Страница:
Таким образом, каждая фщ. единица подуровня Д в зависимости от фн. ячейки, которую она занимает, может пребывать в структуре вещества в любом фазовом состоянии: 1) газовом, 2) жидком, 3) твердом.
При анализе структурных особенностей фазовых состояний вещества видно, что фщ. единицы в газовом состоянии не взаимодействуют друг с другом, поэтому их структура неопределенна и непостоянна. В жидком состоянии в поведении фщ. единиц наблюдается больше взаимодействия, они объединены в более связанную структуру, обладающую более определенными, чем газовое состояние вещества, свойствами. Фщ. единицы в структуре жидкости совершают в секунду 1012 - 1013 колебаний, находясь в определенной фн. ячейке в течение 10-11 - 10-10 сек. Следовательно, до перескока в новое положение или до перестройки структуры фн. ячеек вокруг нее фщ. единица успевает совершить от 10 до 100 колебаний. Иначе говоря, только от 1 до 10% колебательных движений фщ. единицы заканчиваются ее перемещением в пространстве. В этом проявляются черты сходства жидкости с твердым телом, в котором почти ни одно колебание молекулы (или атома) не сопровождается ее переходом на другое место. Но если твердое тело характеризуется практически неизменным относительным расположением фщ. единиц, то в жидкости в результате относительного перемещения единиц уплотнение структуры фн. ячеек является неравномерным, постоянно наблюдаются кратковременные местные изменения на отдельных участках структуры. Под действием внешних сил (например, силы тяжести) перемещения отдельных скоплений частиц в жикости, то есть флуктуации ее плотности, становятся направленными. В результате жидкость течет, то есть перемещается с изменением своей формы, но с сохранением общего объема (при отсутствии испарения), в сторону приложения силы. Таким образом, текучесть - это специфическое свойство жидкого тела, вызванное ограниченной подвижностью его структурных единиц.
Структура жидкости очень чувствительна к изменениям температуры. При температурах, близких к Т плавления строение жидкости приближается к твердому телу, так как содержит зачатки кристаллической структуры, и, наоборот, при температурах, близких к Т кипения упорядоченность в расположении фщ. единиц сводится к минимуму и начинается интенсивное испарение, то есть вещество переходит в газовое состояние. Поэтому температура является условным показателем колебания фщ. единиц относительно друг друга в данной системе в допускаемых фн. ячейками, которые они занимают, пределах. В свою очередь, частота и амплитуда колебаний фщ. единиц, то есть скорость их перемещения в пространстве за единицу времени, зависят от количества кинетической энергии, приходящейся на эту группу фщ. единиц вещества на данный момент времени. При повышении Т, то есть при получении данной группой единиц дополнительного количества кинетической энергии, амплитуда и частота колебаний возрастают до определенного значения, превысив который фщ. единицы покидают фн. ячейки данной структуры, переходя в фн. ячейки другого фазового состояния с другими допустимыми значениями амплитуд и частот колебания. Обратный процесс происходит при понижении температуры, то есть при уменьшении количества кинетической энергии, приходящейся на данную группу фщ. единиц вещества. С точки зрения строения вещества жидкое состояние является самым переменчивым и многообразным.
При затвердевании вещества приобретают структуру, в которой имеется дальний порядок в расположении составляющих их фщ. единиц (молекул, атомов или ионов). Поэтому достаточно знать часть структуры фн. ячеек, чтобы получить представление об их расположении во всем объеме данного твердого тела. Как правило, ячейки образуют в нем строго определенные кристаллы, при этом, в соответствии с принципами общей теории систем, все фн. ячейки должны быть заполнены соответствующими им фщ. единицами.
Кристаллическая структура вещества термодинамически является более устойчивой, чем аморфная. Это объясняется тем, что регулярное расположение фщ. единиц в ячейках кристаллов позволяет им установить между собой максимальное число связей, что способствует дальнейшему снижению запаса внутренней энергии в веществе. Плотную упаковку фщ. единиц можно представить как укладку шаров одинакового размера. В каждом ряду шары соприкасаются друг с другом, а шар следующего ряда находится между двумя шарами предыдущего. Отличительной чертой плотнейшей укладки шаров является большое число ближайших соседей каждого шара: шесть в одном слое и по три снизу и сверху. Таким образом, при плотнейшей укладке шаров так называемое координационное число каждого шара равно 12.
Строение кристаллов обычно представляют с помощью их условных изображений - кристаллических решеток, представляющих трехмерную геометрическую фигуру, полученную при соединении прямыми линиями центров фн. ячеек. Следует подчеркнуть, что кристаллическая решетка, как и все составляющие ее элементы, является лишь математической абстракцией, используемой для описания структуры кристалла, и, в первую очередь, для описания симметрии в расположении его фн. ячеек.
