характеристики спинов их электронов. Электроны с параллельными (одинаково направленными) спинами ( ) отталкиваются друг от друга, а электроны с антипараллельными спинами ( ) сближаются, стягиваясь в электронную пару. Этот принцип уже упоминался нами при описании построения атомных орбиталей электронных оболочек атомов.
Таким образом, при сближении двух атомов водорода в пространство между их ядрами могут войти два электрона, спины которых антипараллельны. В результате появляется стабильное двухатомное системное образование - молекула водорода H2, фн. ячейки которого заполнены фщ. единицами подуровня В - атомами водорода. Общая кинетическая энергия системы из двух атомов уменьшается вследствие поглощения ее при построении самой системы путем трансформации части кинетической энергии отдельных атомов в потенциальную энергию связи молекулы. Ядра связанных атомов остаются на строго определенном расстоянии и совершают колебания относительно друг друга. Равновесное межядерное расстояние, называемое длиной химической связи, для молекулы H2 равно 0,74 при радиусах атомов водорода 0,53 . Область пространства между ядрами атомов, в которой вероятность нахождения электронной пары максимальна, представляет собой молекулярную орбиталь. В ней, как мы выяснили, не могут находиться одновременно два электрона с параллельными спинами. Поэтому при сближении двух атомов, электроны которых имеют параллельные спины, молекула водорода образоваться не может. Химическая связь может возникать как между отдельными атомами периодической системы подуровня В, так и между более сложными фщ. единицами - молекулами, ионами, радикалами... Однако в любом случае в ее основе лежит метод валентных связей, главное положение которого состоит в том, что валентность любой указанной единицы равна числу ее неспаренных электронов. Если в атоме имеются вакантные орбитали (фн. ячейки уровня АА), не слишком сильно отличающиеся по уровню энергии от орбиталей, содержащих пару электронов, то возможен переход одного из электронов в свободную орбиталь соседнего подслоя. В результате, электроны 'распариваются' и становятся валентными. Однако, чтобы осуществить такой перевод электрона на другую орбиталь, то есть возбудить атом, нужно затратить определенное количество внесистемной энергии. Число обобщенных электронных пар определяет ковалентность элемента.
Каждая фщ. единица (атом, ион или молекула), содержащая в орбитали неспаренный электрон, следуя законам движения Материи в качестве (), стремится к установлению с партнерами атомной связи и поэтому обладает высокой реакционной способностью, проявляющейся прежде всего в реакциях замещения (Na + H2O = NaOH + H) и присоединения (H + H = H2 или H + Cl = HCl ).
Связь между атомами, осуществляемая общей электронной парой, может возникнуть и другим путем. Если в атомной орбитали одного атома (Д) находятся два электрона, а у другого атома (А) имеется вакантная атомная орбиталь, то связь между ними образуется за счет пары электронов первого атома (Д: А). Атом Д, предоставляющий для образования связи электронную пару, является донором, а атом А, обладающий свободной орбиталью, - акцептором.
Образование донорно-акцепторной связи протекает по пути, отличающемуся от механизма ковалентной связи, но приводит к такому же результату. При этом происходит усложнение состава и структуры веществ с образованием сложных 'комплексных' соединений, несущих свою строго определенную функциональную нагрузку. Как правило, один из атомов (обычно акцептор), располагаясь в центре, координирует вокруг себя единицы, вступающие с ним в донорно-акцепторную связь, называемую еще поэтому координативной связью. За счет координативной связи происходит химическое насыщение атома, в результате чего внутренняя энергия системы взаимодействующих атомов понижается. Благодаря этому общая валентность атома (как суммы всех его связей) может быть достаточно высокой.
Итак, при установлении химической связи атом предоставляет партнеру либо атомную орбиталь с двумя свободными фн. ячейками (акцептор), либо атомную орбиталь с одним электроном и одной свободной фн. ячейкой, либо атомную орбиталь с парой электронов - фщ. единиц (донор). Поэтому валентность элемента равна общему числу орбиталей его атома, принимающих участие в образовании химических связей. При заполнении электронами фн. ячеек всех возможных атомных орбиталей атом химически насыщается и становится неспособным к установлению дополнительных химических связей
В общем случае образование каждой дополнительной валентной связи приводит к дальнейшей стабилизации молекулы, поэтому наиболее устойчивыми молекулами являются такие, в атомах которых все стабильные атомные орбитали либо использованы для образования связей, либо заняты неподеленными парами электронов.
