полного покоя. Квантовый маятник только при больших амплитудах колебаний (когда для его описания применима классическая механика) похож на классический. По мере того, как энергия колебаний маятника уменьшается, в его поведении

5 Напомним, что с уменьшением расстояния электромагнитные и гравитационные взаимодействия нарастают.

41

все больше проявляются квантовые свойства. Одним из этих свойств является то, что энергию колебаний нельзя уменьшить до нуля. То есть, существует некоторая минимальная энергия колебаний маятника, которую у него нельзя отнять. Часто колебания с такой минимальной энергией называют нулевыми колебаниями или квантовыми флуктуациями. Хотя энергию нулевых колебаний нельзя передать другим частицам, эти колебания проявляются в целом ряде наблюдаемых физических явлений. Какое же отношение имеет маятник к вакууму?

Оказывается, самое непосредственное. Дело в том, что, например, электромагнитное поле это тоже колебательный процесс, только в нем колеблется не маятник, а напряженность электрического и магнитного поля в каждой точке пространства. Согласно квантовой механике, эти колебания никогда не прекращаются. Оказывается, что у электромагнитного поля есть состояние с наименьшей возможной энергией, которое и называется электромагнитным вакуумом. Однако в этом состоянии сохраняются флуктуации магнитного и электрического полей. На квантово-механическом языке это означает, что вакуум порождает на непродолжительное время фотон и затем сам же его поглощает. Такие частицы, порождаемые вакуумом и существующие весьма непродолжительное время, называют виртуальными частицами. Эти виртуальные частицы взаимодействуют с электронами, атомами и другими частицами, изменяя их наблюдаемые свойства. Множество проявлений взаимодействия частиц с вакуумом хорошо изучены. Другими словами, электромагнитный вакуум наделен вполне определенными реальными, то есть наблюдаемыми, физическими свойствами.

В отношении нулевых флуктуаций электромагнитное поле не является исключением. Современная квантовая теория вводит понятие об электрон-позитронном поле. Вакуумное состояние этого поля также подвержено флуктуациям, которые проявляются в рождении на непродолжительное время электрон-позитронных пар. В результате, вакуум приобретает способность поляризоваться. Хотя поляризуемость вакуума мала, эффекты его поляризации наблюдаются во многих экспериментах.

Флуктуации вакуума могут порождать любую элементарную частицу, совместно с соответствующей ей античастицей6. Таким образом, согласно современным представлениям, вакуум совсем не похож на пассивное, безмолвное вместилище для материальных объектов, а скорее напоминает бурлящий океан.

А не мог ли вакуум породить когда-то Вселенную в целом, как он рождает частицы сегодня? Действительно, такие гипотезы весьма активно обсуждаются, и пока не обнаружены их противоречия с какими либо фундаментальными законами природы.

2.7. Атомы и молекулы

Изучая процесс рассеяния α-частиц, испущенных радиоактивным источником на золотой фольге, Э. Резерфорд пришел к выводу, что атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, вокруг которого по круговым либо эллиптическим орбитам движутся электроны. Это, так называемая, планетарная модель атома, поскольку она похожа на Солнечную систему в миниатюре. В дальнейшем, эта модель блестяще подтвердилась, только оказалось, что электроны движутся вокруг ядра не по законам классической физики, а по законам квантовой механики.

Применительно к электронам в атоме, квантовые законы кардинально отличаются от классических. В частности, совершенно бессмысленно говорить о траектории электрона в атоме. На языке квантовой механики можно говорить о стационарных состояниях электрона в атоме, в которых энергия имеет определенное значение. В таких состояниях, электрон как

6 Вакуум порождает частицы только парами — частица-античастица, потому что и здесь работают законы сохранения зарядов: электрического, лептонного и других. Только фотон, будучи абсолютно нейтральной частицей, тождественен своей античастице и, поэтому может появиться один, не нарушив законов сохранения заряда.

