Страница:
Принцип двойственности фн. ячеек и фщ. единиц свойственен структурам и более крупных элементов. Так экспериментальным путем, как известно, обнаружены антиядра изотопа гелия-3. Не исключено, что одно из продолжений этой теории логически связано с разгадкой тайн больших черных дыр в космосе и возможности существования антимира. Однако, это предмет другого исследования.
Рассматривая природу взаимодействий различных элементов подуровней А В, мы можем подразделить их в соответствии с общепризнанной классификацией на четыре четко отличающихся друг от друга типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Их резкое различие видно из сравнения относительных интенсивностей взаимодействий, которые относятся соответственно как 1:10-2:10-5:10-38. Гравитационное взаимодействие определяет структуру космоса, электромагнитное - структуру атома и молекулы, сильное же взаимодействие определяет структуру ядра. Слабому взаимодействию подвержены все частицы упомянутых подуровней за исключением фотона. Помимо этого следует постоянно иметь ввиду, что всем указанным взаимодействиям свойственны некоторые симметрии. И если для одних взаимодействий они тесно связаны с симметрией пространства-времени, то для других они подчиняются законам внутренней симметрии взаимодействий.
Перед тем, как продолжить наше движение по координате качества, остановимся еще на одном важном моменте. Как мы уже отмечали, параллельно с движением Материи по подуровню В, то есть функциональной дифференциации его ячеек и единиц, происходила одновременная концентрация элементов в звездные тела, пространственный объем которых был несравнимо меньше остававшегося материально разреженным межзвездного пространства. В результате, с помощью уже упоминавшейся формулы полной энергии системы точек
можно сделать ряд интересных выводов.
Известно, что из-за связанности в звездных структурах перемещения материальных образований подуровня В резко сокращены (то есть , а ), в то время как энергия всей системы остается величиной постоянной. Тогда формула полной энергии для сконцентрированных в пространстве системных элементов трансформируется в смысловое выражение . Если же учесть, что суммарная масса является объектом функциональной дифференциации , то можно записать указанную зависимость в виде , которая означает, что в условиях ограничения движения в пространстве, характерного для материальных частиц, сосредоточенных в звездно-планетных телах Вселенной, для сохранения направленности тензора Развития Материи движение в качестве () должно происходить в квадратной зависимости от движения Материи во времени. Вследствие этого приращение функциональных свойств материальных систем, сосредоточенных в звездно-планетных образованиях, для какого-либо региона Вселенной протекает значительно быстрее, чем это происходило бы для всей равномерно простирающейся и перемещающейся по пространству Вселенной материальной субстанции.
Из тех же уравнений следует, что для материальных систем - фщ. единиц, движение которых в пространстве практически ограничено (), время функционирования равно квадратному корню из их функциональной суммарной массы , то есть чем меньше их суммарная масса, тем короче период их функционирования и, соответственно, существования. Образно говоря, полученное уравнение можно назвать "формулой смерти всего застывшего".
Здесь также уместно отметить, что с каждым последующим организационным уровнем Развития Материи фщ. единицы несут на себе все больше фн. нагрузок, то есть повышается коэффициент их полифункциональности. И чем сложнее по организации структурный уровень Материи, тем выше будет этот коэффициент. Отмеченный фактор облегчает решение задачи ускорения движения Материи в качестве () в условиях ограниченного пространства () звездно-планетных образований.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень Г
Следующий организационный уровень системных образований Материи объединяет все качественное многообразие неорганических элементов. Исходя из требований закона увеличения приращения функций в единицу времени вследствие ограничения пространственного перемещения, появление системных образований данного подуровня происходило главным образом на планетных телах Вселенной.
Образующей основой структур уровня Г служит химическое соединение элементов Материи, а точнее, химическая связь между функционирующими единицами подуровня В (то есть атомами), в результате чего образуются фщ. единицы нового уровня (молекулы), каждая из которых имеет свои строго определенные фн. свойства, большинство из которых в настоящее время хорошо изучены.
Вкратце остановимся на механизме действия химической связи.
Все многочисленные химические процессы происходят в результате взаимных перегруппировок атомов, сопровождающихся разрывом старых фн. связей между ними и образованием новых в рамках структур фн. ячеек элементов данного подуровня. Не существует химических реакций, в ходе которых связи между фн. ячейками, занимаемыми различными атомами, не изменялись бы. Внешне ответственными за это являются электронные оболочки атомов, вступивших в контакт друг с другом. Поэтому смело можно утверждать, что это является их главным фн. свойством, их функцией.
Соприкосновение взаимодействующих атомов, сопровождающееся частичным перекрыванием их электронных оболочек, является необходимым условием возникновения между ними химической связи. В качестве примера рассмотрим механизм организации простейшего по структуре образования данного подуровня молекулы водорода.
Электрон в атоме водорода занимает определенный энергетический уровень, который является наинизшим, если атом не возбужден и находится в изолированном состоянии. При сближении двух атомов их электроны испытывают притяжение со стороны обоих ядер, которое возрастает по мере уменьшения расстояния между ними. Однако, на определенном этапе сближение атомов может приостановиться вследствие действия сил отталкивания между электронами, каждый из которых обладает отрицательным зарядом. Поэтому дальнейшее взаимодействие двух атомов будет протекать в зависимости от характеристики спинов их электронов. Электроны с параллельными (одинаково направленными) спинами ( ) отталкиваются друг от друга, а электроны с антипараллельными спинами ( ) сближаются, стягиваясь в электронную пару. Этот принцип уже упоминался нами при описании построения атомных орбиталей электронных оболочек атомов.