Атомы твердого вещества, как фщ. единицы, располагаются в соответствии с данной структурой фн. ячеек, при этом при увеличении суммарного взаимодействия между ними внутренняя энергия системы падает при одновременном возрастании ее устойчивости. В случае перестройки по той или иной причине структуры фн. ячеек вещества изменяется число связей между его атомами, что моментально проявляется в изменении всего комплекса фн. свойств вещества и свидетельствует об его превращении в новое вещество. Примерами могут служить аллотропные модификации углерода - графит и алмаз, которые различаются не только механическими (твердость) и физическими (электропроводность, светопропускание) фн. свойствами этих веществ, но и своим химическим поведением: если графит является аналогом органических соединений ряда бензола, то алмаз имеет больше родственных черт с соединениями предельного ряда. В качестве другого примера можно назвать молекулярный кислород O2 и озон O3.
Все кристаллические тела, как установлено выше, являются десмическими (связанными) системами, которые по однородности связей, действующих между составляющими их атомами, принято разделять на две группы: гомодесмические (одинаково связанные) и гетеродесмические (различно связанные). К гомодесмическим системам относятся кристаллы, в которых все связи одного вида. В таких кристаллах нельзя выделить какие-либо обособленные участки, поскольку все связи во всем объеме вещества адекватны между собой. Это - атомные и металлические кристаллы, а также кристаллы, состоящие из простых ионов.
Кристаллы, между фн. ячейками которых имеются связи различных видов, относятся к гетеродесмическим системам. Сюда следует отнести ионные кристаллы, в узлах решетки которых располагаются сложные ионы, и молекулярные кристаллы.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень Е
Движение Материи по координате качества () происходит более ускоренно (то есть в более короткие промежутки времени - ) в системах, где движение в пространстве () ограничено. Вследствие этого пространственная локализация фщ. единиц уровней высокой организации, произошедшая на определенном этапе Развития материальной субстанции в результате перегруппировки структуры Вселенной в звездно-планетные образования в силу постоянства количества совокупной энергии, явилась причиной ускорения движения в качестве, что подтверждается также формулой . Одним из условно изолированных центров фн. развития Материи с некоторого времени стала звездно-планетная пара Солнце-Земля. Основной функцией Солнца, как центра с преобладанием энтропийного фактора системы, стало:
1) постоянное (донорское) обеспечение всего системного образования фщ. единицами подуровня АА, часть из которых постоянно заполняет соответствующие им фн. ячейки на Земле;
2) пополнение микроэнергетического баланса на Земле в силу обладания указанными единицами определенным импульсом (mV). Подсчитано, что на все эти цели Солнце каждую секунду расходует в целом около 4 млн. тонн своей массы.
Планета Земля в свою очередь в данной биполярной связке является центром с преобладанием энергетического фактора и служит ареной для движения Материи по координате качества () на пока еще неизвестном по размерам участке Вселенной. Вследствие этого предмет нашего исследования приобретает более суженное пространство - поверхность Земного шара.
Развитие фщ. единиц подуровня Д протекало на нашей планете на ранней стадии ее существования. Не исключено, что аналогичные процессы можно встретить и на других планетах Солнечной системы. Тем не менее, начиная с оргуровня Е, к которому относятся простейшие высокомолекулярные соединения, описание системных процессов может быть подкреплено фактическим материалом лишь из истории нашей планеты хотя бы потому, что об их наличии на других планетах у нас нет пока достоверных сведений и о такой возможности мы можем предположить лишь только чисто теоретически.
Помимо образования фщ. единиц нового уровня ускорение движения по координате качества происходило за счет повышения коэффициента их полифункциональности. Для системной организации подуровня Е самыми полезными оказались атомы углерода C и кремния Si, способные в силу особенностей своего структурного строения образовывать четыре химические связи. Если связи устанавливаются с идентичными им фщ. единицами, то вещество в твердом состоянии существует лишь в виде атомных кристаллов. Весь объем такого вещества как бы пронизан густой трехмерной решеткой атомных связей и в нем невозможно выделить каких бы то ни было отдельных участков - островков, цепей или слоев.
Наиболее распространенные на поверхности литосферы Земли минералы простые и сложные силикаты - имеют в качестве главного строительного блока атом кремния в тетраэдрическом окружении четырех атомов кислорода. В природе существуют три основных модификации двуокиси кремния (SiO2):
1) кварц, который термодинамически устойчив ниже 870oС;
2) тридимит, устойчивый от 870oС до 1470oС;
3) кристобалит, устойчивый выше 1470oС.
Таким образом, кремний является одним из самых распространенных в Земной коре элементов. Он составляет 27% исследованной части Земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. Кремний - главный элемент в составе минералов, горных пород и почв.
Самым распространенным элементом Земной коры является кислород. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород, а также всех органических веществ. Общее количество кислорода в Земной коре близко к половине ее массы (около 47%). Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов : 16O (99,76%), 17O - (0,04%) и 18O - (0,2%).
