Текст книги "Хамса. Пятерица"

Лабильность

Изменение количества электронов, находящихся на внешней оболочке атомов периода с возрастанием атомного номера, обуславливает и изменение свойств атомов. С увеличением атомного номера щелочные свойства ослабевают и возрастают кислотные свойства. Замыкают период атомы инертных газов. В середине периодов находятся атомы, способные в некоторых условиях проявлять слабые кислотные, а в некоторых условиях слабые щелочные свойства. Способность проявлять разные свойства достаточно устойчивыми атомами называются их лабильностью.

Лабильность объектов связана с достаточной малостью барьеров, отделяющих одно относительно устойчивое состояние от другого, а в предельном случае – достаточно большим пространством, в котором эффективность относительной устойчивости не зависит от каких-либо факторов. Ярким примером такого безразличного отношения к одному из факторов является отношение относительно устойчивых состояний вышерассмотренного шарика, находящегося на горизонтальной поверхности. Расстояние от центра шарика до центра притяжения Земли постоянно и не зависит от угла φ и предопределяет безразлично равновесное, относительно устойчивое положение шарика на поверхности (фигура 7а). Изменение угла φ под действием малых возмущений не изменяет эффективности относительно устойчивого положения шарика. В случае с достаточно большими энергетическими барьерами между относительно устойчивыми состояниями при малом изменении угла φ положение шарика в потенциальной яме изменяется. Из-за высокого барьера шарик остаётся в той же яме, но его положение устойчиво только при одном значении φ. В этом случае лабильность по φ теряется.

Фиг. 7

С повышением уровня объектов количество факторов, различным образом влияющих и не влияющих на эффективность относительно устойчивого состояния объектов, увеличивается, поэтому свойства объектов с повышением уровня объектов становятся всё многообразнее. Девять стабильных элементарных частиц в различных условиях образуют более ста видов атомов, различающихся своими свойствами (не считая их изотопные варианты).

Молекулы

Атомы, элементарные частицы и их совокупность (например, положительные или отрицательные ионы), взаимодействуя друг с другом (сталкиваясь, притягиваясь, отталкиваясь и т. п.) – всё время стремясь к своему устойчивому положению в определённых условиях (при достаточной плотности и т. п.), образуют сложные и устойчивые совокупности. Суммарная энергия составляющих молекул не в связанном состоянии превышает суммарную энергию молекулы, поэтому их положение в молекуле (в связанном состоянии) энергетически более выгодно и поэтому связанное состояние более устойчиво.

Чтобы диссоциировать молекулу, необходимо в неё тем или иным способом подвести достаточную энергию. При соединении атомов в молекулу происходит выделение энергии.

В определённых условиях достаточно большая совокупность элементарных частиц, ионов и атомов, находящихся в ограниченном пространстве в течение достаточно большого времени, по необходимости придёт к системе, состоящей из устойчивых в этой системе совокупностей молекул и атомов, приспособленных к этим условиям.

При исследовании атомов был рассмотрен вопрос о повышенной устойчивости атомов с полностью заполненной внешней оболочкой. Образование молекул можно трактовать как заполнения внешней оболочки какого-либо из участвующих в соединении атома (а может быть и нескольких). Такое «заполнение» может происходить различными способами, которые в химии разделяются на ионные связи, ковалентные, металлические.

Ионная связь – пример

Ионная связь образуется в молекуле хлористого калия KCl. Если при столкновении калия K и хлора Cl создадутся условия, позволяющие превысить энергетический барьер в 0,52 эв., то произойдёт образование стабильной молекулы KCl и при этом выделится энергия в 4,4 эв. Чтобы разложить молекулу KCl, необходима энергия, по крайней мере, превышающая эту выделившуюся энергию. В реальности энергия связи ионов K⁺, Cl^–превышает 4,7 эв, и для сравнения приведём ионизационный потенциал калия – равный 4.34 эв. (см. фигура 6), то есть устойчивость молекулы KCl несколько выше устойчивости атома калия. Огрубляя ситуацию, можно считать, что в соединении KCl ион калия, нейтрализуя отрицательный заряд единственного электрона внешней оболочки калия, заполняет им внешнюю оболочку хлора до полной укомплектованности, что приводит к повышению устойчивости всей системы.