Таким образом, при сближении двух атомов водорода в пространство между их ядрами могут войти два электрона, спины которых антипараллельны. В результате появляется стабильное двухатомное системное образование - молекула водорода H2, фн. ячейки которого заполнены фщ. единицами подуровня В - атомами водорода. Общая кинетическая энергия системы из двух атомов уменьшается вследствие поглощения ее при построении самой системы путем трансформации части кинетической энергии отдельных атомов в потенциальную энергию связи молекулы. Ядра связанных атомов остаются на строго определенном расстоянии и совершают колебания относительно друг друга. Равновесное межядерное расстояние, называемое длиной химической связи, для молекулы H2 равно 0,74 при радиусах атомов водорода 0,53 . Область пространства между ядрами атомов, в которой вероятность нахождения электронной пары максимальна, представляет собой молекулярную орбиталь. В ней, как мы выяснили, не могут находиться одновременно два электрона с параллельными спинами. Поэтому при сближении двух атомов, электроны которых имеют параллельные спины, молекула водорода образоваться не может. Химическая связь может возникать как между отдельными атомами периодической системы подуровня В, так и между более сложными фщ. единицами - молекулами, ионами, радикалами... Однако в любом случае в ее основе лежит метод валентных связей, главное положение которого состоит в том, что валентность любой указанной единицы равна числу ее неспаренных электронов. Если в атоме имеются вакантные орбитали (фн. ячейки уровня АА), не слишком сильно отличающиеся по уровню энергии от орбиталей, содержащих пару электронов, то возможен переход одного из электронов в свободную орбиталь соседнего подслоя. В результате, электроны "распариваются" и становятся валентными. Однако, чтобы осуществить такой перевод электрона на другую орбиталь, то есть возбудить атом, нужно затратить определенное количество внесистемной энергии. Число обобщенных электронных пар определяет ковалентность элемента.
Каждая фщ. единица (атом, ион или молекула), содержащая в орбитали неспаренный электрон, следуя законам движения Материи в качестве (), стремится к установлению с партнерами атомной связи и поэтому обладает высокой реакционной способностью, проявляющейся прежде всего в реакциях замещения (Na + H2O = NaOH + H) и присоединения (H + H = H2 или H + Cl = HCl ).
Связь между атомами, осуществляемая общей электронной парой, может возникнуть и другим путем. Если в атомной орбитали одного атома (Д) находятся два электрона, а у другого атома (А) имеется вакантная атомная орбиталь, то связь между ними образуется за счет пары электронов первого атома (Д: А). Атом Д, предоставляющий для образования связи электронную пару, является донором, а атом А, обладающий свободной орбиталью, - акцептором.
Образование донорно-акцепторной связи протекает по пути, отличающемуся от механизма ковалентной связи, но приводит к такому же результату. При этом происходит усложнение состава и структуры веществ с образованием сложных "комплексных" соединений, несущих свою строго определенную функциональную нагрузку. Как правило, один из атомов (обычно акцептор), располагаясь в центре, координирует вокруг себя единицы, вступающие с ним в донорно-акцепторную связь, называемую еще поэтому координативной связью. За счет координативной связи происходит химическое насыщение атома, в результате чего внутренняя энергия системы взаимодействующих атомов понижается. Благодаря этому общая валентность атома (как суммы всех его связей) может быть достаточно высокой.
Итак, при установлении химической связи атом предоставляет партнеру либо атомную орбиталь с двумя свободными фн. ячейками (акцептор), либо атомную орбиталь с одним электроном и одной свободной фн. ячейкой, либо атомную орбиталь с парой электронов - фщ. единиц (донор). Поэтому валентность элемента равна общему числу орбиталей его атома, принимающих участие в образовании химических связей. При заполнении электронами фн. ячеек всех возможных атомных орбиталей атом химически насыщается и становится неспособным к установлению дополнительных химических связей
В общем случае образование каждой дополнительной валентной связи приводит к дальнейшей стабилизации молекулы, поэтому наиболее устойчивыми молекулами являются такие, в атомах которых все стабильные атомные орбитали либо использованы для образования связей, либо заняты неподеленными парами электронов.
Ковалентная, как и донорно-акцепторная химическая связь образуется между атомами, расположенными в пространстве друг относительно друга определенным образом - направленно. И поэтому, чем полнее в пространстве перекрываются друг с другом две атомные орбитали, участвующие в химической связи, тем меньшим запасом энергии обладают электроны, находящиеся в области перекрывания и осуществляющие связь, и тем прочнее химическая связь между этими атомами. Направленность химических связей в пространстве придает всем многоатомным частицам (молекулам, ионам, радикалам) определенную конфигурацию. От нее зависит внутренняя структура вещества, а также его фн. свойства.