Ковалентная, как и донорно-акцепторная химическая связь образуется между атомами, расположенными в пространстве друг относительно друга определенным образом - направленно. И поэтому, чем полнее в пространстве перекрываются друг с другом две атомные орбитали, участвующие в химической связи, тем меньшим запасом энергии обладают электроны, находящиеся в области перекрывания и осуществляющие связь, и тем прочнее химическая связь между этими атомами. Направленность химических связей в пространстве придает всем многоатомным частицам (молекулам, ионам, радикалам) определенную конфигурацию. От нее зависит внутренняя структура вещества, а также его фн. свойства.
Параллельно с развитием структуры фщ. единиц уровня Г происходило дальнейшее разделение их фн. свойств. Примером этому может служить деление единиц на диамагнитные и парамагнитные. Первые оказывают прохождению магнитных силовых линий сопротивление большее, чем 'вакуум', а вторые проводят их лучше, чем 'вакуум'. Поэтому внешнее магнитное поле выталкивает диамагнитные вещества и втягивает парамагнитные. Столь различное их поведение объясняется особенностями структурного построения, диктуемого законами нижних организационных уровней, и действие которых определяет характер внутренних магнитных полей вещества, складывающихся из собственных магнитных моментов нуклонов и электронов. Магнитный момент любого атома определяется все же, главным образом, суммарным спиновым магнитным моментом электронов, так как магнитные моменты протонов и нейтронов примерно на три порядка меньше моментов электронов. Если два электрона находятся в одной орбитали, то их магнитные поля замыкаются, так как оба они могут иметь антипараллельные спины. Поэтому, если в веществе, представляющем сумму однородных единиц, магнитные моменты всех электронов взаимно скомпенсированы, то есть все электроны спарены, то это вещество диамагнитное. Напротив, если в орбиталях имеются холостые электроны, то вещесто проявляет парамагнетизм. Примерами диамагнитных веществ могут служить молекулярные водород, азот, фтор, углерод и литий (в газообразном состоянии). К парамагнитным относятся молекулярный бор, кислород, окись азота.
Вещества с аномально высокой магнитной восприимчивостью (например, железо) относятся к ферромагнитным. Однако, ферромагнетизм проявляется ими только в твердом состоянии.
Здесь следует также отметить, что одним из важных видов химических взаимодействий, возникших в период движения Материи в своем развитии по уровню Г, являются окислительно-восстановительные реакции. К ним относятся реакции, в результате которых изменяются степени окисленности элементов, то есть происходит взаимное перемещение электронов вступивших в реакцию веществ, при этом происходит отдача электронов одними молекулами (окисление) и присоединение их другими (восстановление). Окислительно-восстановительные реакции играют большую роль при протекании в биологических системах таких процессов, как фотосинтез, дыхание, пищеварение и т.п.
Таким образом, в ходе развития Материи по организационному уровню Г функциональная дифференциация атомов стала причиной их структурной интеграции в молекулы.
Уровень Д
Все окружающие нас тела и вещества представляют собой совокупности большого числа фщ. единиц уровня Г - молекул, ионов, радикалов со строго определенными фн. свойствами - тем или иным образом расположенным в пространстве и объединенным в соответствующие системные образования уровня Д. Их взаимное расположение в пространстве не является случайным, а подчинено объективным законам общей теории систем, в соответствии с которыми они заполняют предназначенные для них фн. ячейки в структурах системных образований более высокого порядка. В зависимости от характера взаимодействий фщ. единиц, регламентируемых алгоритмами соответствующих фн. ячеек, объединяющее их вещество находится в одном из фазовых состояний, свойства которого предопределяют структуру фиксирования фн. ячеек и поведение заполняющих их фщ. единиц.