Ковалентная связь

Рассмотренная химическая связь между калием и хлором называется ионной и часто трактуется как отчуждение электрона в противовес ковалентной связи – более распространённой в органических соединениях и трактуемой как обобществление электронов. Простейшим примером ковалентной связи служит молекула водорода. Ионизированная молекула водорода H₂⁺содержит два протона, окружённых одним электронным облаком. Энергия связи электрона при наличии двух протонов оказывается, конечно, большей, чем при наличии только одного протона. С другой стороны, электростатическое отталкивание протонов действует в противоположном направлении. Однако вследствие тенденции электронной волны к концентрации между протонами преобладающим оказывается электростатическое притяжение электрона к обоим протонам. Поэтому для полной диссоциации иона H₂⁺на два протона и электрон необходима энергия 16,25 эв, что превышает энергию ионизации атома водорода (см. фигура 6) 13,6 эв.

Согласно принципу запрета Паули, на орбите, где находится первый электрон, имеется место ещё для одного (но только одного) электрона. Наличие этого электрона приводит к нейтральной молекуле водорода с энергией диссоциации ещё большей (18,08 эв.), чем в ионе H₂⁺, но ненамного. При этом волновая функция двух электронов оказывается несколько более размытой, чем волновая функция единственного электрона в ионе H₂⁺.

С точки зрения заполняемости внешней оболочки, ковалентная связь отличается от ионной тем, что в ионной связи как бы происходит заполнение внешней оболочки атома, проявляющего более кислотные свойства, то есть того атома, внешняя оболочка которого ближе к заполненности. А ковалентная связь образуется при соединении «равноправных», с точки зрения заполненностей атомов. Это отличие приводит к тому, что в ковалентной связи происходит не «отчуждение» электронов, а «обобществление».

В следующем (втором) периоде элементом, образующим ковалентные связи, является углерод. У него четыре электрона на высшей оболочке, и до полной заполненности не хватает как раз четырёх электронов. Поэтому у углерода имеется тенденция к обобществлению четырёх дополнительных электронов.

Простейшим примером такого соединения является молекула метана CH₄ (см. фигура 8). Но при обобществлении какого-нибудь электрона не с водородом, а с углеродом приводит к разнообразнейшим возможностям объединения углерода в различные многокомпонентные соединения с разнообразнейшими свойствами.

Фиг. 8

В зависимости от условий, разнообразие устойчивых молекул – совокупностей элементарных частиц и атомов – не идёт ни в какое сравнение с разнообразием их составляющих «кирпичиков» – элементарных частиц, атомов. При этом наиболее устойчивые атомы – атомы благородных газов с полностью заполненными внешними орбитами – в разнообразие молекул вносят минимальный вклад. Наиболее разнообразные свойства, возможности возникают у молекул, состоящих из лабильных атомов и их ионов, среди которых, с этой точки зрения, выделяются те, которые способны образовывать ковалентные связи.

Промежуточные обобщения

Рассмотрев всё вышесказанное, можно ввести некоторые обобщения:

– Каждый физический объект, по возможности, стремится к своему достаточно устойчивому состоянию или пребывает в нём до тех пор, пока он не подвергнется достаточно большим воздействиям внешних сил.

– При воздействии достаточно больших сил объект (не потерявший своих основных свойств, характеризующих его именно как этот объект) опять стремится к своему (может быть, и новому) относительно устойчивому состоянию в соответствии с существующими условиями.

– Вышесказанное относится также и ко всем частям объекта. Нахождение частей объекта в нём в качестве составляющих обуславливается достаточной устойчивостью такого положения частей объекта. При достаточно больших воздействиях внешней и/или внутренней среды, приводящих к потере объектом своих основных свойств, все части объекта стремятся к своим новым устойчивым состояниям, может быть, и совпадающим со старыми.

Макромолекулы

Некоторые молекулы, атомы в общем случае совокупности элементарных частиц, подвергаясь различным воздействиям окружающей среды и стремясь к более устойчивому состоянию в определённых мало изменяющихся условиях, образуют ещё более сложные, относительно устойчивые соединения с открытой пространственной структурой – макромолекулы.