Параллельно с развитием структуры фщ. единиц уровня Г происходило дальнейшее разделение их фн. свойств. Примером этому может служить деление единиц на диамагнитные и парамагнитные. Первые оказывают прохождению магнитных силовых линий сопротивление большее, чем "вакуум", а вторые проводят их лучше, чем "вакуум". Поэтому внешнее магнитное поле выталкивает диамагнитные вещества и втягивает парамагнитные. Столь различное их поведение объясняется особенностями структурного построения, диктуемого законами нижних организационных уровней, и действие которых определяет характер внутренних магнитных полей вещества, складывающихся из собственных магнитных моментов нуклонов и электронов. Магнитный момент любого атома определяется все же, главным образом, суммарным спиновым магнитным моментом электронов, так как магнитные моменты протонов и нейтронов примерно на три порядка меньше моментов электронов. Если два электрона находятся в одной орбитали, то их магнитные поля замыкаются, так как оба они могут иметь антипараллельные спины. Поэтому, если в веществе, представляющем сумму однородных единиц, магнитные моменты всех электронов взаимно скомпенсированы, то есть все электроны спарены, то это вещество диамагнитное. Напротив, если в орбиталях имеются холостые электроны, то вещесто проявляет парамагнетизм. Примерами диамагнитных веществ могут служить молекулярные водород, азот, фтор, углерод и литий (в газообразном состоянии). К парамагнитным относятся молекулярный бор, кислород, окись азота.
Вещества с аномально высокой магнитной восприимчивостью (например, железо) относятся к ферромагнитным. Однако, ферромагнетизм проявляется ими только в твердом состоянии.
Здесь следует также отметить, что одним из важных видов химических взаимодействий, возникших в период движения Материи в своем развитии по уровню Г, являются окислительно-восстановительные реакции. К ним относятся реакции, в результате которых изменяются степени окисленности элементов, то есть происходит взаимное перемещение электронов вступивших в реакцию веществ, при этом происходит отдача электронов одними молекулами (окисление) и присоединение их другими (восстановление). Окислительно-восстановительные реакции играют большую роль при протекании в биологических системах таких процессов, как фотосинтез, дыхание, пищеварение и т.п.
Таким образом, в ходе развития Материи по организационному уровню Г функциональная дифференциация атомов стала причиной их структурной интеграции в молекулы.
Уровень Д
Все окружающие нас тела и вещества представляют собой совокупности большого числа фщ. единиц уровня Г - молекул, ионов, радикалов со строго определенными фн. свойствами - тем или иным образом расположенным в пространстве и объединенным в соответствующие системные образования уровня Д. Их взаимное расположение в пространстве не является случайным, а подчинено объективным законам общей теории систем, в соответствии с которыми они заполняют предназначенные для них фн. ячейки в структурах системных образований более высокого порядка. В зависимости от характера взаимодействий фщ. единиц, регламентируемых алгоритмами соответствующих фн. ячеек, объединяющее их вещество находится в одном из фазовых состояний, свойства которого предопределяют структуру фиксирования фн. ячеек и поведение заполняющих их фщ. единиц.
Различают три основных типа фазовых состояний вещества - газообразное, жидкое и твердое. Кроме того, существуют такие фазовые состояния, как плазменное и сверхпроводимое. Отличие всех состояний друг от друга заключается в системной организации входящих в них фщ. единиц, их взаимном расположении в пространстве и уровне их энергии. При переходе вещества из одного фазового состояния в другое прежде всего происходит структурная перестройка системы фн. ячеек, отражающей запас внутренней энергии вещества, его теплоемкости, плотности и т.п. Вместе с тем, любая система единиц уровня Г обладает определенным числом степеней свободы, равным числу условий, которые могут быть изменены произвольно (в определенных пределах), не вызывая в системе фазовых переходов.
Вполне естественно предположить, что в начальный этап движения Материи по уровню Д небольшие объединения Г-образований в дальнейшем приобретали все более сложную структурную композицию, включающую первоначальные микросистемы в качестве фщ. единиц и объединяя их в более крупные макросистемы. Фазовое состояние каждой макросистемы уровня Д прежде всего зависит от состояний всех входящих в него микросистем и характеризуется его термодинамической вероятностью. Таким образом, подчиняясь статистике, система стремится перейти в такое макросостояние, которому соответствует большее число вариантов микросостояний.
С ростом числа вариантов повышается вероятность перехода системы в данное состояние и вместе с тем уменьшается упорядоченность в расположении частиц, то есть увеличивается "беспорядок" в системе. Под этим подразумевается расширение набора как скоростей, так и направленности движения (поступательного, колебательного, вращательного) в пространстве фщ. единиц всех подуровней, составляющих систему (молекул, атомов, электронов и т.д.). Указанное отражает стремление Материи в соответствии с законами своего Развития через системные состояния уравновесить свое движение в качестве-пространстве-времени. Поэтому системы, подчиняясь закономерностям развития в трех категориях, стремятся перейти в состояния, обеспечивающие их наибольшую стабильность, однако при этом все большую роль играет степень изолированности (или замкнутости) данной системы, определяющая ее способность учавствовать в создании фщ. единиц более высокого порядка в соответствии с требованиями .
Кроме того, необходимо учитывать, что каждая система уровня Д обладает уже значительным по величине (по сравнению с более низкими уровнями) запасом внутренней энергии, складывающейся из энергии движения, колебания и вращения всех молекул, энергии движения электронов и ядер в атомах, энергии нуклонов, то есть из суммарной энергии всех видов движения всех фщ. единиц нижних уровней, входящих в структуру данной системы. На запас внутренней энергии не влияет положение или перемещение системы в пространстве в качестве фщ. единицы организационного уровня следующего порядка, поэтому кинетическая и, в отдельных случаях, потенциальная энергия системы в целом не являются компонентами ее внутренней энергии, которая зависит только от оргуровня системы, а также от степени ее изолированности.