Однако наибольшая нагрузка в системной организации Материи падает на соединения, в состав которых входит углерод. Хотя общее его содержание в Земной коре составляет всего около 0,1%, по многочисленности и разнообразию своих соединений углерод занимает среди других элементов совершенно особое положение и имеет наибольший коэффициент полифункциональности среди фщ. единиц уровня Е. Число изученных соединений углерода оценивают в настоящее время примерно в два миллиона, тогда как соединения всех остальных элементов, вместе взятые, исчисляются лишь сотнями тысяч. Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой с образованием длинных цепей или колец.
Как уже отмечалось, по характеру своих связей соединения фщ. единиц делятся на гомодесмические и гетеродесмические, что служит еще одним доказательством наличия движения Материи в качестве . В случае существования в природе только гомодесмических связей, характерных для центров энергетического фактора, Развитие Материи зашло бы в тупик, поскольку структурная перегруппировка фщ. единиц рассматриваемого уровня привела бы к построению систем уровня Д только с плотной кристаллической укладкой. Энергия систем улетучилась бы, а Земля превратилась в мертвый каменно-металлический шар. Наличие же движения Материи в качестве исключает такой ход событий. Поэтому существование гетеродесмических систем наряду с действием центров с энтропийным фактором привело к созданию различных высокомолекулярных соединений, каждое из которых несет ту или иную новую фн. нагрузку в добавление ко всему существующему спектру функций развивающейся Материи. Функциональные свойства высокомолекулярных соединений прежде всего связаны со способностью макромолекул изменять свою форму без разрыва имеющихся в них связей. Механизм, объясняющий многообразие конформаций макромолекул, в настоящее время хорошо изучен и широко используется в химии полимерных материалов. Поэтому мы не будем останавливаться на его описании. Здесь важно только еще раз подчеркнуть, что, какое бы строение ни имели высокомолекулярные соединения, какова бы ни была их структура, мы всегда сможем определить в них невидимые фн. ячейки и занимающие их реальные фщ. единицы различных подуровней, то есть различные атомы, молекулы и т.д. Выпадение фщ. единицы из той или иной фн. ячейки или заполнение ее несоответствующей ей фщ. единицей в любом случае приведет к нарушению структуры данной системы, либо изменению ее фн. свойств.
В связи со сложностью их структурного построения и наличия множества связей все высокомолекулярные соединения существуют лишь в конденсированном состоянии - твердом или жидком. Однако, по фазовому состоянию они больше соответствуют структуре жидкости, которая вследствие высокой вязкости представляется нам в большинстве случаев твердым телом.
Особую подгруппу системных образований подуровня Е составляют комплексные соединения, очень разнообразные как по строению, так и по фн. свойствам. Однако в развитии материальной субстанции на рассматриваемом оргуровне они играют более второстепенную, или скорее, вспомогательную роль. В дальнейшем, на уровнях более высокой организации, их роль возрастает. В частности, такие важнейшие природные соединения, определяющие Жизнь на Земле, как гемоглобин и хлорофилл, относятся к внутрикомплексным соединениям. Структура их ядер одинакова, только у хлорофилла фн. ячейку комплексообразователя занимает Mg2+, а у гемоглобина Fe2+. По двум вакантным координационным местам в свободные фн. ячейки к этим комплексообразователям легко присоединяются еще две молекулы других веществ. Так, в гемоглобине по одну сторону плоскости хелата железом связана молекула белка глобина, а по другую сторону - молекула кислорода, благодаря чему это соединение и является переносчиком кислорода.
Функциональное развитие Материи в подуровне Е и появление новых структурных образований происходило и происходит за счет разнообразного превращения веществ путем перераспределения электронных плотностей между составляющими их атомами, что приводит к разрыву старых и образованию новых внутриструктурных связей. Однако достаточно вспомнить такие химические превращения, как взрыв пороха и ржавление железа, чтобы утверждать, что различные структурные изменения протекают с самыми различными скоростями - от крайне высоких до очень низких. Причиной этому являются специфические особенности каждого перестроения, зависящие от сбалансированного распространения новообразованной структуры () в пространстве-времени () при данных условиях, а также качественной характеристики участвующих в реакции фщ. единиц.
Интервал времени протекания различных химических реакций на единицу пространства колеблется от долей секунды до минут, часов, дней. Известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы. В результате реакции возникает, как правило, гетерогенная система:
H2SO4 + Na2S2O3 = Na2SO4 + H2O + SO2 + S
Примерами гомогенной системы может служить любая однофазовая смесь, жидкий раствор различных веществ. Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Так, например, растворение металла в кислоте Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующих вещества. Результатом реакции является опять гетерогенная система, которая в условиях отсутствия замкнутости может путем освобождения от одной из своих фаз стать гомогенной системой. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, сера в атмосфере воздуха. На более высоких ступенях Развития Материи примерами гомогенных систем могут служить заросли функционально однотипных растений (лес, луговая трава, фруктовые сады), объединенные группы функционально однотипных животных (стадо овец, стая волков или обезьян). Гетерогенными системами в этом случае будут: табун лошадей на лугу, бригада лесорубов в лесу, производственные предприятия и т.п. Изучением условий, влияющих на скорости химических реакций, занимается химическая кинетика. На более высоких ступенях Развития Материи эти вопросы должны быть отнесены соответственно к биологической и социальной кинетике.