Под воздействием окружающей среды, например, под действием механических сил макромолекула может разорваться. При этом, если каждая часть макромолекулы сохраняет основные свойства первоначальной, то в данных условиях такая ситуация приводит к резкому распространению указанного вида макромолекул, которое может быть остановлено только изменением условий окружающей среды. Например, исчерпанием необходимых компонентов и/или изменением температуры и т. д. и т. п.

Фиг. 9

Под открытой пространственной структурой понимают свойство таких молекул присоединять к себе большое количество атомов, ионов и молекул и таким образом расти, то есть наращивать свою массу. Такая структура обуславливается периодически повторяющимся процессом, в котором насыщение некоторых свободных валентностей не приводит к химически равновесному состоянию этих молекул, а приводит к появлению всё новых свободных валентностей (см. фигура 9).

Для пояснения ковалентной связи выше был приведён пример метана, в котором четырёхвалентный углерод связан с четырьмя одновалентными атомами водорода. Если в этом соединении какая-либо связь осуществится не с водородом, а с углеродом, то получится новое соединение со свободными валентностями, обуславливающими дальнейшую способность присоединять к себе различные атомы, ионы и подобные себе соединения.

Огромные макромолекулы с тысячами атомов называют ультрамолекулами. Сложность и разнообразие открытых макромолекул, способных образоваться в определённых условиях, обеспечивает и колоссальными возможностями сочетания различных свойств.

Видовая устойчивость

Идентичное воспроизведение. В определённых, мало изменяющихся условиях, среди огромного (возможного) разнообразия молекул, макромолекул с разнообразнейшими свойствами выделяются наиболее устойчивые виды молекул. Одним из наиболее эффективных механизмов, способствующих такому выделению, оказались механизмы идентичного воспроизведения. Молекулы, обладающие свойствами каким-либо способом воспроизводить идентичные себе молекулы, могут сильно распространиться в соответствующих условиях. Одним из простейших способов идентичного воспроизведения является способ однозначного достраивания не хватающих частей молекул при каком-либо (например, механическом) разрыве молекул на части. Количество таких молекул (макромолекул) может резко возрастать, что только способствует распространённости. То есть увеличению устойчивости этого вида молекул. Остановить такой процесс может только изменение окружающих условий. Чаще всего такие процессы прекращаются или тормозятся из-за выработки ресурсов окружающей среды – резкого уменьшения компонент, из которых строятся новые молекулы.

Рассмотрим другие аспекты, влияющие на видовую устойчивость каких-либо молекул, макромолекул в определённых условиях.

Распространённость, с одной стороны, есть следствие относительно повышенной устойчивости каких-либо молекул (в общем случае объектов) в определённых существующих и/или существовавших условиях внешней среды. С другой стороны, распространённость есть один из механизмов и мощнейших факторов, обеспечивающих достаточно высокую видовую устойчивость объектов, обладающих даже и не очень высокой индивидуальной устойчивостью. Это обстоятельство можно трактовать как обеспечение достаточно большой устойчивости системы (вида) объектов, состоящей из ненадёжных элементов.

Распространённость молекул, в общем случае, объектов, явлений и т. д., способствует повышению эффективности относительно устойчивого состояния этого вида молекул (объектов, явлений и т. п.). Распространённость приводит к повышению вероятности попадания объекта в новые и, вполне возможно, более благоприятные условия. В новых условиях объект, стремясь к новому относительно устойчивому состоянию, может выработать новый механизм приспособления к окружающим условиям, повышающий эффективность относительной устойчивости всего рассматриваемого вида объектов.

Кроме механизмов идентичного воспроизведения и благотворного влияния распространённости, в ходе химической эволюции были найдены, обработаны и отшлифованы ещё и другие механизмы. Одним из таких механизмов является катализация – резкое ускорение определённых химических реакций (воспроизводство определённых молекул) в присутствии неисчезающих в процессе реакций катализаторов.