В случае отсутствия замкнутости системного образования () в системе могут протекать лишь процессы, ведущие к уменьшению внутренней энергии, совершенствованию системной организации, свободному движению Материи в пространстве-времени-качестве. В замкнутых в той или иной степени системах (не обменивающихся с внешней средой фщ. единицами и энергией) могут протекать только такие процессы, при которых энтропия системы возрастает.
Многое из сказанного подтверждается уже рассмотренной нами формулой , которая после смысловой перестановки трансформируется в . В неизолированных системах развитие материальной субстанции происходит относительно равнозначно в , однако на более высоких уровнях организации, включая уровень Д, вследствие снижения скоростей распространения в пространстве, значительно уменьшается по сравнению с динамикой этого параметра на низких уровнях, энергия совокупной Материи уменьшается на каждый значимый объем пространства и движение в качестве стремится ко все большей пространственной локализации (но не изолированности). В замкнутых же системах (, ) упомянутая формула преображается, как известно, в , то есть система стремится перейти в состояние с максимальным количеством вариантов, вследствие чего процесс может идти всегда до такого состояния, энтропия которого имеет максимальное для существующих условий значение. Таким образом, состояние, в котором система может пребывать при неизменных условиях, является итогом конкуренции двух активных факторов - энтропийного и энергетического. (Аккумулятивный фактор всегда носит пассивный характер).
При переходе вещества в то или иное фазовое состояние в зависимости от условий сталкиваются две противодействующие тенденции: первая - стремление к уменьшению внутренней энергии, приводящее к потере частицами подвижности и к возрастанию порядка в системе, и вторая - стремление к увеличению энтропии, приводящее к уменьшению системного порядка. Любой процесс на любом оргуровне, включая даже такой высокий, как общественный, является отражением борьбы этих противоположных факторов и это всегда необходимо учитывать. В системных процессах уровня Д преобладание одного из факторов ведет к постепенному переходу системы в более термодинамически устойчивое состояние.
При преобладании энергетического фактора процесс идет в сторону уменьшения внутренней энергии системы в результате усиления взаимодействия частиц вещества, сопровождающегося выделением энергии. К таким процессам относятся преимущественно процессы, усложняющие структуру вещества, повышающие его агрегацию: образование молекул из атомов, ассоциация молекул, распрямление и взаимная ориентация макромолекул, сжатие газа, конденсация пара, кристаллизация вещества.
В случае, если превалирует энтропийный фактор, процесс идет в сторону увеличения энтропии системы в результате разъединения частиц вещества и их взаимного отдаления. Это преимущественно процессы, связанные с дезагрегацией вещества: плавление вещества, его испарение, расширение и смешение газов, растворение веществ, диссоциация молекул и т. п.
Рассмотрим вкратце особенности поведения фщ. единиц в структурах вещества при различных фазовых состояниях в системных образованиях оргуровня Д.
Газовое состояние вещества - более вероятное при высоких температурах характеризуется высокими значениями энтропии. Это говорит о полном беспорядке в системе фщ. единиц, совершающих индивидуальные поступательные движения с различными скоростями и практически не взаимодействующих друг с другом. Чем меньше энергия взаимодействия между двумя фщ. единицами, находящимися в контакте (слабые связи), тем больше запас внутренней энергии системы, и тогда даже при низких температурах вещество способно находиться в газовом состоянии. К таким веществам относятся прежде всего инертные газы, атомы которых испытывают друг к другу очень слабое притяжение.
По мере усложнения структурного строения фщ. единиц (вследствие ), их способность к взаимному притяжению возрастает. Это проявляется в повышении температур кипения веществ с возрастанием фн. массы составляющих их элементов. При заданной температуре средняя скорость () молекул газа зависит от их фн. массы: чем больше ее значение, тем больше требуется энергии, чтобы увеличить ее скорость (). Скорости молекул связаны с параметрами состояния системы (температурой, давлением) и поэтому являются важной характеристикой их поведения.
Тепловое движение молекул в веществе обусловливает его способность к диффузии, то есть к самопроизвольному переходу вещества в те области пространства (), где его концентрация меньше или равна нулю. Это свойство проявляется в самых различных природных процессах - испарении, растворении, осмосе, клеении и пр.
При охлаждении веществ, находящихся в газовом состоянии (или при их сильном сжатии), силы взаимодействия между частицами начинают преобладать над энергией их теплового движения и при определенной температуре (индивидуальной для каждого вещества) оно переходит в жидкое состояние. Необходимым условием такого перехода является установление связей между отдельными фщ. единицами (молекулами или атомами), в результате чего внутренняя энергия системы становится меньше. Жидкое состояние вещества являет собой более "организованную" структуру, чем его газовое состояние, но оно менее стабильно, то есть подвержено более частым изменениям в течение различных промежутков времени (), чем твердое вещество. Поэтому жидкое состояние является промежуточным между газовым и твердым. Молекулы жидкости, имея возможность перемещения, сохраняют определенный порядок во взаимном расположении. По структуре и по характеру взаимодействий между частицами жидкость более сходна с кристаллами, нежели с газами. Как и твердые тела, жидкости обладают определенным объемом, что также отличает их от газов. Принципиальным отличием жидкости от твердого тела является отсутствие собственной формы.