К важнейшим факторам, влияющим на скорости реакций, протекающих в системах уровня Е, относятся следующие: функциональные особенности реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов. Скорости некоторых гетерогенных реакций зависят также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция. При вступлении в реакцию фщ. единиц двух различных веществ образуются фщ. единицы третьего, четвертого и т.д. вещества, которые заполняют соответствующие им фн. ячейки, хотя теоретически процесс представляется в обратном порядке: вначале появляется невидимая фн. ячейка В нового качества, затем происходит сближение явных фщ. единиц а и б и образование новой фщ. единицы в, которая заполняет фн. ячейку В. Поэтому скорости реакций зависят от способности реагирующих веществ образовывать новые фщ. единицы в силу своего структурного строения, то есть пространственного расположения и взаимной связи исходных фщ. единиц качественных подуровней, от пропорции и количества фщ. единиц а и б, вступающих в реакции, что характеризуется их концентрацией.
Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их взаимное сближение и столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ - продуктов реакции. Однако не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию продукта реакции. Для того, чтобы произошла реакция, то есть чтобы образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то их столкновение не приведет к образованию новой молекулы: столкнувшись, они разлетаются в разные стороны, как упругие шары.
Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для ослабления или разрыва связей, то столкновение может привести к перестройке атомов и к образованию молекулы нового вещества. Поэтому лишь молекулы, обладающие избытком энергии по сравнению со средним запасом энергии всех молекул, могут преодолеть такой "энергетический барьер", чтобы войти в химический контакт друг с другом. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами. Избыточная энергия этих молекул может быть поступательной или вращательной для молекулы в целом, колебательной для составляющих ее атомов, энергией возбуждения для электронов и т.д. Для каждой конкретной реакции основное значение может иметь какая-либо одна форма избыточной энергии. С ростом температуры число активных молекул возрастает, вследствие чего и скорости химических реакций увеличиваются.
Энергия активации различных реакций различна. Ее величина является тем фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Для некоторых реакций энергия активации мала, для других, наоборот, велика. Если энергия активации очень мала, то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость такой реакции велика. Напротив, если энергия активации реакции очень велика, то это означает, что лишь очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции. Скорость подобной реакции очень мала.
Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии - активированный комплекс. Именно для его образования и необходима энергия активации. Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время. Он распадается с образованием продуктов реакции, при этом энергия выделяется. В простейшем случае активированный комплекс представляет собой конфигурацию атомов, в которой ослаблены старые связи и образуются новые. Активированный комплекс возникает в качестве промежуточного состояния в ходе как прямой, так и обратной реакции. Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции, а от конечных - на энергию активации обратной реакции. Активация молекул возможна при нагревании или растворении вещества, при выделении энергии в ходе самой реакции, при поглощении ими квантов излучения (светового, радиоактивного, рентгеновского и т.п.), под действием ультразвука или электрического разряда и даже при ударах о стенку сосуда.
Скорость реакции часто зависит от присутствия в системе "третьего" компонента, с которым реагенты могут образовывать активированный комплекс. При этом изменение скорости реакции происходит за счет изменения энергии ее активации, так как промежуточные стадии процесса будут другими. Добавленный компонент, называемый катализатором, после разрушения активированного комплекса не входит в состав продуктов реакции, поэтому общее уравнение процесса остается прежним. В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом энергия активации реакции понижается - некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.
Если реакция A + B AB протекает с малой скоростью, то можно найти вещество K, которое с одним из реагентов образует активированный комплекс, взаимодействующий в свою очередь с другим реагентом:
A + B [A... K]; [A... K] + B AB + K
Если энергии активации этих стадий ниже энергии активации процесса в отсутствие K, то общая скорость процесса значительно возрастает, и такой катализ называется положительным. В противном случае скорость процесса уменьшится и катализ будет отрицательным. Таким образом, катализатор - это вещество, изменяющее скорость реакции и остающееся после нее химически неизменным. Катализатор, присутствующий в системе в количествах, в тысячи раз меньших, чем реагенты, может в сотни, в тысячи и в миллионы раз изменять скорость реакции. В некоторых случаях под действием катализаторов могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают. Вместе с тем, с помощью катализатора можно изменить скорость лишь термодинамически возможного процесса. Для замедления нежелательных процессов или для придания реакциям более спокойного характера используются отрицательные катализаторы.