42

бы размазан вокруг ядра и как бы одновременно существует во всех этих точках. Использование сослагательного наклонения здесь обусловлено условностью применяемых образов. Дело в том, что мы пытаемся представить электрон в виде точечного объекта, тогда как он наделен и волновыми свойствами, а волна — это всегда протяженный объект. К сожалению, в макроскопическом мире нет объектов, а в нашем сознании образов, даже отдаленно напоминающих квантовый электрон. Поэтому, приходится для трактовки квантовых явлений использовать образы, лишь очень грубо соответствующие действительности. Удивительным здесь является не то, что мы не в состоянии представить себе поведение микрочастиц, а то, что несмотря на это, мы способны точно описать это поведение.

Потрясение, вызванное тем, что наглядные модели не смогли объяснить квантовых открытий, было трагичным для многих физиков. Хотя обычно трагедии прошлого представляют для потомков лишь исторический интерес, потрясения, пережитые физиками в начале нашего столетия, на протяжении многих десятилетий сохраняют свою первоначальную остроту: каждое новое поколение физиков переживает практически те же самые чувства. На сложившуюся ситуацию можно смотреть и более оптимистично. Л. Ландау писал по этому поводу: “Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не может вообразить”.

Если же отвлечься от эмоциональной стороны дела, то время становления квантовой физики — первая четверть двадцатого века — следует признать периодом наиболее бурного развития физической науки. Именно в этот период было сделано и осознано огромное число важнейших открытий. Достаточно напомнить, что создание теории относительности, открытие электрона, установление строения атома, открытие волновых свойств у частиц и корпускулярных у волн, приходится на этот короткий промежуток времени. По этой причине, трудно согласиться с оценкой этого периода многими историками науки и философами, как периода кризиса в физике. Более правильным, наверное, является рассмотрение существовавших тогда трудностей, как трудностей слишком быстрого прогрессивного роста. Кризис же, по определению, несовместим с прогрессом, тем более бурным.

Итак, электрон в атоме может находиться только в определенных квантовых состояниях, соответствующих разрешенным значениям энергии. Квантовое состояние с наименьшей энергией атома называется основным. Все остальные квантовые состояния с большими значениями энергии называются возбужденными. Энергия связи электрона с ядром максимальна в основном состоянии. По мере увеличения энергии квантового состояния, энергия связи электрона с ядром ослабевает, и, наконец, обращается в ноль, что соответствует отрыву электрона от ядра, то есть ионизации атома. В основном состоянии изолированный атом может существовать как угодно долго, в возбужденном же состоянии он живет, как правило, лишь одну сто миллионную долю секунды.

Атом, находящийся в возбужденном состоянии может перейти в состояние с меньшей энергией, излучив электромагнитный квант — фотон. В процессе излучения, как и во всех других явлениях, сохраняется энергия. Это означает, что энергия начального состояния атома равна сумме энергий конечного состояния атома и излученного фотона. Другими словами, энергия излученного фотона равна разности энергий атома в начальном и конечном состояниях. Тот факт, что атомы излучают фотоны с вполне определенными энергиями является убедительным свидетельством в пользу дискретной структуры энергетических уровней атома. Более того, измеряя энергию излученных фотонов, можно с очень высокой точностью определить расстояния между энергетическими уровнями атома.

43

Следует напомнить, что фотон, как и электрон, обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Когда мы говорим об энергии и импульсе фотона, мы представляем его частицей. Но есть не меньше оснований говорить о длине волны и частоте фотона, имея в виду его волновые свойства. Здесь более важно то, что мы можем измерять с высокой точностью длину волны и частоту электромагнитного излучения. Напомним, что соотношения де Бройля устанавливают однозначную связь между волновыми и корпускулярными свойствами частиц. На основании этих соотношений, измеряя длину волны излучения атома, мы можем вычислить соответствующую энергию фотона.

Если изобразить зависимость интенсивности излучения атома от ее частоты, называемую спектром излучения, то из сказанного выше вытекает, что спектр атома будет состоять из набора дискретных линий. Такие спектры называют линейчатыми. Чрезвычайно важно то, что спектр атомов каждого элемента характеризуется своим особым набором линий. Именно это позволяет при помощи спектрального анализа определять элементный состав вещества. Поскольку излучение атома может распространяться на большие расстояния, то спектральный анализ открывает уникальную возможность определения состава веществ достаточно удаленных от наблюдателя, например, состав вещества находящегося на Солнце или более удаленных звездах.