Рассматривая природу взаимодействий различных элементов подуровней А В, мы можем подразделить их в соответствии с общепризнанной классификацией на четыре четко отличающихся друг от друга типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Их резкое различие видно из сравнения относительных интенсивностей взаимодействий, которые относятся соответственно как 1:10-2:10-5:10-38. Гравитационное взаимодействие определяет структуру космоса, электромагнитное - структуру атома и молекулы, сильное же взаимодействие определяет структуру ядра. Слабому взаимодействию подвержены все частицы упомянутых подуровней за исключением фотона. Помимо этого следует постоянно иметь ввиду, что всем указанным взаимодействиям свойственны некоторые симметрии. И если для одних взаимодействий они тесно связаны с симметрией пространства-времени, то для других они подчиняются законам внутренней симметрии взаимодействий.
Перед тем, как продолжить наше движение по координате качества, остановимся еще на одном важном моменте. Как мы уже отмечали, параллельно с движением Материи по подуровню В, то есть функциональной дифференциации его ячеек и единиц, происходила одновременная концентрация элементов в звездные тела, пространственный объем которых был несравнимо меньше остававшегося материально разреженным межзвездного пространства. В результате, с помощью уже упоминавшейся формулы полной энергии системы точек
можно сделать ряд интересных выводов.
Известно, что из-за связанности в звездных структурах перемещения материальных образований подуровня В резко сокращены (то есть , а ), в то время как энергия всей системы остается величиной постоянной. Тогда формула полной энергии для сконцентрированных в пространстве системных элементов трансформируется в смысловое выражение . Если же учесть, что суммарная масса является объектом функциональной дифференциации , то можно записать указанную зависимость в виде , которая означает, что в условиях ограничения движения в пространстве, характерного для материальных частиц, сосредоточенных в звездно-планетных телах Вселенной, для сохранения направленности тензора Развития Материи движение в качестве () должно происходить в квадратной зависимости от движения Материи во времени. Вследствие этого приращение функциональных свойств материальных систем, сосредоточенных в звездно-планетных образованиях, для какого-либо региона Вселенной протекает значительно быстрее, чем это происходило бы для всей равномерно простирающейся и перемещающейся по пространству Вселенной материальной субстанции.
Из тех же уравнений следует, что для материальных систем - фщ. единиц, движение которых в пространстве практически ограничено (), время функционирования равно квадратному корню из их функциональной суммарной массы , то есть чем меньше их суммарная масса, тем короче период их функционирования и, соответственно, существования. Образно говоря, полученное уравнение можно назвать "формулой смерти всего застывшего".
Здесь также уместно отметить, что с каждым последующим организационным уровнем Развития Материи фщ. единицы несут на себе все больше фн. нагрузок, то есть повышается коэффициент их полифункциональности. И чем сложнее по организации структурный уровень Материи, тем выше будет этот коэффициент. Отмеченный фактор облегчает решение задачи ускорения движения Материи в качестве () в условиях ограниченного пространства () звездно-планетных образований.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень Г
Следующий организационный уровень системных образований Материи объединяет все качественное многообразие неорганических элементов. Исходя из требований закона увеличения приращения функций в единицу времени вследствие ограничения пространственного перемещения, появление системных образований данного подуровня происходило главным образом на планетных телах Вселенной.
Образующей основой структур уровня Г служит химическое соединение элементов Материи, а точнее, химическая связь между функционирующими единицами подуровня В (то есть атомами), в результате чего образуются фщ. единицы нового уровня (молекулы), каждая из которых имеет свои строго определенные фн. свойства, большинство из которых в настоящее время хорошо изучены.
Вкратце остановимся на механизме действия химической связи.
Все многочисленные химические процессы происходят в результате взаимных перегруппировок атомов, сопровождающихся разрывом старых фн. связей между ними и образованием новых в рамках структур фн. ячеек элементов данного подуровня. Не существует химических реакций, в ходе которых связи между фн. ячейками, занимаемыми различными атомами, не изменялись бы. Внешне ответственными за это являются электронные оболочки атомов, вступивших в контакт друг с другом. Поэтому смело можно утверждать, что это является их главным фн. свойством, их функцией.
Соприкосновение взаимодействующих атомов, сопровождающееся частичным перекрыванием их электронных оболочек, является необходимым условием возникновения между ними химической связи. В качестве примера рассмотрим механизм организации простейшего по структуре образования данного подуровня молекулы водорода.
Электрон в атоме водорода занимает определенный энергетический уровень, который является наинизшим, если атом не возбужден и находится в изолированном состоянии. При сближении двух атомов их электроны испытывают притяжение со стороны обоих ядер, которое возрастает по мере уменьшения расстояния между ними. Однако, на определенном этапе сближение атомов может приостановиться вследствие действия сил отталкивания между электронами, каждый из которых обладает отрицательным зарядом. Поэтому дальнейшее взаимодействие двух атомов будет протекать в зависимости от характеристики спинов их электронов. Электроны с параллельными (одинаково направленными) спинами ( ) отталкиваются друг от друга, а электроны с антипараллельными спинами ( ) сближаются, стягиваясь в электронную пару. Этот принцип уже упоминался нами при описании построения атомных орбиталей электронных оболочек атомов.
