DiaMat October 24, 2021
Почему происходит химическая реакция? Что заставляет атомы соединяться в молекулы? На эти вопросы можно ответить следующим образом: такова термодинамика химического процесса. Действие двух противоположно направленных факторов — энтальпийного и энтропийного — приводит к возможности или невозможности самопроизвольного протекания химической реакции в данных условиях. Энтальпийный фактор обусловливает усложнение химической системы, при этом энтальпия, или энергия системы, понижается. Энтропийный фактор, наоборот, подталкивает систему к упрощению, беспорядку, хаосу — к росту энтропии. Результат, то есть пойдёт или не пойдёт реакция самопроизвольно в данных условиях, зависит от соотношения этих двух факторов и выражается в энергии Гиббса.
Термодинамика химического процесса показывает «каким образом» происходит реакция, описывает химическое движение, но она не даёт ответа на вопрос «почему» химическая реакция возникает в принципе, какие внутренние причины лежат в основе химической формы движения материи. Требуется найти то ключевое диалектическое противоречие в самой материи, разрешение которого с необходимостью приводит к химической реакции и принуждает атомы соединяться в молекулы.
Б.М. Кедров в книге «О «Диалектике природы» Энгельса», поясняя мысль Энгельса о том, что движение и развитие материи происходит через постоянное возникновение всё новых и новых противоречий и их последующее разрешение, пишет:
«Здесь обнаруживается следующее чрезвычайно интересное и важное обстоятельство: высший пункт развития каждой формы движения есть вместе с тем исходный пункт для следующей по лестнице развития более сложной формы движения. Это означает, что в пределах каждой формы движения процесс развития достигает рано или поздно такого высшего своего пункта, где предельно «развитое тело» для данной формы движения становится одновременно «клеточкой» для следующей формы движения. Другими словами, именно в этом пункте совершается выход процесса развития из рамок данной формы движения» [1].
Атом это материальный носитель химических процессов. Это та наименьшая частица, «клеточка», с которой начинается химическая форма движения материи. Но, с другой стороны, атом, состоящий из элементарных частиц, это вершина физической эволюции материи, это результат физического развития Вселенной. Атом как высший пункт развития физической формы движения материи есть в то же время начальный пункт развития химической формы движения материи. Атомы всех химических элементов, за исключением самых простейших, возникли в процессе термоядерных реакций в звёздах и при вспышках сверхновых путём перекомпоновки ядер и электронных оболочек.
Коротко скажем о строении атома. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро, в свою очередь, образовано положительно заряженными протонами и электронейтральными нейтронами. Протоны и нейтроны состоят из кварков и переносчиков сильного взаимодействия — глюонов. Количество протонов в ядре и количество электронов вокруг ядра атома одинаково. Следовательно, атом как целое это электронейтральная частица, в которой положительный заряд ядра компенсирован суммарным отрицательным зарядом электронных орбиталей. Атом существует как дискретная частица благодаря наличию трёх фундаментальных физических взаимодействий: сильного, слабого и электромагнитного. Сильное взаимодействие посредством глюонов удерживает кварки в составе протонов и нейтронов, а также протоны и нейтроны — в пределах ядра. Слабое взаимодействие проявляется в реакциях распада ядра. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны с ядром, что позволяет атому быть электронейтральной и физически стабильной частицей.
Нужно зафиксировать это положение, мы к нему ещё вернёмся позже. Атом как высшая точка развития физической формы движения материи является электронейтральной частицей и благодаря этому физически стабильной системой. Электронейтральность обусловливает устойчивое состояние атома как равновесной системы.
Далее рассмотрим атом с той его стороны, которая определяет химические свойства элемента. Речь пойдёт о строении электронных оболочек атома. Согласно квантово-механической модели атома все электроны в соответствии с их энергетическим состоянием располагаются на том или ином энергетическом уровне. Количество таких уровней зависит от общего числа электронов и в конечном счёте определяется зарядом ядра атома. Сколько электронов находится на каждом энергетическом уровне, это определяется квантовыми числами, но для нас сейчас важно лишь то, сколько электронов располагается на наружном уровне. Именно электроны последнего энергетического уровня в первую очередь определяют химические свойства элементов.