2.7.1. Атом и периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Открытие периодического закона в истории науки зафиксировано неимоверно точно

— 1 марта 1869 года. В то время было известно всего 63 элемента (напомним, что современная таблица включает 104 элемента).

Из этих элементов была построена таблица, в которой по горизонтали изменяется атомный вес, а по вертикали элементы естественно группируются в семейства с аналогичными химическими свойствами. Хотя в основу своего периодического закона Менделеев положил атомный вес, следует напомнить, что только 36 элементов подчинялись принципу возрастания атомных весов. Для 20 элементов этот принцип был нарушен, а еще для 7 пришлось исправить атомный вес в соответствии с таблицей. Например, атомный вес урана он увеличил вдвое, с 120 до 240, и оказался совершенно прав. Более того, Менделеев оставил несколько клеток таблицы пустыми, и на этом основании предсказал существование новых неизвестных в то время элементов. Все эти элементы затем были открыты и их свойства оказались именно такими, какими их предсказал Менделеев. Другими словами, таблица была открыта во многом вопреки известным фактам, что безусловно свидетельствует о гениальности ее автора, которая и позволила ему увидеть истину за бурной пеной неверных

44

фактов.

Насколько мощным и точным средством предвидения свойств не открытых еще элементов явился установленный Менделеевым периодический закон, демонстрирует табл. 2.3.

С момента создания таблицы элементов возник вопрос: что это — способ запоминания элементов или фундаментальный закон природы? Дело в том, что уже Менделеев знал, что атомный вес лишь приблизительно определяет положение элемента в таблице. Чем же тогда в действительности определяется порядковый номер? Ответы на эти вопросы удалось найти лишь после того, как было выяснено строение атома. Вскоре после открытия Резерфордом атомного ядра, Ван ден Брук высказал предположение, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева равен заряду ядра его атомов (имеется в виду, что заряд ядра измеряется в единицах величины заряда электрона). Это предположение доказал Г. Мозли, используя данные о рентгеновских спектрах различных элементов. Учитывая нейтральность атома, отсюда следует, что порядковый номер элемента совпадает с числом электронов в атоме. Эти открытия позволили также дать точное определение химического элемента: элемент — это вещество, состоящее из атомов с одинаковым зарядом ядра. Почему же, тем не менее, атомный вес достаточно хорошо коррелирует с химическими свойствами элементов? Ответ на этот вопрос дала ядерная физика, которая установила, что атомный вес элемента примерно вдвое больше заряда ядра его атома, другими словами, расставляя элементы в порядке возрастания их атомного веса мы, как правило, расставляем их в порядке увеличения заряда ядра.

Периодическое изменение химических свойств элементов с ростом заряда ядра атомов объяснила квантовая механика. Во-первых, оказалось, что электроны располагаются вокруг ядра слоями-оболочками. Во-вторых, химические свойства элементов определяются структурой внешней электронной оболочки атома. Начало заполнения новой оболочки совпадает с началом нового периода.

Чтобы понять, как квантовая механика объясняет периодический закон, достаточно принять на веру следующие ее результаты — состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами, а именно: n — главное квантовое число, которое может принимать значения 1, 2, 3...; l — орбитальное квантовое число, которое, при заданном значении n принимает значения 0, 1, 2, ... , n–1; магнитное квантовое число m, которое при заданных значениях n и l принимает значения m = –l –(l–1),... ,(l–1), l; и, наконец, спиновое квантовое число s, принимающее два значения +1/2 и –1/2. Эти числа имеют простой физический смысл. Главное квантовое число определяет энергию электрона и радиус оболочки, чем больше это число, тем дальше оболочка от ядра, то есть внешними являются электроны с наибольшим его значением, орбитальное число определяет величину момента импульса, магнитное число — ориентацию момента импульса, спиновое число — ориентацию спина электрона. Далее следует принять во внимание принцип запрета Паули, который гласит: в каждом квантовом состоянии не может находиться более одного электрона.