Таким образом, при сближении двух атомов водорода в пространство между их ядрами могут войти два электрона, спины которых антипараллельны. В результате появляется стабильное двухатомное системное образование - молекула водорода H2, фн. ячейки которого заполнены фщ. единицами подуровня В - атомами водорода. Общая кинетическая энергия системы из двух атомов уменьшается вследствие поглощения ее при построении самой системы путем трансформации части кинетической энергии отдельных атомов в потенциальную энергию связи молекулы. Ядра связанных атомов остаются на строго определенном расстоянии и совершают колебания относительно друг друга. Равновесное межядерное расстояние, называемое длиной химической связи, для молекулы H2 равно 0,74 при радиусах атомов водорода 0,53 . Область пространства между ядрами атомов, в которой вероятность нахождения электронной пары максимальна, представляет собой молекулярную орбиталь. В ней, как мы выяснили, не могут находиться одновременно два электрона с параллельными спинами. Поэтому при сближении двух атомов, электроны которых имеют параллельные спины, молекула водорода образоваться не может. Химическая связь может возникать как между отдельными атомами периодической системы подуровня В, так и между более сложными фщ. единицами - молекулами, ионами, радикалами... Однако в любом случае в ее основе лежит метод валентных связей, главное положение которого состоит в том, что валентность любой указанной единицы равна числу ее неспаренных электронов. Если в атоме имеются вакантные орбитали (фн. ячейки уровня АА), не слишком сильно отличающиеся по уровню энергии от орбиталей, содержащих пару электронов, то возможен переход одного из электронов в свободную орбиталь соседнего подслоя. В результате, электроны "распариваются" и становятся валентными. Однако, чтобы осуществить такой перевод электрона на другую орбиталь, то есть возбудить атом, нужно затратить определенное количество внесистемной энергии. Число обобщенных электронных пар определяет ковалентность элемента.
Каждая фщ. единица (атом, ион или молекула), содержащая в орбитали неспаренный электрон, следуя законам движения Материи в качестве (), стремится к установлению с партнерами атомной связи и поэтому обладает высокой реакционной способностью, проявляющейся прежде всего в реакциях замещения (Na + H2O = NaOH + H) и присоединения (H + H = H2 или H + Cl = HCl ).
Связь между атомами, осуществляемая общей электронной парой, может возникнуть и другим путем. Если в атомной орбитали одного атома (Д) находятся два электрона, а у другого атома (А) имеется вакантная атомная орбиталь, то связь между ними образуется за счет пары электронов первого атома (Д: А). Атом Д, предоставляющий для образования связи электронную пару, является донором, а атом А, обладающий свободной орбиталью, - акцептором.
Образование донорно-акцепторной связи протекает по пути, отличающемуся от механизма ковалентной связи, но приводит к такому же результату. При этом происходит усложнение состава и структуры веществ с образованием сложных "комплексных" соединений, несущих свою строго определенную функциональную нагрузку. Как правило, один из атомов (обычно акцептор), располагаясь в центре, координирует вокруг себя единицы, вступающие с ним в донорно-акцепторную связь, называемую еще поэтому координативной связью. За счет координативной связи происходит химическое насыщение атома, в результате чего внутренняя энергия системы взаимодействующих атомов понижается. Благодаря этому общая валентность атома (как суммы всех его связей) может быть достаточно высокой.
Итак, при установлении химической связи атом предоставляет партнеру либо атомную орбиталь с двумя свободными фн. ячейками (акцептор), либо атомную орбиталь с одним электроном и одной свободной фн. ячейкой, либо атомную орбиталь с парой электронов - фщ. единиц (донор). Поэтому валентность элемента равна общему числу орбиталей его атома, принимающих участие в образовании химических связей. При заполнении электронами фн. ячеек всех возможных атомных орбиталей атом химически насыщается и становится неспособным к установлению дополнительных химических связей
В общем случае образование каждой дополнительной валентной связи приводит к дальнейшей стабилизации молекулы, поэтому наиболее устойчивыми молекулами являются такие, в атомах которых все стабильные атомные орбитали либо использованы для образования связей, либо заняты неподеленными парами электронов.
Ковалентная, как и донорно-акцепторная химическая связь образуется между атомами, расположенными в пространстве друг относительно друга определенным образом - направленно. И поэтому, чем полнее в пространстве перекрываются друг с другом две атомные орбитали, участвующие в химической связи, тем меньшим запасом энергии обладают электроны, находящиеся в области перекрывания и осуществляющие связь, и тем прочнее химическая связь между этими атомами. Направленность химических связей в пространстве придает всем многоатомным частицам (молекулам, ионам, радикалам) определенную конфигурацию. От нее зависит внутренняя структура вещества, а также его фн. свойства.
