Отличия и взаимосвязь размерно-массовых и энергетических характеристик различных уровней организации вещества

На рисунке 2.1 была представлена эволюция взглядов на уровни строения материи и вещества в разные исторические периоды развития химии и физики, которые являются подтверждением вышесказанного. В свою очередь, основываясь на принципе дискретности, в таблице 2.3. приведена характеристика основных уровней строения вещественной материи микромира Земли.

Данные таблицы 2.3 свидетельствуют о многоуровневой организации вещественной материи микромира, индивидуальности характеристик каждого из них (особенно первых трех) и о последовательном усложнении структуры вещества в ряду: I - элементарные вещества, II - атомные вещества, III - химические вещества и IV - вещества на основе ассоциатов и агрегатов. Анализ существа перечисленных выше четырех основных форм существования вещественной материи, опыт и практика химической науки позволяет выделить химический уровень в качестве индивидуального. В результате, можно обоснованно и уверенно утверждать, что основной вещественной химической формой материи на Земле является химическое вещество (III), производной - ассоциаты и агрегаты (IV) химических соединений (веществ) и т.д. В результате отнесение к химическим частицам кроме молекул (и химических соединений в целом), но и атомов, одноядерных ионов и т.д. уже не имеет смысла в силу того, что они не имеют соответствующей структурной организации (химической связи и структуры).

Таблица 2.3

Характеристика различных уровней вещественной материи

Уровни строения вещества

Масса покои т,

Размер d, м

Энергия связи между частицами,

номер

природа частиц

кг

кДж/моль

I

Элементарные вещества (ЭВ): фотон электрон протон нейтрон

Энергия связимежду составными частицами элементарных веществ (типа кварков), предположительно превышает ядерную

II

Атомные вещества (АВ):

водород атомарный и др.

Реакция деления ядра урана сопровождается выделением энергии ~ 19.2 • 109 кДж/мол ь

III

Химические (в том числе молекулярные) вещества (ХВ): молекула водорода молекула сахара макромолекула и др.

50-г 1000 кДж/моль

IV

Вещества на основе ассоциатов (АС) и агрегатов* (АГ) химических веществ

~2-г50 кДж/моль

В результате главным индивидуальным фундаментальным объектом химин является химическое соединение {вещество), а соответствующий ему уровень строения вещества является химическим. И соответственно, следует различать следующие уровни строения вещественной материи: I -ультрамикрофи- зический, II -микрофизический, III -химический и IV -»макрофизический».

Кроме того, данные таблицы 2.3 свидетельствуют о глубоких качественных различиях структурной организации и механизмов связи частиц, составляющих перечисленные выше уровни строения вещества. Это подтверждается в ряде случаев (табл. 2.3 и рис. 2.4 и 2.5) многопорядковыми различиями в энергиях связи составных частиц каждого из уровней . Тем самым подтверждается тезис об индивидуальности перечисленных выше уровней строения вещества. Далее прослеживается логическая закономерная взаимосвязь массы и размера частиц с энергией связи составных частиц по мере последовательного перехода между уровнями строения вещества от I к IV или обратно. Общий вид этой взаимосвязи представлен на рисунке 2.4.

Данные рисунка 2.4 свидетельствуют о том, что с увеличением размерно-массовых характеристик по мере перехода веществ в ряду: «элементарные —> атомные —» химические —» ассоциаты и агрегаты» происходит закономерное уменьшение внутренних энергий связи составных частиц каждого последующего уровня строения вещества. Если принять во внимание, что колебания значений энергий для различных веществ внутри каждого уровня не идут ни в какое сравнение с разницей абсолютных величин энергий связи составных частиц каждого из рассмотренных выше уровней в отдельности (5 10, 1 103, 19 109 кДж/моль), то становится очевидной фундаментальная разница

рассмотренных уровней строения вещества.

Размерно-массовые и энергетические характеристики внутриструктурного взаимодействия частиц различных уровней организации вещества (единицы измерения массы m - кг, диаметра частиц d - м)

Рис. 2.4. Размерно-массовые и энергетические характеристики внутриструктурного взаимодействия частиц различных уровней организации вещества (единицы измерения массы m - кг, диаметра частиц d - м)

Особенно наглядно справедливость этого вывода иллюстрируется гистограммой (см. рисунок 2.5), показывающей разницу в масштабах энергетики взаимодействия частиц, составляющих различные уровни строения вещественной материи.