Из сказанного ясно, что оболочку составляют электроны, имеющие одно и то же значение главного квантового числа. Оболочка с n = 1 включает состояния с нулевыми значениями орбитального и магнитного квантовых чисел и лишь спиновое число может принимать два значения, поэтому в ней имеется всего два квантовых состояния, в которых может находиться не более двух электронов. В соответствии с этим, в первом периоде имеется только два элемента — водород и гелий.

В следующей оболочке с номером n =2 орбитальный момент может принимать два значения: 0 и 1. С учетом магнитного квантового числа имеется одно состояние с l =0 и три с l =1. Если теперь принять во внимание и спиновое квантовое число, то получим, что в этой оболочке может находиться 8 электронов. Именно такова длина второго периода от лития до неона.

Аналогично можно рассчитать число состояний в слое n = 3. Расчет дает 18 состояний в третьем слое.

45

Каждый период в таблице элементов Менделеева начинается щелочным металлом и заканчивается инертным газом, химические свойства которых резко различаются. Атомы благородных газов отличаются полностью заполненной внешней оболочкой. Атомы щелочных металлов характеризуются тем, что у них во внешней оболочке находится лишь по одному электрону, который и определяет их химические свойства. Оказывается, что этот электрон достаточно слабо связан с атомом, поэтому атомы щелочных металлов сравнительно легко отдают этот электрон другим атомам, превращаясь в положительный ион.

В противоположность щелочным металлам, во внешней оболочке атомов галогенов не хватает одного электрона, чтобы оболочка была полностью заполненной. Такие атомы легко принимают лишний электрон, образуя отрицательный ион. Оказывается, если во внешней оболочке находится один электрон или одного не хватает, то такой элемент выступает обычно в химических взаимодействиях как одновалентный. Если же во внешней оболочке атома находятся два электрона или двух недостает, то элемент обычно выступает как двухвалентный и так далее. Это наводит на мысль, что валентность элемента определяется числом электронов во внешней оболочке.

Подводя итог сказанному подчеркнем, что в периодической таблице элементов сошлись пути физики и химии. Фундаментальный закон химии получил ясное и четкое физическое истолкование. Предмет исследования одной науки стал предметом исследования другой.

2.7.2. Молекулы и химические превращения

Химия изучает закономерности, присущие процессам превращения молекул при их взаимодействии, а также при воздействиях на них внешних факторов, таких как теплота, свет, электрические и магнитные поля, электрический ток. Предмет исследования химии практически безграничен — невообразимо велико число исследованных реакций, молекул. Ежедневно синтезируются новые вещества, обладающие самыми необычными свойствами. Естественно, столь обширная область знаний должна была дифференцироваться. В результате сформировалось множество достаточно самостоятельных разделов химии, например, органическая и неорганическая химия, физическая химия, фотохимия, электрохимия, биохимия, кристаллохимия, термохимия, химия высоких энергий, химия высокомолекулярных соединений и т.д.

Все эти разделы объединяют проблемы, встающие перед каждым исследователем, работающем в этой области. Эти проблемы связаны, прежде всего, с ответами на фундаментальные вопросы: что такое химическая связь, почему и как объединяются атомы в молекулы, как и почему протекает та или иная химическая реакция, чем определяется ее скорость, как взаимодействуют молекулы друг с другом?

Конечно, ответы на некоторые из этих вопросов существуют и имеют весьма универсальный характер. Причина, по которой атомы могут объединяться, образуя более или менее устойчивые молекулы, надежно установлена. Ответственными за устойчивость молекул являются электромагнитные силы. Все остальные фундаментальные взаимодействия в атомах и молекулах играют столь ничтожную роль, что ими практически всегда можно пренебречь. Два или более атомов могут объединиться в молекулу, если их энергия в свободном состоянии больше, чем в молекулярном. Энергия, выделяющаяся при образовании молекулы, равна энергии, которую нужно затратить, чтобы молекулу разложить на составные атомы. Это, так называемая, энергия связи молекулы. Чем больше энергия связи, тем прочнее и более устойчива молекула.

