Уровень Г

     Следующий организационный уровень системных образований Материи объединяет всё 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 определённые 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 определённый энергетический уровень, который является наинизшим, если атом не возбуждён 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 определённом 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 её при построении самой системы путём трансформации части кинетической энергии отдельных атомов в потенциальную энергию связи молекулы. Ядра связанных атомов остаются на строго определённом 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 её основе лежит метод валентных связей, главное положение которого состоит в том, что валентность любой указанной единицы равна числу её 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 определённое количество внесистемной энергии. Число обобщённых 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 партнёрами 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 путём. 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 счёт 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 определённую функциональную нагрузку. Как правило, один из атомов (обычно акцептор), располагаясь в центре, координирует вокруг себя единицы, вступающие с ним в донорно-акцепторную связь, называемую ещё поэтому координативной связью. За счёт 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 партнёру 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 неподелёнными парами электронов.
     Ковалентная, как и донорно-акцепторная химическая связь образуется между атомами, расположенными в пространстве друг относительно друга определённым 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 придаёт всем многоатомным частицам (молекулам, ионам, радикалам) определённую конфигурацию. От неё 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 всё 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 твёрдом состоянии.
     Здесь следует также отметить, что одним из важных видов химических взаимодействий, возникших в период движения Материи в своём 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 определёнными 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 твёрдое. 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 теплоёмкости, плотности и т.п. Вместе с тем, любая система единиц уровня Г обладает определённым числом степеней свободы, равным числу условий, которые могут быть изменены произвольно (в определённых 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 всё 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 своё движение в качестве-пространстве-времени. Поэтому системы, подчиняясь закономерностям развития в трёх категориях, стремятся перейти в состояния, обеспечивающие их наибольшую стабильность, однако при этом всё большую роль играет степень изолированности (или замкнутости) данной системы, определяющая её 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 её внутренней энергии, которая зависит только от оргуровня системы, а также от степени её 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 объём пространства и движение в качестве стремится ко всё 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 ведёт к постепенному переходу системы в более термодинамически устойчивое состояние.
     При преобладании энергетического фактора процесс идёт 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 идёт 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 её значение, тем больше требуется энергии, чтобы увеличить её 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 определённой 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 твёрдое вещество. Поэтому жидкое состояние является промежуточным между газовым и твёрдым. Молекулы жидкости, имея возможность перемещения, сохраняют определённый порядок во взаимном расположении. По структуре и по характеру взаимодействий между частицами жидкость более сходна с кристаллами, нежели с газами. Как и твёрдые тела, жидкости обладают определённым объёмом, что также отличает их от газов. Принципиальным отличием жидкости от твёрдого тела является отсутствие собственной формы.
     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) твёрдом.

     При анализе структурных особенностей фазовых состояний вещества видно, что фщ. единицы в газовом состоянии не взаимодействуют друг с другом, поэтому их структура неопределённа и непостоянна. В жидком состоянии в поведении фщ. единиц наблюдается больше взаимодействия, они объединены в более связанную структуру, обладающую более определёнными, чем газовое состояние вещества, свойствами. Фщ. единицы в структуре жидкости совершают в секунду 10¹² - 10¹³ колебаний, находясь в определённой фн. ячейке в течение 10^-11 - 10^-10 сек. Следовательно, до перескока в новое положение или до перестройки структуры фн. ячеек вокруг неё фщ. единица успевает совершить от 10 до 100 колебаний. Иначе говоря, только от 1 до 10% колебательных движений фщ. единицы заканчиваются её перемещением в пространстве. В этом проявляются черты сходства жидкости с твёрдым телом, в котором почти ни одно колебание молекулы (или атома) не сопровождается её переходом на другое место. Но если твёрдое 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 её плотности, становятся направленными. В результате жидкость течёт, то есть перемещается с изменением своей формы, но с сохранением общего объёма (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 твёрдому 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 определённого 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 всём объёме данного твёрдого тела. Как правило, ячейки образуют в нём строго определённые 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 решёток, представляющих трёхмерную геометрическую фигуру, полученную при соединении прямыми линиями центров фн. ячеек. Следует подчеркнуть, что кристаллическая решётка, как и все составляющие её элементы, является лишь математической абстракцией, используемой для описания структуры кристалла, и, в первую очередь, для описания симметрии в расположении его фн. ячеек.
     Атомы твёрдого 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 её 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 (твёрдость) 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 всём объёме 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 решётки которых располагаются сложные ионы, и молекулярные кристаллы.