Энергия внутриструктурного взаимодействия частиц и уровни организации вещественной материи (единицы измерения Е - кДж/моль)

Рис. 2.5. Энергия внутриструктурного взаимодействия частиц и уровни организации вещественной материи (единицы измерения Е - кДж/моль): I - ультрамикрофизиче- ский, II - микрофизический, III - химический, IV - «макрофизический»

Фундаментальность различия между уровнями связана, по-видимому, прежде всего с различиями в типе и механизме взаимодействия между составными частицами внутри каждого рассмотренного уровня строения вещественной материи, а следовательно, и с различиями их структуры и свойств. Последовательный переход I —» IV и обратно (см. таблицу 2.3) предполагает превращение одного уровня строения вещества в другой (формирование нового фундаментального качества вещества) на основе поглощения совокупности частиц более низшего (простого) уровня более высшим. Естественно, что подобные превращения сопровождаются и соответствующими энергетическими эффектами. При этом при переходе от I к II и далее к III уровню происходит практически полная потеря индивидуальности составляющих исходных частиц (элементарные, атомные), так как происходит перестройка их структуры, и в веществе нового уровня в н.у. они не существуют в изолированном виде.

Исключение составляет переход III —» IV (рис. 2.5), касающийся правда только молекулярных химических веществ. В условиях Земли (н.у.) молекулярное вещество стабильно может существовать в индивидуальной изолированной форме (например, в виде газообразных молекул или в разбавленных растворах). Однако в конденсированном состоянии (жидком и твердом) эта индивидуальность несколько теряется в результате межмолекулярного (ван- дер-ваальсового и водородного) физического взаимодействия индивидуальных химических частиц и образования на их основе ассоциатов, агрегатов и т.д. В тоже время, учитывая, что это взаимодействие по сути является остаточным (или вторичным) от химического и по абсолютной величине несоизмеримо мало по сравнению с уровнем химического (в пределе отличаясь на 2,5 порядка), говорить о глубоком (качественном) изменении природы вещества при переходе от III к IV уровню не имеет смысла.

При этом в и.у. прослеживается прогрессирующая тенденция к сохранению в условиях Земли индивидуальности уровня вещественной материи при переходе от I к III формам с соответствующим уменьшением энергии взаимодействия составляющих частиц внутри каждого уровня. Например, при образовании химического вещества из атомов (переход II —» III), последние теряют свою индивидуальность на уровне изменения электронной оболочки при сохранении неизменным ядра. А при переходе от химического вещества (соединения) к ассоциатам и агрегатам, первые (как было отмечено выше) практически не теряют свою индивидуальность (Е= 2-50 кДж/моль). Тем более, что изменения внутренней структуры химического соединения (его химического строения) при образовании ассоциатов, агрегатов и т.д. не происходит.

А учитывая, что «макрофизический» уровень строения вещества (в виде агрегатов и ассоциатов) является частным случаем усложнения химических соединений лишь в виде молекулярных частиц и исторически сложившуюся их принадлежность к объектам химического исследования, реально этот IV уровень является также объектом химии (производным от химического молекулярного), который наряду с индивидуальным химическим соединением формирует специфику предмета этой науки и учебной дисциплины и его отличия от физики.

Таким образом, при вхождении вещества более низшего структурного уровня в более высший (в ряду: элементарное, атомное, химическое, биологическое и т.д.) имеет место общая тенденция (закономерность) к увеличению сохранения индивидуальности исходных частиц и понижению реакционной способности вещества более высокого уровня организации.

Именно это промежуточное значение энергии внутрихимического взаимодействия, по сравнению с внутриядерным (атомным) и межмолекулярным, обеспечивает преобладающую стабильность химического вещества в естественных Земных условиях (н.у.). Но при этом с одновременно сохраняемой на достаточно высоком уровне реакционной способности к внутриуровневому (т.е. собственно химическому) превращению одного химического соединения в другое.

