В океане энергии

Кроме основного состояния, электрон, а точнее — весь атом, может принимать и другие, строго определенные энергетические состояния. Атом способен переходить из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При каждом таком переходе излучается порция электромагнитной энергии.

Так обстоит дело с атомом водорода. Атомы других элементов, содержащих более одного электрона, подчиняются еще одному запрету, получившему название принципа запрета Паули: в атоме не может быть двух электронов, находящихся в точно одинаковых состояниях. Если состояние с наименьшей энергией уже занято одним электроном, то второй электрон в соответствии с принципом Паули должен занимать другое состояние, характеризуемое более высокой энергией. То же самое справедливо для третьего, четвертого электронов и т. д.

Атом любого вещества обладает строго определенной электронной структурой, подчиняющейся двум основным законам: соотношению неопределенностей и принципу Паули. Большое значение имеют также и спины электронов. В каждом состоянии атом в целом обладает запасом кинетической энергии, причем минимальная величина этого запаса устанавливается опять-таки соотношением неопределенностей и принципом Паули. Пока атом остается атомом, т. е. пока он не потерял ни одного из своих электронов, запас его кинетической энергии не может быть меньше некоторой минимальной величины. Таким образом, каждый атом представляет собой кладовую энергии, которая и называется химической.

Итак, химическая энергия — это опять-таки кинетическая энергия движения, кинетическая энергия движущихся электронов. Однако в отличие от того, с чем мы сталкивались до сих пор, значение химической энергии каждого атома строго определено.

Молекула

Не столкнулись ли мы снова с парадоксальной ситуацией? Окруженные всевозможными атомами, мы тем самым окружены поистине неисчерпаемыми запасами химической энергии. Но как ее заполучить? Мы сами выяснили, что энергия атома не может оказаться меньше своего значения в основном состоянии. Но если она не может оказаться меньше, то атом не может отдать даже маленькой части своей энергии. А коли так, спрашивается, какая нам польза от того, что эти запасы существуют? Атом отдает часть энергии, переходя из возбужденного состояния в основное. Но для этого его надо сначала возбудить, т. е. затратить ровно столько энергии, сколько потом может быть получено.

Все это правильно. Атомы как таковые действительно являются кладовыми энергии, спрятанными за семью замками. Существует ли способ разомкнуть эти замки? Да, для этого нужно, чтобы атомы объединились в молекулу. Молекула — более сложное образование, чем отдельный атом. Часть электронов атомов объединяется и становится общей для всей молекулы. При этом, естественно, изменяется электронная структура и возникают новые разрешенные энергетические уровни. Возможно одно из двух: либо суммарная энергия электронов в основном состоянии молекулы будет выше, чем сумма энергий атомов, составляющих молекулу, либо, наоборот, суммарная энергия электронов в основном состоянии молекулы будет ниже, чем сумма энергий атомов, составляющих молекулу.