При анализе структурных особенностей фазовых состояний вещества видно, что фщ. единицы в газовом состоянии не взаимодействуют друг с другом, поэтому их структура неопределенна и непостоянна. В жидком состоянии в поведении фщ. единиц наблюдается больше взаимодействия, они объединены в более связанную структуру, обладающую более определенными, чем газовое состояние вещества, свойствами. Фщ. единицы в структуре жидкости совершают в секунду 1012 - 1013 колебаний, находясь в определенной фн. ячейке в течение 10-11 - 10-10 сек. Следовательно, до перескока в новое положение или до перестройки структуры фн. ячеек вокруг нее фщ. единица успевает совершить от 10 до 100 колебаний. Иначе говоря, только от 1 до 10% колебательных движений фщ. единицы заканчиваются ее перемещением в пространстве. В этом проявляются черты сходства жидкости с твердым телом, в котором почти ни одно колебание молекулы (или атома) не сопровождается ее переходом на другое место. Но если твердое тело характеризуется практически неизменным относительным расположением фщ. единиц, то в жидкости в результате относительного перемещения единиц уплотнение структуры фн. ячеек является неравномерным, постоянно наблюдаются кратковременные местные изменения на отдельных участках структуры. Под действием внешних сил (например, силы тяжести) перемещения отдельных скоплений частиц в жикости, то есть флуктуации ее плотности, становятся направленными. В результате жидкость течет, то есть перемещается с изменением своей формы, но с сохранением общего объема (при отсутствии испарения), в сторону приложения силы. Таким образом, текучесть - это специфическое свойство жидкого тела, вызванное ограниченной подвижностью его структурных единиц.
Структура жидкости очень чувствительна к изменениям температуры. При температурах, близких к Т плавления строение жидкости приближается к твердому телу, так как содержит зачатки кристаллической структуры, и, наоборот, при температурах, близких к Т кипения упорядоченность в расположении фщ. единиц сводится к минимуму и начинается интенсивное испарение, то есть вещество переходит в газовое состояние. Поэтому температура является условным показателем колебания фщ. единиц относительно друг друга в данной системе в допускаемых фн. ячейками, которые они занимают, пределах. В свою очередь, частота и амплитуда колебаний фщ. единиц, то есть скорость их перемещения в пространстве за единицу времени, зависят от количества кинетической энергии, приходящейся на эту группу фщ. единиц вещества на данный момент времени. При повышении Т, то есть при получении данной группой единиц дополнительного количества кинетической энергии, амплитуда и частота колебаний возрастают до определенного значения, превысив который фщ. единицы покидают фн. ячейки данной структуры, переходя в фн. ячейки другого фазового состояния с другими допустимыми значениями амплитуд и частот колебания. Обратный процесс происходит при понижении температуры, то есть при уменьшении количества кинетической энергии, приходящейся на данную группу фщ. единиц вещества. С точки зрения строения вещества жидкое состояние является самым переменчивым и многообразным.
При затвердевании вещества приобретают структуру, в которой имеется дальний порядок в расположении составляющих их фщ. единиц (молекул, атомов или ионов). Поэтому достаточно знать часть структуры фн. ячеек, чтобы получить представление об их расположении во всем объеме данного твердого тела. Как правило, ячейки образуют в нем строго определенные кристаллы, при этом, в соответствии с принципами общей теории систем, все фн. ячейки должны быть заполнены соответствующими им фщ. единицами.
Кристаллическая структура вещества термодинамически является более устойчивой, чем аморфная. Это объясняется тем, что регулярное расположение фщ. единиц в ячейках кристаллов позволяет им установить между собой максимальное число связей, что способствует дальнейшему снижению запаса внутренней энергии в веществе. Плотную упаковку фщ. единиц можно представить как укладку шаров одинакового размера. В каждом ряду шары соприкасаются друг с другом, а шар следующего ряда находится между двумя шарами предыдущего. Отличительной чертой плотнейшей укладки шаров является большое число ближайших соседей каждого шара: шесть в одном слое и по три снизу и сверху. Таким образом, при плотнейшей укладке шаров так называемое координационное число каждого шара равно 12.
Строение кристаллов обычно представляют с помощью их условных изображений - кристаллических решеток, представляющих трехмерную геометрическую фигуру, полученную при соединении прямыми линиями центров фн. ячеек. Следует подчеркнуть, что кристаллическая решетка, как и все составляющие ее элементы, является лишь математической абстракцией, используемой для описания структуры кристалла, и, в первую очередь, для описания симметрии в расположении его фн. ячеек.
Атомы твердого вещества, как фщ. единицы, располагаются в соответствии с данной структурой фн. ячеек, при этом при увеличении суммарного взаимодействия между ними внутренняя энергия системы падает при одновременном возрастании ее устойчивости. В случае перестройки по той или иной причине структуры фн. ячеек вещества изменяется число связей между его атомами, что моментально проявляется в изменении всего комплекса фн. свойств вещества и свидетельствует об его превращении в новое вещество. Примерами могут служить аллотропные модификации углерода - графит и алмаз, которые различаются не только механическими (твердость) и физическими (электропроводность, светопропускание) фн. свойствами этих веществ, но и своим химическим поведением: если графит является аналогом органических соединений ряда бензола, то алмаз имеет больше родственных черт с соединениями предельного ряда. В качестве другого примера можно назвать молекулярный кислород O2 и озон O3.