Параллельно с развитием структуры фщ. единиц уровня Г происходило дальнейшее разделение их фн. свойств. Примером этому может служить деление единиц на диамагнитные и парамагнитные. Первые оказывают прохождению магнитных силовых линий сопротивление большее, чем "вакуум", а вторые проводят их лучше, чем "вакуум". Поэтому внешнее магнитное поле выталкивает диамагнитные вещества и втягивает парамагнитные. Столь различное их поведение объясняется особенностями структурного построения, диктуемого законами нижних организационных уровней, и действие которых определяет характер внутренних магнитных полей вещества, складывающихся из собственных магнитных моментов нуклонов и электронов. Магнитный момент любого атома определяется все же, главным образом, суммарным спиновым магнитным моментом электронов, так как магнитные моменты протонов и нейтронов примерно на три порядка меньше моментов электронов. Если два электрона находятся в одной орбитали, то их магнитные поля замыкаются, так как оба они могут иметь антипараллельные спины. Поэтому, если в веществе, представляющем сумму однородных единиц, магнитные моменты всех электронов взаимно скомпенсированы, то есть все электроны спарены, то это вещество диамагнитное. Напротив, если в орбиталях имеются холостые электроны, то вещесто проявляет парамагнетизм. Примерами диамагнитных веществ могут служить молекулярные водород, азот, фтор, углерод и литий (в газообразном состоянии). К парамагнитным относятся молекулярный бор, кислород, окись азота.
Вещества с аномально высокой магнитной восприимчивостью (например, железо) относятся к ферромагнитным. Однако, ферромагнетизм проявляется ими только в твердом состоянии.
Здесь следует также отметить, что одним из важных видов химических взаимодействий, возникших в период движения Материи в своем развитии по уровню Г, являются окислительно-восстановительные реакции. К ним относятся реакции, в результате которых изменяются степени окисленности элементов, то есть происходит взаимное перемещение электронов вступивших в реакцию веществ, при этом происходит отдача электронов одними молекулами (окисление) и присоединение их другими (восстановление). Окислительно-восстановительные реакции играют большую роль при протекании в биологических системах таких процессов, как фотосинтез, дыхание, пищеварение и т.п.
Таким образом, в ходе развития Материи по организационному уровню Г функциональная дифференциация атомов стала причиной их структурной интеграции в молекулы.
Уровень Д
Все окружающие нас тела и вещества представляют собой совокупности большого числа фщ. единиц уровня Г - молекул, ионов, радикалов со строго определенными фн. свойствами - тем или иным образом расположенным в пространстве и объединенным в соответствующие системные образования уровня Д. Их взаимное расположение в пространстве не является случайным, а подчинено объективным законам общей теории систем, в соответствии с которыми они заполняют предназначенные для них фн. ячейки в структурах системных образований более высокого порядка. В зависимости от характера взаимодействий фщ. единиц, регламентируемых алгоритмами соответствующих фн. ячеек, объединяющее их вещество находится в одном из фазовых состояний, свойства которого предопределяют структуру фиксирования фн. ячеек и поведение заполняющих их фщ. единиц.
Различают три основных типа фазовых состояний вещества - газообразное, жидкое и твердое. Кроме того, существуют такие фазовые состояния, как плазменное и сверхпроводимое. Отличие всех состояний друг от друга заключается в системной организации входящих в них фщ. единиц, их взаимном расположении в пространстве и уровне их энергии. При переходе вещества из одного фазового состояния в другое прежде всего происходит структурная перестройка системы фн. ячеек, отражающей запас внутренней энергии вещества, его теплоемкости, плотности и т.п. Вместе с тем, любая система единиц уровня Г обладает определенным числом степеней свободы, равным числу условий, которые могут быть изменены произвольно (в определенных пределах), не вызывая в системе фазовых переходов.
Вполне естественно предположить, что в начальный этап движения Материи по уровню Д небольшие объединения Г-образований в дальнейшем приобретали все более сложную структурную композицию, включающую первоначальные микросистемы в качестве фщ. единиц и объединяя их в более крупные макросистемы. Фазовое состояние каждой макросистемы уровня Д прежде всего зависит от состояний всех входящих в него микросистем и характеризуется его термодинамической вероятностью. Таким образом, подчиняясь статистике, система стремится перейти в такое макросостояние, которому соответствует большее число вариантов микросостояний.
С ростом числа вариантов повышается вероятность перехода системы в данное состояние и вместе с тем уменьшается упорядоченность в расположении частиц, то есть увеличивается "беспорядок" в системе. Под этим подразумевается расширение набора как скоростей, так и направленности движения (поступательного, колебательного, вращательного) в пространстве фщ. единиц всех подуровней, составляющих систему (молекул, атомов, электронов и т.д.). Указанное отражает стремление Материи в соответствии с законами своего Развития через системные состояния уравновесить свое движение в качестве-пространстве-времени. Поэтому системы, подчиняясь закономерностям развития в трех категориях, стремятся перейти в состояния, обеспечивающие их наибольшую стабильность, однако при этом все большую роль играет степень изолированности (или замкнутости) данной системы, определяющая ее способность учавствовать в создании фщ. единиц более высокого порядка в соответствии с требованиями .
Кроме того, необходимо учитывать, что каждая система уровня Д обладает уже значительным по величине (по сравнению с более низкими уровнями) запасом внутренней энергии, складывающейся из энергии движения, колебания и вращения всех молекул, энергии движения электронов и ядер в атомах, энергии нуклонов, то есть из суммарной энергии всех видов движения всех фщ. единиц нижних уровней, входящих в структуру данной системы. На запас внутренней энергии не влияет положение или перемещение системы в пространстве в качестве фщ. единицы организационного уровня следующего порядка, поэтому кинетическая и, в отдельных случаях, потенциальная энергия системы в целом не являются компонентами ее внутренней энергии, которая зависит только от оргуровня системы, а также от степени ее изолированности.