Ответы такого рода не являются исчерпывающими. Если атомы соединились, то это означает, что между ними действуют силы притяжения, но, как отмечено выше, в атомах и молекулах превалируют электромагнитные взаимодействия. Тем не менее, недостаточно сказать, что силы притяжения между атомами — это электромагнитные силы, потому что силы химических связей очень своеобразны, они совсем не похожи ни на электрические силы, ни на магнитные, ни на гравитационные. Главная их особенность заключается в

насыщаемости.

46

Понятие насыщаемости можно пояснить на простых примерах. Например, молекула водорода или хлора состоит всегда из двух атомов, а именно H 2 ,Cl2 . В молекулах воды

всегда на один атом кислорода приходятся два атома водорода. Другими словами, молекулы всегда имеют вполне определенный состав. Если у нас имеется выделенный атом водорода, то он притянет к себе другой такой же атом, но не будет притягивать третий и т.д. Атом кислорода притянет к себе всегда ровно два атома водорода. Это свойство атомов вступать во взаимодействие с определенным ограниченным числом других атомов и получило название насыщаемости химических связей. Следует напомнить, что кулоновские и гравитационные силы таким свойством не обладают. Сила взаимодействия между двумя электрическими зарядами не зависит от того, есть ли вблизи них еще какие-нибудь заряды или нет. Точно так же сила, с которой Солнце притягивает Землю не изменится, если в Солнечную систему добавить еще одну планету. Другими словами, кулоновские и гравитационные взаимодействия не обладают свойствами, даже отдаленно напоминающими свойство насыщаемости.

С насыщаемостью связей неразрывно связано другое чрезвычайно важное для всей химии понятие — валентность. Здесь можно привести несколько упрощенное ее определение. Валентностью атома называют число атомов водорода, которые он может присоединить или заместить в каком-либо соединении. При этом полагается, что валентность водорода равна единице по определению. Нетрудно заметить, что валентность тесно связана с числом электронов во внешней оболочке. Действительно, атомы, у которых имеется один внешней электрон являются одновалентными, два — двухвалентными и так далее. По этой причине электроны, находящиеся на внешней оболочке, получили название валентных электронов. Зная валентность элементов, легко можно нарисовать структурные формулы множества веществ. На основании понятия валентности был сформулирован и развит самостоятельный раздел, получивший название структурной химии.

Ответ на вопрос, как устроена молекула, дала квантовая механика, более того, она представила математический аппарат, позволяющий количественно рассчитать, и при этом чрезвычайно точно, любые характеристики молекул. В настоящее время рассчитываются методами квантовой механики как простые, так и сложнейшие биологические молекулы, содержащие сотни атомов. При этом всегда, когда удается корректно провести расчет, его результаты прекрасно согласуются с экспериментальными данными, что является чрезвычайно убедительным свидетельством адекватности квантовой теории.

Понять на качественном уровне, как образуется связь в молекулах типа молекулы водорода можно, если воспользоваться некоторыми результатами квантовой механики. Один из них утверждает, что самое низкое значение энергии, которое может принять электрон, определяется размерами области, внутри которой он локализован. Чем больше эти размеры, тем меньше энергия этого “нулевого” уровня. Второй результат, известный как принцип суперпозиции, можно сформулировать так: если электрон может находиться на орбите “1” и на орбите “2”, то он может находиться и на орбите, представляющей объединение этих двух орбит.

Далее представим себе, что два атома водорода приближаются друг к другу. Когда атомы подойдут достаточно близко, электроны получают возможность двигаться по орбите, охватывающей оба атома. Эта новая орбита представляет собой объединение атомных орбит. В результате этого, область локализации электрона увеличивается примерно вдвое. В соответствие с принципом Паули, на этой орбите могут находиться два электрона с противоположно направленными спинами, то есть суммарный спин двух электронов равен нулю. Вследствие увеличения области локализации электронов их энергия понизится, следовательно, понизится и энергия всей системы, что и приводит к образованию устойчивой молекулы.

