2.1. Атомы, связи и молекулы

 

На рис. 2–3 изображена периодическая система химических элементов, из которых состоит любое вещество. В табл. 2–1 приведены основные составляющие твердой земной коры, тела человека и морской воды в порядке их распространенности в соответствующей среде. Как видно из таблицы, примерно на 99% тело человека состоит из водорода, кислорода, азота и углерода. Это характерно для любых организмов. Является ли преобладание этих элементов в живых системах просто делом случая или существует рациональное объяснение их доминирования в любом из столь большого многообразия организмов, возникших в процессе эволюции за прошедшие 3 млрд. лет?

 

 

Таблица 2–1. Сравнение химического состава тела человека с химическим составом морской воды и земной коры. Содержание химических элементов выражено в процентах от общего числа атомов. (Поскольку в таблице приводятся округленные значения, соответствующие суммы не равны в точности 100. (Biology: An Appreciation of Life, 1972.))

 

Тело человека	Морская вода	Земная кора
H           63 O           25,5 C           9,5 N           1,4 Ca          0,31 P           0,22 Cl          0,03 K          0,06 S           0,05 Na          0,03 Mg         0,01 Прочие    0,01	H           66 O           33 Cl         0,33 Na        0,28 Mg       0,033 S          0,017 Ca        0,006 K         0,006 C         0,0014 Br        0,0005   Прочие  0,1	O           47 Si           28 Al          7,9 Fe          4,5 Ca         3,5 Na         2,5 K          2,5 Mg         2,2 Ti         0,46 H         0,22 C         0,19 Прочие   0,1

 

 

Джордж Уолд, внесший большой вклад в создание химической теории зрения, утверждал, что господство в биологических системах водорода, кислорода, азота и углерода вовсе не случайно, а неизбежно вытекает из некоторых фундаментальных свойств этих элементов на уровне атомов – свойств, которые делают их особенно пригодными для создания химических основ жизни. Расcмотрим кратко те факторы, которые влияют на химическое поведение атомов, а затем вернемся к тезису Уолда.

Структура атома гораздо сложнее и тоньше, чем та модель, которую мы здесь опишем; для наших целей достаточно рассмотреть самые существенные ее черты. Каждый атом представляет собой плотное ядро из протонов и нейтронов, окруженное «облаком» электронов, число которых равно числу протонов в ядре. Поскольку число отрицательно заряженных электронов равно числу положительно заряженных протонов, каждый атом в своем основном состоянии в целом электронейтрален. Электроны не занимают строго определенных орбит, но их статистическое распределение в пространстве таково, что они оказываются в некоторых точках пространства с большей вероятностью, чем в других. Такое распределение имеет вполне систематический характер, так что в атомах, содержащих один или два электрона (это атомы водорода и гелия), траектории электронов фактически образуют единственную «оболочку» ядра (рис. 2–4). В атомах, содержащих от трех до десяти электронов (Li, Be, В, С, N, О, F, Ne), первая оболочка заполнена двумя электронами; остальные электроны занимают вторую оболочку, внутри которой заключена первая. Вторая оболочка может содержать до восьми электронов. В атомах, имеющих более десяти протонов и соответственно десяти электронов, образуется третья оболочка, в которой может разместиться до восьми электронов, и так далее (рис. 2–5).

 

Рис. 2.4. Атомы водорода и гелия имеют по одной электронной оболочке. У атома водорода она не заполнена, а у атома гелия – заполнена (два электрона).

 

Рис. 2.5. Первые четыре электронные оболочки; показано, сколько электронов требуется для того, чтобы заполнить каждую из них.

 

 

 

Когда во внешней оболочке атома находится максимально возможное для данной оболочки число электронов (2–в первой оболочке, по 8–во второй и третьей, 18–в четвертой и т.д.), т.е. когда она уже не может больше принять ни одного электрона, атом является чрезвычайно стабильным и неохотно вступает в реакции с другими атомами. Именно таковы все благородные газы (например, гелий и неон), которые расположены в крайнем правом столбце периодической таблицы. У большинства элементов, однако, внешние электронные оболочки не заполнены, поэтому они способны вступать в реакции с другими атомами. У водорода, например, в его единственной электронной оболочке находится только один электрон из двух возможных, а у кислорода в его внешней оболочке – только шесть электронов вместо восьми (рис. 2–6). Таким образом, оба атома – водород и кислород – стремятся к обобществлению электронов с тем, чтобы внешние их оболочки были заполнены и атомы приняли более устойчивую конфигурацию.

 

Рис. 2.6. И у водорода, и у кислорода внешние оболочки не заполнены.

 

 

 

 

Рис. 2.7. Внешняя электронная оболочка у атома хлора находится дальше от ядра, чем у атома фтора, поэтому электроны внешней оболочки атома хлора притягиваются к ядру с меньшей силой, чем в атоме фтора.

 

 

 

Число электронов во внешней оболочке во многом определяет физические свойства и реакционную способность атомов, однако на химические свойства атома заметно влияют и другие его физические характеристики. Одной из них является величина (или масса) атома. Чем тяжелее атом (т.е. чем больше протонов и нейтронов содержит ядро), тем больше электронов окружает ядро. Когда электронов становится больше десяти и образуется третья электронная оболочка, валентные электроны, т.е. электроны внешней оболочки, оказываются на большем  расстоянии от массивного ядра и поэтому притягиваются к нему с меньшей силой по сравнению с валентными электронами атомов, у которых всего две оболочки (рис. 2–7). (Напомним, что сила электростатического взаимодействия между двумя зарядами уменьшается пропорционально квадрату расстояния между ними.) Таким образом, хлор, у которого семь валентных электронов расположены в третьей оболочке, обладает меньшей реакционной способностью, чем фтор, у которого семь валентных электронов находятся во второй оболочке. Оба атома стремятся захватить один электрон, чтобы до конца заполнить внешнюю оболочку, но у фтора это стремление выражено сильнее, поскольку его внешняя электронная оболочка испытывает более сильное электростатическое притяжение со стороны ядра, чем в большем по размерам атоме хлора. В результате при прочих равных условиях легкий атом, по сравнению с тяжелым, образует более прочные и, следовательно, более стабильные связи с другими атомами.