В случае отсутствия замкнутости системного образования () в системе могут протекать лишь процессы, ведущие к уменьшению внутренней энергии, совершенствованию системной организации, свободному движению Материи в пространстве-времени-качестве. В замкнутых в той или иной степени системах (не обменивающихся с внешней средой фщ. единицами и энергией) могут протекать только такие процессы, при которых энтропия системы возрастает.
Многое из сказанного подтверждается уже рассмотренной нами формулой , которая после смысловой перестановки трансформируется в . В неизолированных системах развитие материальной субстанции происходит относительно равнозначно в , однако на более высоких уровнях организации, включая уровень Д, вследствие снижения скоростей распространения в пространстве, значительно уменьшается по сравнению с динамикой этого параметра на низких уровнях, энергия совокупной Материи уменьшается на каждый значимый объем пространства и движение в качестве стремится ко все большей пространственной локализации (но не изолированности). В замкнутых же системах (, ) упомянутая формула преображается, как известно, в , то есть система стремится перейти в состояние с максимальным количеством вариантов, вследствие чего процесс может идти всегда до такого состояния, энтропия которого имеет максимальное для существующих условий значение. Таким образом, состояние, в котором система может пребывать при неизменных условиях, является итогом конкуренции двух активных факторов - энтропийного и энергетического. (Аккумулятивный фактор всегда носит пассивный характер).
При переходе вещества в то или иное фазовое состояние в зависимости от условий сталкиваются две противодействующие тенденции: первая - стремление к уменьшению внутренней энергии, приводящее к потере частицами подвижности и к возрастанию порядка в системе, и вторая - стремление к увеличению энтропии, приводящее к уменьшению системного порядка. Любой процесс на любом оргуровне, включая даже такой высокий, как общественный, является отражением борьбы этих противоположных факторов и это всегда необходимо учитывать. В системных процессах уровня Д преобладание одного из факторов ведет к постепенному переходу системы в более термодинамически устойчивое состояние.
При преобладании энергетического фактора процесс идет в сторону уменьшения внутренней энергии системы в результате усиления взаимодействия частиц вещества, сопровождающегося выделением энергии. К таким процессам относятся преимущественно процессы, усложняющие структуру вещества, повышающие его агрегацию: образование молекул из атомов, ассоциация молекул, распрямление и взаимная ориентация макромолекул, сжатие газа, конденсация пара, кристаллизация вещества.
В случае, если превалирует энтропийный фактор, процесс идет в сторону увеличения энтропии системы в результате разъединения частиц вещества и их взаимного отдаления. Это преимущественно процессы, связанные с дезагрегацией вещества: плавление вещества, его испарение, расширение и смешение газов, растворение веществ, диссоциация молекул и т. п.
Рассмотрим вкратце особенности поведения фщ. единиц в структурах вещества при различных фазовых состояниях в системных образованиях оргуровня Д.
Газовое состояние вещества - более вероятное при высоких температурах характеризуется высокими значениями энтропии. Это говорит о полном беспорядке в системе фщ. единиц, совершающих индивидуальные поступательные движения с различными скоростями и практически не взаимодействующих друг с другом. Чем меньше энергия взаимодействия между двумя фщ. единицами, находящимися в контакте (слабые связи), тем больше запас внутренней энергии системы, и тогда даже при низких температурах вещество способно находиться в газовом состоянии. К таким веществам относятся прежде всего инертные газы, атомы которых испытывают друг к другу очень слабое притяжение.
По мере усложнения структурного строения фщ. единиц (вследствие ), их способность к взаимному притяжению возрастает. Это проявляется в повышении температур кипения веществ с возрастанием фн. массы составляющих их элементов. При заданной температуре средняя скорость () молекул газа зависит от их фн. массы: чем больше ее значение, тем больше требуется энергии, чтобы увеличить ее скорость (). Скорости молекул связаны с параметрами состояния системы (температурой, давлением) и поэтому являются важной характеристикой их поведения.
Тепловое движение молекул в веществе обусловливает его способность к диффузии, то есть к самопроизвольному переходу вещества в те области пространства (), где его концентрация меньше или равна нулю. Это свойство проявляется в самых различных природных процессах - испарении, растворении, осмосе, клеении и пр.
При охлаждении веществ, находящихся в газовом состоянии (или при их сильном сжатии), силы взаимодействия между частицами начинают преобладать над энергией их теплового движения и при определенной температуре (индивидуальной для каждого вещества) оно переходит в жидкое состояние. Необходимым условием такого перехода является установление связей между отдельными фщ. единицами (молекулами или атомами), в результате чего внутренняя энергия системы становится меньше. Жидкое состояние вещества являет собой более "организованную" структуру, чем его газовое состояние, но оно менее стабильно, то есть подвержено более частым изменениям в течение различных промежутков времени (), чем твердое вещество. Поэтому жидкое состояние является промежуточным между газовым и твердым. Молекулы жидкости, имея возможность перемещения, сохраняют определенный порядок во взаимном расположении. По структуре и по характеру взаимодействий между частицами жидкость более сходна с кристаллами, нежели с газами. Как и твердые тела, жидкости обладают определенным объемом, что также отличает их от газов. Принципиальным отличием жидкости от твердого тела является отсутствие собственной формы.