В конце прошлого века часто считали, что различие между механической (или физической) и химической формами движения материи определяется размерами движущихся объектов [46]. Так, соединение атомов в молекулу - химический процесс, а слипание более крупных коллоидных частиц - физическая коагуляция, хотя эти частицы могут связываться такими же химическими связями, как и атомы. Представлялось, что на шкале размеров имеется граница (около 10-7 см), выше которой располагается материал физики или механики, а ниже - химии. Это философское истолкование быстро устарело. Действительно, движение -частиц (то есть ядер гелия), изученных Резерфордом, а также движение электронов и их взаимодействие с веществом оказались явно физическими процессами, хотя на шкале размеров они лежат в "химической" области. Теперь материал химии образует на этой шкале как бы "остров", выше и ниже которого располагается материал физики. Однако многозначительным представляется тот факт, что выше химического по этой шкале располагается материал классической физики, а ниже - материал квантовой физики; материал химии располагается в переходной зоне от классической физики к квантовой, где h/kT 1. Видимо, это важный или даже определяющий признак химического процесса, химической формы движения материи. Практически материал химии укладывается в полосу значений h/kT от 0.1 до 10; в конденсированных состояниях это соответствует значениям энтропии S/R примерно от 0.1 до 10 на грамм-атом. Как отмечено выше (раздел 1.1.2), физические процессы релаксации напряжений, упорядочения (позиционного или по сорту), спекания, "рекристаллизации" и другие протекают за микроскопическое время порядка периода колебания в перегретой простой жидкости (выше Тп) и продолжаются, например, год и более, то есть практически не идут в затвердевшем состоянии ниже Тст/2. Выясняется [7], что внутримолекулярная структура, как и структура твердого тела, также "размягчается" при нагреве. Химические реакции, то есть процессы установления равновесия по внутримолекулярным связям, также протекают за время порядка периода колебания в простой атомарной жидкости, выше некоторой Тп, и требуют большого времени, более года, то есть практически не идут ниже Тст/2. Ниже Тст/2 эти процессы уже не воспринимаются как химические реакции; здесь мы имеем химически неизменное инертное твердое тело. Выше Тп они не воспринимаются как реакции, потому что протекают практически мгновенно. Кроме того, выше Тп уже нет соединений, существуют только растворы. Химическая форма движения материи укладывается в полосу от Тст/2 до Тп. Есть химия межмолекулярных реакций в газовой фазе и химия реакций в жидкой фазе, но нет химии межмолекулярных реакций в твердой фазе; при затвердевании такие реакции практически прекращаются. Правда, есть целая дисциплина - химия твердого тела, но она изучает в основном реакции атомарных твердых тел с газообразными или жидкими реагентами. Твердое тело выступает здесь лишь как один из реагентов, даже во "внутритвердотельных" реакциях. Около температур плавления (выше Тcт/2) с заметными скоростями идут также реакции между атомарными твердыми телами, интенсивно исследуемые в последнее время, в частности, в связи с процессами спекания материалов из смесей порошков. При охлаждении до температуры Тст/2 прекращаются и эти реакции, одновременно с физическими процессами или несколько раньше их. Рассмотрим для примера реакцию Fe + Si = FeSi, изученную металлургами [30]. Эта реакция в наиболее явном виде идёт несколько ниже температуры плавления FeSi (то есть при h/kT 1, в области затвердевания) когда, например, между частицами твердого железа и кремния растут прослойки интерметаллического соединения FeSi. При повышении температуры и переходе в область жидкого состояния признаки соединения FeSi становятся малозаметными, а при достаточном перегреве (видимо, около 2000oС) эти признаки практически полностью исчезают; смешение жидких железа и кремния здесь, в области простой жидкости (то есть в классической области (h/kT<<1)), идет как обычное растворение. В такой простой (по всем связям) жидкости вообще, видимо, нет соединений, есть только растворы. "Химическое равновесие", то есть равновесное распределение связей, здесь устанавливается практически мгновенно; "химическая релаксация", как и релаксация механических напряжений, может завершиться, например, за 10-12 с, и не воспринимается как химическая реакция. Таким образом, в области классической простой жидкости нет соединений и невозможно наблюдать реакцию; это - "чисто физическая" система. С другой стороны, при комнатных и более низких температурах реакцию также невозможно наблюдать, так как её скорость ничтожно мала; глубоко в квантовой области (h/kT 1) мы приближаемся к "абсолютно твёрдому телу", химически неизменному (инертному). Система снова становится "чисто физической". Выявляется, таким образом, широкая аналогия между химической реакцией и физическими процессами переноса, например, релаксацией механических напряжений. Те и другие процессы практически не идут в полностью затвердевшем состоянии (ниже Тст/2) и идут практически мгновенно и поэтому незаметны в состоянии простой атомарной жидкости, то есть при "полностью размягченных" связях, при Е 0. В обоих случаях реакции ненаблюдаемы, и системы воспринимаются как чисто физические. Характерное время как физических, так и химических процессов составляет макроскопическую величину, например, 1 минута, 1час в области затвердевания по соответствующим связям; далее, здесь существуют не только растворы, но и соединения; в этой области проявляется и наиболее явственно воспринимается "химическая форма движения материи", при h/kT 1. Некоторые приемы катализа химических реакций оказываются аналогичными методам разжижения вязкого расплава; такие способы ускорения физических и химических процессов сводятся к размягчению структуры за счет повышения среднего атомного веса и, тем самым, понижения "степени квантовости". Открываются возможности перенесения обширных имеющихся данных и закономерностей по вязкости для анализа менее изученной кинетики химических реакций. Правда, в рассмотренной системе Fe-Si все связи примерно равноценны; часто ситуация сложнее, и химические реакции идут по более прочным связям, по сравнению со взаимодействиями, определяющими вязкость и механическое затвердевание системы. В этом случае "затвердевание" и "размягчение" по связям реакции (и, соответственно, область явного протекания реакции) придётся на более высокие температуры, чем затвердевание-плавление. Нередко также практически недостижимы температуры "размягчения" по связям реакции, при которых энергия активации химической реакции становится практически нулевой, Ехр 0, а равновесное распределение связей достигается практически мгновенно и теряет "химическую" специфику. В целом представляется разумным связывать химическую форму движения материи с областью перехода от классической области к квантовой (по связям реакции).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «О ХИМИЧЕСКОЙ ФОРМЕ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ» з дисципліни «Про кризу кінетичної теорії рідини і затвердіння»