Все кристаллические тела, как установлено выше, являются десмическими (связанными) системами, которые по однородности связей, действующих между составляющими их атомами, принято разделять на две группы: гомодесмические (одинаково связанные) и гетеродесмические (различно связанные). К гомодесмическим системам относятся кристаллы, в которых все связи одного вида. В таких кристаллах нельзя выделить какие-либо обособленные участки, поскольку все связи во всем объеме вещества адекватны между собой. Это - атомные и металлические кристаллы, а также кристаллы, состоящие из простых ионов.
Кристаллы, между фн. ячейками которых имеются связи различных видов, относятся к гетеродесмическим системам. Сюда следует отнести ионные кристаллы, в узлах решетки которых располагаются сложные ионы, и молекулярные кристаллы.
[ Оглавление ] [ Продолжение текста ]
[ Оглавление ]
Игорь Кондрашин
Диалектика Материи
Диалектический генезис материальных систем
(продолжение)
Уровень Е
Движение Материи по координате качества () происходит более ускоренно (то есть в более короткие промежутки времени - ) в системах, где движение в пространстве () ограничено. Вследствие этого пространственная локализация фщ. единиц уровней высокой организации, произошедшая на определенном этапе Развития материальной субстанции в результате перегруппировки структуры Вселенной в звездно-планетные образования в силу постоянства количества совокупной энергии, явилась причиной ускорения движения в качестве, что подтверждается также формулой . Одним из условно изолированных центров фн. развития Материи с некоторого времени стала звездно-планетная пара Солнце-Земля. Основной функцией Солнца, как центра с преобладанием энтропийного фактора системы, стало:
1) постоянное (донорское) обеспечение всего системного образования фщ. единицами подуровня АА, часть из которых постоянно заполняет соответствующие им фн. ячейки на Земле;
2) пополнение микроэнергетического баланса на Земле в силу обладания указанными единицами определенным импульсом (mV). Подсчитано, что на все эти цели Солнце каждую секунду расходует в целом около 4 млн. тонн своей массы.
Планета Земля в свою очередь в данной биполярной связке является центром с преобладанием энергетического фактора и служит ареной для движения Материи по координате качества () на пока еще неизвестном по размерам участке Вселенной. Вследствие этого предмет нашего исследования приобретает более суженное пространство - поверхность Земного шара.
Развитие фщ. единиц подуровня Д протекало на нашей планете на ранней стадии ее существования. Не исключено, что аналогичные процессы можно встретить и на других планетах Солнечной системы. Тем не менее, начиная с оргуровня Е, к которому относятся простейшие высокомолекулярные соединения, описание системных процессов может быть подкреплено фактическим материалом лишь из истории нашей планеты хотя бы потому, что об их наличии на других планетах у нас нет пока достоверных сведений и о такой возможности мы можем предположить лишь только чисто теоретически.
Помимо образования фщ. единиц нового уровня ускорение движения по координате качества происходило за счет повышения коэффициента их полифункциональности. Для системной организации подуровня Е самыми полезными оказались атомы углерода C и кремния Si, способные в силу особенностей своего структурного строения образовывать четыре химические связи. Если связи устанавливаются с идентичными им фщ. единицами, то вещество в твердом состоянии существует лишь в виде атомных кристаллов. Весь объем такого вещества как бы пронизан густой трехмерной решеткой атомных связей и в нем невозможно выделить каких бы то ни было отдельных участков - островков, цепей или слоев.
Наиболее распространенные на поверхности литосферы Земли минералы простые и сложные силикаты - имеют в качестве главного строительного блока атом кремния в тетраэдрическом окружении четырех атомов кислорода. В природе существуют три основных модификации двуокиси кремния (SiO2):
1) кварц, который термодинамически устойчив ниже 870oС;
2) тридимит, устойчивый от 870oС до 1470oС;
3) кристобалит, устойчивый выше 1470oС.
Таким образом, кремний является одним из самых распространенных в Земной коре элементов. Он составляет 27% исследованной части Земной коры, занимая по распространенности второе место после кислорода. Кремний - главный элемент в составе минералов, горных пород и почв.
Самым распространенным элементом Земной коры является кислород. В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе, в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород, а также всех органических веществ. Общее количество кислорода в Земной коре близко к половине ее массы (около 47%). Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов : 16O (99,76%), 17O - (0,04%) и 18O - (0,2%).
Однако наибольшая нагрузка в системной организации Материи падает на соединения, в состав которых входит углерод. Хотя общее его содержание в Земной коре составляет всего около 0,1%, по многочисленности и разнообразию своих соединений углерод занимает среди других элементов совершенно особое положение и имеет наибольший коэффициент полифункциональности среди фщ. единиц уровня Е. Число изученных соединений углерода оценивают в настоящее время примерно в два миллиона, тогда как соединения всех остальных элементов, вместе взятые, исчисляются лишь сотнями тысяч. Многообразие соединений углерода объясняется способностью его атомов связываться между собой с образованием длинных цепей или колец.