Впервые решение квантово-механической задачи о молекуле водорода было получено Гайтлером и Лондоном в 1927 году. Их решение действительно показало, что валентная связь создается перекрыванием атомных электронных облаков и два электрона обобществляются в

47

валентной связи. Этот анализ также показал, почему валентность атома совпадает с числом валентных электронов. Для образования химической связи необходим один электрон из внешней валентной оболочки.

Квантовая механика объяснила и инертность благородных газов. Например два атома гелия не образуют устойчивой молекулы, потому что у них во внешней оболочке находится по два электрона, а на низшую молекулярную орбиталь можно поместить только два электрона. Два оставшихся электрона вынуждены переходить на молекулярную орбиталь, имеющую существенно более высокую энергию. В результате молекулярное состояние имеет большую энергию, чем атомные состояния, что и означает невозможность образования такой молекулы. Если бы мы и создали такую молекулу, то она бы практически мгновенно распалась.

Особую роль для нас играет углерод, хотя это и весьма редкий элемент. Например, в Земной коре доля углерода всего 0,055 %, в атмосфере еще меньше — 0,008 %. Несравненно больше содержание кислорода, азота, водорода, кремния и даже титана в окружающем нас пространстве. Тем не менее, именно углерод занимает центральное место во всех органических соединениях. Без преувеличения можно сказать, что углерод — основа жизни на Земле. Связано это с тем, что углерод является четырехвалентным элементом. Благодаря этому, на его основе можно создать практически безграничное число молекул. Сегодня химикам известно порядка миллиона соединений углерода. Это больше, чем соединений всех остальных элементов вместе взятых.

Вмолекуле атомы взаимно упорядочены. В справочниках можно найти длины связей

иуглы между связями для многих молекул. Это, однако, не означает, что молекулы являются абсолютно жесткими объектами. Атомы в молекуле движутся друг относительно друга. Движения эти носят обычно характер малых колебаний. Легко представить себе колебание двухатомной молекулы, отражающее периодическое изменение расстояния между ядрами атомов. Колебания молекул активно изучаются. Основным методом здесь служит, так называемая, инфракрасная спектроскопия. Она основана на том, что колеблющаяся молекула может излучать и поглощать электромагнитные волны с частотой колебаний молекулы. Регистрируя такое излучение, можно определить частоты колебаний молекул. Инфракрасная спектроскопия в настоящее время представляет собой мощное средство исследования строения молекул.

Кроме колебаний, возможно вращение одних групп атомов относительно других.

Например, в молекуле этана две группы CH 3 могут вращаться вокруг оси, проходящей

через два атома углерода. Благодаря таким движениям, молекула может переходить из одного равновесного состояния в другое. Такие состояния называют конформациями молекулы.

Интересный пример представляет молекула аммиака NH 3 . Она имеет форму пирамиды. У

атома азота есть два равновесных положения — одно слева от плоскости, образованной тремя атомами водорода, другое справа. Аммиак может переходить из одной конформации в другую и эти переходы отражаются в его спектрах. Но встречаются и гораздо более сложные движения.

Без плавного непрерывного изменения геометрии молекулы невозможно представить себе и химическую реакцию. Ведь взаимное расположение атомов в реагентах и продуктах реакции различное, и совершенно естественно предположить, что в процессе реакции происходит плавный переход одной конфигурации в другую. Впрочем, переходы молекулы между двумя различными конформационными состояниями также часто рассматривают как один из простейших видов химических реакций. Простота здесь связана с тем, что при таких переходах химические связи не рвутся и не образуются.

Безусловно, центральное место в химии занимают реакции, процессы превращения одних молекул в другие. Наверное чаще всего мы встречаемся с реакцией горения. Например, горение природного газа можно представить в виде химического уравнения:

CH 4 2O2 CO2 2H2 O . Направление стрелки в этом уравнении очень важно, оно отражает направление реакции. Эту реакцию легко запустить, достаточно к газовой горелке

48

поднести спичку. В результате реакции выделяется тепло и свет, ради их получения она обычно и используется. Обратная же реакция сама по себе никогда не идет. Даже, казалось бы, всесильные катализаторы не помогут.

В связи с этим возникает важнейший для всей химии вопрос, отчего зависит возможность протекания химических реакций? Ответ на него дала термодинамика. Реакция протекает, если при этом уменьшается энергия веществ и увеличивается энтропия.