Ещё одним довольно сложным механизмом является обособление, заключающееся в том, что часть продуктов реакции образует устойчивую оболочку со специфическими свойствами. Эти свойства состоят в том, что внутрь оболочки пропускаются только те компоненты окружающей среды, которые необходимы для поддержания реакции. А внутри оболочки находится среда, способствующая повышенной устойчивости протекания реакций, обеспечивающих видовую устойчивость рассматриваемых обособившихся объектов.

Относительно повышенная устойчивость совокупностей молекул, атомов и элементарных частиц в определённых мало изменяющихся условиях, выработавших эти и/или другие приспособительные механизмы, в этих условиях резко возрастает и способствует распространению именно таких совокупностей за счёт менее приспособленных.

Объединение различных механизмов, которые повышают относительную устойчивость определённого вида макромолекул или их совокупностей, приводит к образованию относительно более устойчивых соединений, обладающих огромным количеством разнообразнейших свойств.

Процессы

Всё течёт. Геродот

Некоторые молекулы, атомы, в общем случае, совокупности элементарных частиц взаимодействуют между собой (каждая совокупность при этом стремится к своему более устойчивому состоянию), в определённых мало изменяющихся условиях образуют достаточно устойчивые, периодически повторяющиеся процессы, основанные на различных механизмах идентичного воспроизведения (каталические процессы).

Вообще периодически повторяющиеся процессы – циклические процессы, довольно устойчивы и поэтому распространены в природе. Например, вращение Луны вокруг Земли, обуславливающее приливы и отливы, смены дня и ночи, лета и зимы. По-видимому, повышение относительной устойчивости нейтронов в системе ядра атома, которые в свободном состоянии неустойчивы, обуславливаются именно такими периодическими процессами взаимодействия с протонами.

В химии такие процессы характеризуются тем, что начальная молекула, в общем случае, совокупность элементарных частиц – из существующей, мало изменяющейся окружающей среды и, возможно, под воздействием этой среды – например, под воздействием солнечного света или повышения температуры и т. д. – вступает во взаимодействие только с определёнными компонентами окружающей среды. И в результате этого взаимодействия (чаще в несколько этапов) возникают условия и молекулы, подобные начальным, способные повторить, поддержать процесс.

Некоторыми свойствами таких процессов обладает известная химическая реакция Белоусова-Жаботинского, исследованная многими учёными, например, основателем Бельгийской школы И. Пригожиным. В этой реакции происходит окисление лимонной кислоты броматом калия в присутствии катализатора – ионов трёх– и четырёхвалентного церия. Обычно эта реакция протекала в реакционной смеси, состоящей из бромата калия, малоновой или броммаловой кислоты в лимонной кислоте при температуре смеси 25 ℃.

Обозначив

X = [HBrC₂], Y = [Br^–], Z = 2[Cl⁺⁴]

концентрации «ключевых» веществ,

A = B = [Br₃^–]

и P = Q – концентрации продуктов можно выделить следующие основные стадии всей реакции:

A + Y → X

X + Y → P

B + X → 2X + Z

2X → Q

Z → fY

Главной особенностью таких реакций является существование автокаталитического механизма, в котором Y производит Х, Х производит Z и Z в свою очередь производит Y, после чего цикл повторяется. В определённых условиях эта реакция распространяется волнами, которые хорошо видны по выделяющимся (на определённых стадиях) пузырькам углекислого газа.

Каждая стадия этого процесса подготавливает условия, необходимые для протекания следующей стадии. И на каждой стадии существуют движущие силы (в основном, химические силы сродства), обеспечивающие протекание этой стадии в заданном направлении. То есть на каждой стадии существует неравновесное состояние, которое заставляет компоненты, участвующие в процессе на этой стадии, изменять своё состояние соответствующим образом, но это состояние приводит также к неравновесному состоянию всей системы, обуславливает протекание следующей стадии.

Отсюда вытекает следующее следствие относительно взаимоотношений устойчивости и равновесности различных объектов, процессов, явлений.

Каждый объект, каждая часть объекта, элемента, задействованные в процессах и т. д. и т. п., стремятся к своим устойчивым (при существующих условиях) состояниям, но устойчивые состояния каких-либо систем не обязательно равновесные. Чтобы процесс был устойчивым, необходимо устойчивое поддержание неравновесного состояния.

