Мир атомов, молекул и химизма

Атом представляет собой целостную ядерно-электронную систему. Ядро является основой атома, определяющей как численный состав электронов в атоме, так и всю его внутреннюю структуру. Если на этапе образования атома главную роль играют индивидуальные свойства ядра и электронов, то поведение электронов в составе атома в первую очередь обусловлено характеристикой их квантовых состояний, распределением электронов по энергетическим уровням, подуровням и отдельным «ячейкам» или «орбитам», в каждой из которых может находиться не более двух электронов.

Из всех взаимодействий атомов, электромагнитных по своей общей природе, можно выделить следующие: 1) взаимодействия с полями и частицами, при которых происходит изменение внутренней структуры атомов, не связанное с образованием более сложных и устойчивых объектов (таковы процессы излучения и поглощения атомами света); 2) взаимодействия атомов друг с другом, определяющие агрегатное состояние вещества (дисперсионное взаимодействие, например); 3) химическое взаимодействие, которое приводит к образованию молекул и других химических соединений и лежит в основе качественного изменения вещества, построенного из атомов и молекул.

В общей форме электромагнитное взаимодействие, общие его законы изучаются физикой; поэтому можно сказать, что химическая форма движения является разновидностью физического взаимодействия, но это будет чисто терминологическим определением, не вскрывающим конкретного содержания определяемых процессов и имеющим смысл только для сопоставления изучающих их наук. Задача же в том и состоит, чтобы раскрыть специфику химических процессов как особой разновидности электромагнитного взаимодействия.

Если в простейшем случае химического взаимодействия атома водорода с протоном, на первый взгляд, еще можно предполагать, что при расчетах этого взаимодействия допустимо рассматривать отдельные электроны и протоны, то в случае взаимодействия сложных атомов и особенно молекул уже со всей очевидностью обнаруживается недопустимость такого представления о механизме химического взаимодействия. С усложнением атомов все более сложным становится соотношение между внутриатомными физическими и межатомными химическими взаимодействиями. С одной стороны, увеличивается их несовпадение друг с другом, с другой стороны - с переходом к сложным атомам раскрывается обусловленность химического взаимодействия атомов всеми особенностями их внутренней структуры и обнаруживаются более глубокие структурные изменения в самих атомах.

Сравнение химической формы движения атомов с их внутренними и внешними физическими взаимодействиями показывает, что именно химическое взаимодействие атомов следует рассматривать как специфически атомную форму движения. Во-первых, в отличие от других взаимодействий атомов, свойственных и более простым объектам, химическое взаимодействие возникает только на атомном уровне, поэтому атом следует рассматривать как наипростейшую в химическом отношении частицу. Во-вторых, химическое взаимодействие - это взаимодействие атомов с атомами, а не с другими объектами, что определяет полнейшую зависимость химических процессов от свойств самих атомов. В-третьих, из всех взаимодействий атомов с атомами их химические взаимодействия в наибольшей мере зависят от специфических для атомов каждого химического элемента особенностей электронной структуры.

Молекулы — это очередной после атомов качественный уровень строения и эволюции вещества. Подчеркивая целостность молекул, органическое единство их составных частей, современное естествознание характеризует движение молекул как движение самостоятельных и целостных систем, а не как простую сумму разрозненных движений отдельных образующих их частиц (атомов, ядер и электронов). Те взаимодействия молекул, которые не сопровождаются изменением их структуры (т.е. определенного порядка химических связей между атомами внутри молекул), изучаются физикой и называются физическими. Взаимодействия же молекул, приводящие к их качественным взаимопревращениям, перестройке их внутренних связей, называются химическими и изучаются химией.

Так же, как в случае атомов, химическое поведение молекул является их индивидуальной характеристикой, специфически обусловлено их составом и структурой. Этого нельзя сказать о ван-дер-ваальсовом взаимодействии, связанном с агрегатным состояним вещества. В этом взаимодействии молекулы тоже участвуют как единые и целостные образования, но в отличие от химического оно универсально, осуществляется между всеми атомами и молекулами независимо от их принадлежности к какому-либо определенному химическому элементу или соединению.

Повторяем, общая природа каких-либо взаимодействий не исключает, а предполагает наличие особенного, отличающего одно взаимодействие от другого. И простое кулоновское взаимодействие любых электрических зарядов, и ван-дер-ваальсово взаимодействие атомов и молекул, и химическое взаимодействие между ними имеют общую электрическую природу. Однако кулоновское взаимодействие между зарядами проявляется на макроскопических расстояниях и энергия его убывает с расстоянием пропорционально r^-1. Ван-дер-ваальсово взаимодействие осуществляется на расстояниях нескольких ангстрем (1 А = = 10^-8 см = 0,1 нм) и энергия его уменьшается с расстоянием пропорционально r^-6, т.е. на пять порядков быстрее. Химическое же взаимодействие возможно только при сближении атомов и молекул на 1—2 ангстрема и энергия его, изменяясь пропорционально е^-аr, спадает до нуля при расстоянии между атомами в 2 А. Все это тоже демонстрирует более внутренний характер химического взаимодействия атомов и молекул по сравнению с другими их взаимодействиями.

Современной химии известно большое многообразие химических «частиц» различной степени сложности, представляющих по меньшей мере три качественно различных уровня материи: 1) атомный уровень (электрически нейтральные атомы, атомарные ионы, различные изотопы и атомы в разных состояниях — типа «горячих» атомов и т.п.); 2) молекулярный уровень (сами молекулы как электрически нейтральные и валентно насыщенные дискретные частицы, радикалы — химически ненасыщенные частицы, молекулярные ионы, ион-радикалы и т.п.); 3) надмолекулярный уровень — коллоидные образования (мицеллы), молекулярные комплексы и макромолекулы полимеров. При этом наряду с химическими соединениями постоянного состава чрезвычайно распространены и соединения переменного состава.

На всех этих уровнях химические процессы представляют собой высшую форму движения, усложняющуюся вместе с усложнением химических частиц.

Только в биологических системах кончается качественная сфера действия химической формы движения как главной и самостоятельной формы движения, охватывающей важный этап развития материи от простейших атомов до сложнейших белково-нуклеиновых систем. И, конечно, на всех этих уровнях химия вообще неотрывна от физики в том смысле, что химическая форма движения сама является определенной совокупностью (причем целостной, системной) различных физических процессов и что наряду с химическими превращениями всегда происходят те или иные физические изменения в атомно-молекулярном и надмолекулярном веществе.