В отношении количества наружных электронов атома действует особое правило октета, предложенное Гилбертом Н. Льюисом. Это химическое эмпирическое правило, которое отражает экспериментальное наблюдение, что на внешнем энергетическом уровне атомов химических элементов не может быть более восьми электронов (s2 + p6). При этом наиболее устойчивой является электронная конфигурация с полностью завершённым наружным электронным уровнем из (s2 + p6), т.е. из октета (восьми) электронов. Для водорода и гелия как самых простых элементов данное правило трансформируется в правило дублета (s2). Атомы всех элементов (кроме водорода и гелия) подчиняются правилу октета, потому что восьмиэлектронное строение внешнего энергетического уровня это энергетически наиболее выгодное состояние атома. Все элементы стремятся к такой максимально устойчивой электронной конфигурации.
На этапе физической эволюции материи в процессе термоядерных реакций в звёздах и при вспышках сверхновых из элементарных частиц последовательно синтезируются в порядке увеличения атомной массы все химические элементы, в том числе и инертные элементы — благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон). Особенность благородных газов состоит в том, что они химически инертны в обычных условиях, за некоторыми исключениями. А их химическая инертность основана на завершённости внешнего энергетического уровня, т.е. они имеют на своём последнем электронном уровне по восемь электронов (у гелия — два электрона). Таким образом, атомы инертных элементов реализуют правило октета (дублета), если можно так выразиться, в своей «базовой комплектации». Если все другие элементы ещё только стремятся получить восемь электронов на внешнем энергетическом уровне, то инертные элементы уже имеют восемь электронов на внешнем энергетическом уровне. Это, собственно, и обусловливает их химическую инертность.
Атом является наиболее энергетически стабильной системой только в том случае, когда у него имеется восемь электронов на наружном электронном уровне, как у инертных газов. Соответственно, устойчивость атома как равновесной системы обусловлена реализацией правила октета.
Теперь вспомним, о чём речь шла выше. Мы зафиксировали, что устойчивость атома как равновесной системы определяется его электронейтральностью. Но помимо этого, оказывается, устойчивость атома определяется завершённостью внешнего энергетического уровня. Два фактора, определяющих стабильность состояния атома, входят в противоречие друг с другом: атомы всех элементов, кроме инертных газов, с одной стороны, стремятся сохранить электронейтральность, с другой стороны — стремятся реализовать правило октета. Одно исключает другое. Атом любого элемента (кроме инертных газов) одновременно стремится к двум противоположным состояниям: 1) сохранить электронейтральность и, соответственно, не реализовать правило октета; 2) реализовать правило октета, но при этом не сохранить электронейтральность. Такое противоречие не ошибка природы, но оно есть диалектическое противоречие, которое должно быть естественным образом разрешено. Только атомы инертных газов лишены данного противоречия, именно поэтому они химически инертны.
Какой же выход нашла природа из этой трудной ситуации, чтобы преодолеть своё объективно существующее диалектическое противоречие, чтобы его разрешить и снять, чтобы продолжилось развитие материи?
По этому поводу Б.М. Кедров замечает:
«…процесс развития в его самом общем виде выступает прежде всего как процесс постоянного снятия абстрактного тождества развивающейся вещи самой с собой, как процесс постоянного появления различия внутри тождества, чем и являются любые совершающиеся в вещи изменения» [2].
Возникает дифференциация развивающейся материи. В случае с химическими элементами дифференциация получает своё выражение в форме дивергенции (раздвоения) роли атомов в процессе взаимодействия их друг с другом. Атомы одних элементов стремятся «добыть» недостающие электроны, чтобы завершить свой внешний энергетический уровень, довести количество электронов до восьми. Это как правило неметаллы, проявляющие окислительные свойства. Атомы — акцепторы, приобретающие дополнительные электроны, становятся отрицательно заряженными ионами — анионами. Атомы других элементов, наоборот, пытаются «избавиться» от своих электронов наружного уровня, чтобы предыдущий завершённый энергетический уровень стал формально внешним. Это характерно в первую очередь для металлов, они проявляют восстановительные свойства. Атомы — доноры, отдающие свои электроны, становятся положительно заряженными ионами — катионами. Таким образом, стремление к реализации правила октета дифференцирует атомы на два вида: акцепторы и доноры. В результате образуются заряженные частицы (ионы) двух видов: анионы и катионы.