Как уже отмечалось, по характеру своих связей соединения фщ. единиц делятся на гомодесмические и гетеродесмические, что служит еще одним доказательством наличия движения Материи в качестве . В случае существования в природе только гомодесмических связей, характерных для центров энергетического фактора, Развитие Материи зашло бы в тупик, поскольку структурная перегруппировка фщ. единиц рассматриваемого уровня привела бы к построению систем уровня Д только с плотной кристаллической укладкой. Энергия систем улетучилась бы, а Земля превратилась в мертвый каменно-металлический шар. Наличие же движения Материи в качестве исключает такой ход событий. Поэтому существование гетеродесмических систем наряду с действием центров с энтропийным фактором привело к созданию различных высокомолекулярных соединений, каждое из которых несет ту или иную новую фн. нагрузку в добавление ко всему существующему спектру функций развивающейся Материи. Функциональные свойства высокомолекулярных соединений прежде всего связаны со способностью макромолекул изменять свою форму без разрыва имеющихся в них связей. Механизм, объясняющий многообразие конформаций макромолекул, в настоящее время хорошо изучен и широко используется в химии полимерных материалов. Поэтому мы не будем останавливаться на его описании. Здесь важно только еще раз подчеркнуть, что, какое бы строение ни имели высокомолекулярные соединения, какова бы ни была их структура, мы всегда сможем определить в них невидимые фн. ячейки и занимающие их реальные фщ. единицы различных подуровней, то есть различные атомы, молекулы и т.д. Выпадение фщ. единицы из той или иной фн. ячейки или заполнение ее несоответствующей ей фщ. единицей в любом случае приведет к нарушению структуры данной системы, либо изменению ее фн. свойств.
В связи со сложностью их структурного построения и наличия множества связей все высокомолекулярные соединения существуют лишь в конденсированном состоянии - твердом или жидком. Однако, по фазовому состоянию они больше соответствуют структуре жидкости, которая вследствие высокой вязкости представляется нам в большинстве случаев твердым телом.
Особую подгруппу системных образований подуровня Е составляют комплексные соединения, очень разнообразные как по строению, так и по фн. свойствам. Однако в развитии материальной субстанции на рассматриваемом оргуровне они играют более второстепенную, или скорее, вспомогательную роль. В дальнейшем, на уровнях более высокой организации, их роль возрастает. В частности, такие важнейшие природные соединения, определяющие Жизнь на Земле, как гемоглобин и хлорофилл, относятся к внутрикомплексным соединениям. Структура их ядер одинакова, только у хлорофилла фн. ячейку комплексообразователя занимает Mg2+, а у гемоглобина Fe2+. По двум вакантным координационным местам в свободные фн. ячейки к этим комплексообразователям легко присоединяются еще две молекулы других веществ. Так, в гемоглобине по одну сторону плоскости хелата железом связана молекула белка глобина, а по другую сторону - молекула кислорода, благодаря чему это соединение и является переносчиком кислорода.
Функциональное развитие Материи в подуровне Е и появление новых структурных образований происходило и происходит за счет разнообразного превращения веществ путем перераспределения электронных плотностей между составляющими их атомами, что приводит к разрыву старых и образованию новых внутриструктурных связей. Однако достаточно вспомнить такие химические превращения, как взрыв пороха и ржавление железа, чтобы утверждать, что различные структурные изменения протекают с самыми различными скоростями - от крайне высоких до очень низких. Причиной этому являются специфические особенности каждого перестроения, зависящие от сбалансированного распространения новообразованной структуры () в пространстве-времени () при данных условиях, а также качественной характеристики участвующих в реакции фщ. единиц.
Интервал времени протекания различных химических реакций на единицу пространства колеблется от долей секунды до минут, часов, дней. Известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы. В результате реакции возникает, как правило, гетерогенная система:
H2SO4 + Na2S2O3 = Na2SO4 + H2O + SO2 + S
Примерами гомогенной системы может служить любая однофазовая смесь, жидкий раствор различных веществ. Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Так, например, растворение металла в кислоте Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующих вещества. Результатом реакции является опять гетерогенная система, которая в условиях отсутствия замкнутости может путем освобождения от одной из своих фаз стать гомогенной системой. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, сера в атмосфере воздуха. На более высоких ступенях Развития Материи примерами гомогенных систем могут служить заросли функционально однотипных растений (лес, луговая трава, фруктовые сады), объединенные группы функционально однотипных животных (стадо овец, стая волков или обезьян). Гетерогенными системами в этом случае будут: табун лошадей на лугу, бригада лесорубов в лесу, производственные предприятия и т.п. Изучением условий, влияющих на скорости химических реакций, занимается химическая кинетика. На более высоких ступенях Развития Материи эти вопросы должны быть отнесены соответственно к биологической и социальной кинетике.