При сгорании метана энергия исходных веществ (молекулы метана и двух молекул кислорода) больше энергии продуктов (молекулы углекислого газа и двух молекул воды). Эта разность энергий и выделяется в виде тепла. В этой реакции энтропия — мера упорядоченности тел, не уменьшается.

Более строгая формулировка возможности протекания реакции основана на понятии свободной энергии тела F =E−TS . Здесь E — энергия, S — энтропия, T — абсолютная температура. Реакция разрешена, если она сопровождается уменьшением свободной энергии.

Все процессы, протекающие в природе сами по себе, всегда удовлетворяют условию уменьшения свободной энергии. Например, камень сам может падать только вниз, но никогда не полетит вверх, потому что при падении его потенциальная энергия уменьшается. С учетом того, что энтропия в механических процессах не изменяется, это соответствует уменьшению свободной энергии. Обратный же процесс сопровождается возрастанием свободной энергии, поэтому и не реализуется.

В отличие от механических процессов, химические реакции обычно сопровождаются изменением энтропии. Как следует из определения свободной энергии, она может уменьшаться за счет увеличения энтропии и в тех случаях, когда энергия продуктов больше энергии исходных веществ. Именно благодаря этому, устойчивые молекулы могут распадаться на составляющие их фрагменты, потому что энтропия упорядоченной молекулы меньше энтропии неупорядоченных фрагментов.

Однако из того, что реакция возможна, еще не следует, что она пойдет. Например, можно смешать водород с хлором, но они сами по себе не будут реагировать. Правда, стоит только эту смесь осветить, как реакция пойдет, это и означает, что реакция разрешена. Хорошо известно, что большинство реакций, протекающих с совершенно незначительными скоростями при низких температурах, заметно ускоряются при повышении температуры. В чем причина такого поведения? Для ответа на вопрос, нужно разобраться в природе химических реакций.

Чтобы молекулы прореагировали, они должны столкнуться, тогда может произойти превращение H 2 Cl2 2 HCl . В результате такого превращения одни связи рвутся, другие

образуются. Очевидно, существуют промежуточные конфигурации, в которых начальные связи частично разорваны, а новые частично образованы. Поскольку такие конфигурации не присутствуют в реагирующих смесях в заметных количествах, то отсюда вытекает, что такие конфигурации менее устойчивы, следовательно они имеют большую свободную энергию чем исходные вещества. Другими словами, состояния реагентов и продуктов должны быть разделены барьером. Для перехода из состояния реагентов в состояние продуктов нужно преодолеть барьер. Для этого необходим запас энергии. Высота барьера характеризует энергию активации процесса, а сам барьер называют активационным.

49

создания атомов или более обобщенно — радикалов. Каждый радикал вызывает целую цепочку превращений, пока не исчезнет, например, выйдя из зоны реакции, осев на стенке сосуда. Поэтому такие реакции получили название цепных. Теорию цепных реакций впервые разработал наш великий соотечественник Н.Н. Семенов. За эти работы он был удостоен Нобелевской премии по химии.

Совокупность простых реакций, из которых складывается сложная реакция и называется механизмом реакции. Выяснение механизма реакции и определение скоростей простых реакций его составляющих, представляет собой основную задачу одного из разделов химии — химической кинетики.

Наконец можно задаться вопросом, существует ли принципиальная возможность осуществления реакций, в которых свободная энергия продуктов больше, чем свободная энергия исходных веществ? Мы уже знаем, что сама по себе такая реакция не пойдет. Но может быть имеется возможность с помощью какого то внешнего воздействия ее осуществить? Действительно, такие процессы возможны. Например, фотосинтезирующие растения, используя углекислый газ и воду, производят углеводороды, то есть в них осуществляется реакция, обратная реакции горения углеводородов, типа

CH 4 2O2 CO2 2H2 O . Однако, чтобы такая реакция протекала, необходимо подводить

энергию к реагентам, причем для этих целей совершенно не подходит тепловая энергия, а нужны более организованные формы энергии. Растения для этого используют энергию

50