Вышерассмотренный химический процесс Белоусова-Жаботинского достаточно устойчив и протекает довольно долго, пока условия не изменятся. Но так как он сильно зависит от окружающей среды и сам способствует неблагоприятным изменениям условий протекания процесса (например, уменьшение концентрации не восстанавливаемой в процессе кислоты), он является затухающим. На свойствах относительно устойчивых процессов необходимо остановиться подробней.

Основные факторы относительно устойчивых процессов

Процесс называется довольно устойчивым, если он не меняет своих существенных свойств, характеризующих его именно как этот процесс в течение достаточно продолжительного времени, несмотря на воздействия внешней и внутренней среды.

В связи с разнообразием относительно устойчивых процессов – для определённости – несколько разграничимы относительно устойчивые процессы по различным свойствам, отражающим некоторые существенные грани понятия устойчивости. То есть проведём классификацию процессов.

Процессы с подводом и без подвода энергии

Для протекания любого процесса в соответствующем объекте (системе) необходимо наличие свободной энергии. В нехимическом процессе вращения Луны вокруг Земли относительная устойчивость процесса обусловлена достаточно медленным расходом свободной энергии. Среди химических реакций им соответствуют известные процессы образования угля в природе и т. д. Если всю реакционную смесь реакции Белоусова-Жаботинского рассматривать как химическую систему, то её тоже можно отнести к процессам без подвода энергии извне. С исчерпанием невосстанавливаемой кислоты этот процесс затухает. В конце концов вся система – при достаточно малом влиянии окружающей среды – приходит в состояние равновесия, т. е. в состояние с максимальной энтропией. С этой точки зрения, процессы без подвода энергии являются процессами, не способными поддерживать свою устойчивость.

Процессы с простым и расширенным воспроизводством

Относительно устойчивые процессы с подводом энергии (в том или ином виде) из окружающей среды можно подразделить на два класса. Циклические процессы (с простым производством) и истинно устойчивые (с расширенным воспроизводством).

Химические процессы, в которых начальная молекула, в общем случае, совокупность элементарных частиц, при этом процессе порождает только одну идентичную молекулу (совокупность элементарных частиц) взамен первоначальной, то есть просто повторяющийся процесс можно называть циклическим. А те из них, в которых начальная молекула (совокупность элементарных частиц) порождает больше одной молекулы (совокупность элементарных частиц), идентичной начальной, можно называть процессами с «расширенным» воспроизводством.

Такое разграничение существенно из-за того, что с точки зрения видовой устойчивости молекул (совокупности элементарных частиц) просто циклические процессы не имеют никакой перспективы и они находятся целиком во власти изменений окружающей среды. (Конечно, при благоприятных изменениях некоторые из них могут перейти в разряд процессов с «расширенным» воспроизводством.)

В то же время процессы с расширенным воспроизводством, распространяясь в достаточно обширной области с различными (медленно и скачкообразно меняющимися) условиями и, следовательно, с различными относительно устойчивыми состояниями имеют шанс попасть в условия, в которых они могут ещё больше повысить эффективность своих относительно устойчивых состояний. Имеют большую вероятность – возможность – выработать большее количество приспособительных механизмов.

Конечно, в некоторых, достаточно тяжёлых условиях устойчивые процессы с расширенным воспроизводством могут «свёртывать» своё воспроизводство, превращаться в просто циклические (пережидать плохие времена), уменьшаться в количестве и даже полностью пропасть, не выдержав соответствующих воздействий. Но при достаточно большом разнообразии таких процессов и условий протекания среди них могут найтись такие, которые приспособятся к новым условиям. Потеря устойчивости процесса приведёт к тому, что элементы системы, задействованные в процессе, придут к своим устойчивым состояниям, которые были рассмотрены выше, то есть к тем, которые характерны для объектов более низкого уровня. Повторим, что все процессы, действия, движения протекают в разнообразных условиях не под воздействием чьей-то воли, а из-за стремления каждой совокупности и её частей к своему устойчивому состоянию в этих условиях по необходимости.

В связи с вышесказанным, с точки зрения общей устойчивости «истинно» устойчивыми процессами могут быть только процессы с «расширенным» воспроизводством, а процессы циклические – в вышеотмеченном смысле – обречены.