Так, например, при взаимодействии хлора с натрием атом хлора (Cl), имеющий на внешнем энергетическом уровне семь электронов, забирает у атома натрия (Na) его единственный наружный электрон. Появляются ионы: Cl- и Na+. Каждый из них реализует правило октета: у хлора внешний энергетический уровень стал завершённым, у натрия предыдущий завершённый электронный уровень стал формально внешним. Со стороны строения внешней электронной оболочки можно сказать, что ионы Cl- и Na+ стали подобны атомам инертных газов. Но отличие состоит в том, что атомы инертных элементов одновременно и электронейтральны, и в них реализовано правило октета. Т.е. атомы инертных газов максимально устойчивы как равновесные системы по двум основаниям: они стабильны как физические электронейтральные частицы и они стабильны как химические системы с полностью завершённым внешним энергетическим уровнем. С ионами же дело обстоит так, что они устойчивы с точки зрения завершённости наружного электронного уровня, но неустойчивы с позиции электронейтральности, поскольку являются заряженными частицами.
Атом буквально раздираем объективным внутренним диалектическим противоречием: стремлением к сохранению электронейтральности и стремлением к прямо противоположному состоянию — завершённости внешнего энергетического уровня. Атом как единство физической и химической формы движения материи внутренне противоречив. Разрешается данное противоречие тем, что атомы, приняв или потеряв электрон, оформившись как ионы, стремятся снова обрести электронейтральность. Противоположно заряженные ионы начинают взаимодействовать как физические частицы, но сам процесс их взаимодействия является уже химическим. В результате химической реакции образуется новое химическое вещество. Если возвратиться к нашему примеру с натрием и хлором, то анион хлора (Cl-) связывается с катионом натрия (Na+), и образуется вещество хлорид натрия (NaCl). Отрицательный и положительный заряды взаимно нейтрализуют друг друга в составе нового целого, более сложного по строению. Вновь возникшая химическая система является электронейтральной. Атомы Na и Cl, стремясь разрешить своё внутреннее противоречие между электронейтральностью и завершённостью внешнего энергетического уровня, соединяются в более сложное вещество NaCl и тем самым, с одной стороны, сохраняется общая электронейтральность системы, а с другой стороны, приобретается общая завершённость внешних энергетических электронных уровней атомов в составе молекулы (или кристалла в случае с NaCl).
Энгельс в «Диалектике природы» химию называл физикой атомов [3]. Н.Н. Семёнов в книге «Цепные реакции» уточняет:
«…определение Энгельса в свете развития науки в XX в. следует понимать так: химия есть физика движения атомов во время процессов превращения одних молекул в другие» [4].
При этом, хотя химическая реакция и осуществляется по физическим законам, но собственно химический процесс уже не сводится исключительно к физике. Б.М. Кедров пишет об этом так:
«Установление такой связи абсолютно необходимо для понимания сущности высшей формы движения, но недостаточно для исчерпания её качественной особенности. Наличие низших форм движения, из которых исторически (генетически) возникла высшая форма и из которых она (структурно) состоит, не исчерпывает существа высшей формы в каждом рассматриваемом случае» [5].
Итак, движущей силой химических реакций является ключевое внутреннее противоречие атома. Это диалектическое противоречие между физической и химической природой атома. Его разрешение заставляет атомы соединяться в молекулы. В истории Вселенной химический процесс с неизбежностью возникает как форма разрешения и снятия этого объективного противоречия. Появление химической формы движения материи это диалектический скачок, который позволил развитию материи подняться с физической плоскости на совершенно новый качественный уровень. В дальнейшем в процессе химической эволюции возникло всё многообразие химических веществ, в том числе и очень сложно устроенные органические соединения.
Литература
1. Кедров Б.М. О «Диалектике природы» Энгельса. М., 1973. С. 70.
2. Кедров Б.М. О «Диалектике природы» Энгельса. М., 1973. С. 56.
3. Маркс К., Энгельс Ф. Соч., изд. второе, том 20. Диалектика природы. М., 1961. С. 567.
4. Семёнов Н.Н. Цепные реакции. М., 1986. С. 15.
5. Кедров Б.М. О «Диалектике природы» Энгельса. М., 1973. С. 86.