К важнейшим факторам, влияющим на скорости реакций, протекающих в системах уровня Е, относятся следующие: функциональные особенности реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов. Скорости некоторых гетерогенных реакций зависят также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция. При вступлении в реакцию фщ. единиц двух различных веществ образуются фщ. единицы третьего, четвертого и т.д. вещества, которые заполняют соответствующие им фн. ячейки, хотя теоретически процесс представляется в обратном порядке: вначале появляется невидимая фн. ячейка В нового качества, затем происходит сближение явных фщ. единиц а и б и образование новой фщ. единицы в, которая заполняет фн. ячейку В. Поэтому скорости реакций зависят от способности реагирующих веществ образовывать новые фщ. единицы в силу своего структурного строения, то есть пространственного расположения и взаимной связи исходных фщ. единиц качественных подуровней, от пропорции и количества фщ. единиц а и б, вступающих в реакции, что характеризуется их концентрацией.
Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их взаимное сближение и столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ - продуктов реакции. Однако не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию продукта реакции. Для того, чтобы произошла реакция, то есть чтобы образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то их столкновение не приведет к образованию новой молекулы: столкнувшись, они разлетаются в разные стороны, как упругие шары.
Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для ослабления или разрыва связей, то столкновение может привести к перестройке атомов и к образованию молекулы нового вещества. Поэтому лишь молекулы, обладающие избытком энергии по сравнению со средним запасом энергии всех молекул, могут преодолеть такой "энергетический барьер", чтобы войти в химический контакт друг с другом. Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества, называется энергией активации данной реакции. Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными молекулами. Избыточная энергия этих молекул может быть поступательной или вращательной для молекулы в целом, колебательной для составляющих ее атомов, энергией возбуждения для электронов и т.д. Для каждой конкретной реакции основное значение может иметь какая-либо одна форма избыточной энергии. С ростом температуры число активных молекул возрастает, вследствие чего и скорости химических реакций увеличиваются.
Энергия активации различных реакций различна. Ее величина является тем фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Для некоторых реакций энергия активации мала, для других, наоборот, велика. Если энергия активации очень мала, то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость такой реакции велика. Напротив, если энергия активации реакции очень велика, то это означает, что лишь очень малая часть столкновений взаимодействующих частиц приводит к протеканию химической реакции. Скорость подобной реакции очень мала.
Реакции, требующие для своего протекания заметной энергии активации, начинаются с разрыва или с ослабления связей между атомами в молекулах исходных веществ. При этом вещества переходят в неустойчивое промежуточное состояние, характеризующееся большим запасом энергии - активированный комплекс. Именно для его образования и необходима энергия активации. Неустойчивый активированный комплекс существует очень короткое время. Он распадается с образованием продуктов реакции, при этом энергия выделяется. В простейшем случае активированный комплекс представляет собой конфигурацию атомов, в которой ослаблены старые связи и образуются новые. Активированный комплекс возникает в качестве промежуточного состояния в ходе как прямой, так и обратной реакции. Энергетически он отличается от исходных веществ на величину энергии активации прямой реакции, а от конечных - на энергию активации обратной реакции. Активация молекул возможна при нагревании или растворении вещества, при выделении энергии в ходе самой реакции, при поглощении ими квантов излучения (светового, радиоактивного, рентгеновского и т.п.), под действием ультразвука или электрического разряда и даже при ударах о стенку сосуда.
Скорость реакции часто зависит от присутствия в системе "третьего" компонента, с которым реагенты могут образовывать активированный комплекс. При этом изменение скорости реакции происходит за счет изменения энергии ее активации, так как промежуточные стадии процесса будут другими. Добавленный компонент, называемый катализатором, после разрушения активированного комплекса не входит в состав продуктов реакции, поэтому общее уравнение процесса остается прежним. В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом энергия активации реакции понижается - некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.
Если реакция A + B AB протекает с малой скоростью, то можно найти вещество K, которое с одним из реагентов образует активированный комплекс, взаимодействующий в свою очередь с другим реагентом:
A + B [A... K]; [A... K] + B AB + K
Если энергии активации этих стадий ниже энергии активации процесса в отсутствие K, то общая скорость процесса значительно возрастает, и такой катализ называется положительным. В противном случае скорость процесса уменьшится и катализ будет отрицательным. Таким образом, катализатор - это вещество, изменяющее скорость реакции и остающееся после нее химически неизменным. Катализатор, присутствующий в системе в количествах, в тысячи раз меньших, чем реагенты, может в сотни, в тысячи и в миллионы раз изменять скорость реакции. В некоторых случаях под действием катализаторов могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают. Вместе с тем, с помощью катализатора можно изменить скорость лишь термодинамически возможного процесса. Для замедления нежелательных процессов или для придания реакциям более спокойного характера используются отрицательные катализаторы.