Подтверждением данного вывода является подавляющее количественное превосходство на Земле индивидуальных химических веществ (индивидов) над физическими - атомными. Это в итоге и определяет преобладающую распространенность химической формы движения материи (химических превращений) на Земле. В этих условиях существование подавляющего числа индивидуальных частиц I и II уровня строения вещества термодинамически не выгодно ввиду высоких «остаточных внутриструктурных взаимодействий» в этих индивидуальных элементарных и атомных частицах. А это приводит к их повышенной реакционной способности и превращению в вещества соответственно более сложного высшего уровня (II или III), но более стабильного в н.у. В то же время для веществ III уровня эти остаточные взаимодействия уже настолько малы, что не обеспечивают в подавляющем числе случаев (по крайней мере до предбиологического уровня) устойчивого сохранения в индивидуальности ассоциатов и агрегатов, т.е. веществ IV уровня.

В общем виде, чем выше энергетика внутриструктурного взаимодействия частиц для различных уровней строения вещества, тем выше уровень «остаточных» сил, определяющих реакционную способность индивидуальных частиц вещества каждого уровня и его потенцию к превращению в вещество более высокого уровня. Этот вывод подтверждается соответствующей взаимосвязью величины внутриструктурной энергетики, остаточных взаимодействий (между элементарными, атомными и химическими частицами) и реакционной способности в ряду веществ I—IV уровней. В целом рассмотренные закономерности и выводы соответствуют существу формулы А. Энштей- на (формула 2.1) и соотношения де Бройля (формула 2.2).

Отсюда понятна термодинамическая нестабильность веществ I и II уровней строения и соответственно максимальная распространенность на Земле химической формы существования вещественной материи в виде индивидуальных химических соединений (в том числе, молекулярных). Логично поэтому звучит вопрос доктора химических наук, профессора МГУ П.М. Зоркого: «Всякое взаимодействие между атомами приводит к образованию обобществленного континуального распределения электронной плотности р(г), в которое «вкраплены» атомные ядра. Где же тут атомы?»

С другой стороны, диапазон естественного изменения термодинамических параметров и условий существования химических соединений в окружающей среде Земли обеспечивает определенную лабильность их структуры. То есть их склонность к превращениям внутри химического уровня вещества (внутриуровневые превращения), т.е. собственно химических превращений над превращениями внутри I и II уровней (т.е. физических) и превращениями вышерассмотренных трех уровней друг в друга (т.е. над межуровневыми физико-химическими превращениями).

Данные, приведенные выше, убедительно показывают материальное единство и взаимосвязь различных вещественных уровней организации материи микромира и одновременно позволяют сделать вывод о фундаментальной разнице и индивидуальности основных из них. При этом надо четко представлять, что каждая из этих частиц является фундаментальной, по сути (в смысле фундаментальной индивидуальности) и по традиционной трактовке, т.е. является фундаментом вещества более высокого уровня (элементарная частица —» атом —» химическое соединение —» биологическое соединение). В основе последнего утверждения лежат фундаментальные отличия основных перечисленных выше уровней организации вещественной материи микромира (ультрамикрофизический, микрофизический и химический) в величинах:

  • ? диапазона изменения их размерно-массовых характеристик;
  • ? энергетики внутриструктурного взаимодействия частиц, образующих соответствующий уровень вещества;
  • ? расстояний между структурными центрами вещества;

Имеет место и принципиальная разница в основах структурной организации веществ. Например, у микрофизического уровня - атомов (электроноядерная система) и у химического уровня - химических соединений (ядерно- электроно-ядерная система), особенно с учетом того, что во втором случае мы имеем дело не просто с электронами, а с обобществленными электронами. То есть структурная организация вещества химического уровня, характеризуется новым качеством. А это, несомненно, должно сказаться на специфике механизма и природы связывания структурных ядерных центров (статическая составляющая) обобществленными электронами (динамическая составляющая) в соответствующее химическое вещество. Совокупность фундаментальных отличий веществ разного уровня микромира, перечисленных выше, предопределяет специфику и различия и в их свойствах (внешнюю энергетику, реакционную способность и время жизни, волновые свойства и т.д.)

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >