быть представлены как суперпозиция всех возможных состояний. Означает ли это, что каждый протон движется во всех возможных направлениях? Из-за общности происхождения их свойства связаны (коррелируют) друг с другом. Так, по закону сохранения импульса, если один протон полетит вверх, то второй — обязательно вниз. Поэтому, измерив импульс одного, мы узнаем импульс и второго даже в том случае, если он уже улетел на другой конец Вселенной. Эйнштейн назвал это «действием призраков на расстоянии», которое нельзя сопоставить ни с какой реалистической моделью из обыденного опыта: все свойства каждого из протонов должны быть зафиксированы с того момента, когда они только начали свой разлет.

Допустим, неопределенность в поведении электрона зависит не только от импульса, координаты и спина, но и от каких-то других «скрытых» параметров, которые нам удалось познать. Можно ли в этом случае достичь полного описания, как в классической механике? Это можно осуществить для единичного измерения, но оно так ограничит область значений скрытых параметров, что уже ко второму измерению их будет недостаточно для согласия с квантовой механикой. В работах Гейзенберга и Бора были тщательно проанализированы возможности одновременного измерения двух канонически сопряженных величин (E, t è q, p) и проведены мысленные эксперименты, которые подтверждали принцип неопределенности. Получалось, что микрообъект в квантовой механике при использовании одних экспериментальных приборов представляется нам как локализованная во времени (t) и в пространстве (x) материальная точка, не обладающая определенным импульсом (p) и энергией (E), а при использовании других приборов — как нечто, обладающее E è p, но не локализованное по x è t. Бор и его школа, получившая название «копенгагенской», методологически обобщила принцип Гейзенберга. Они утверждали, что в естественных науках можно пользо-

ваться только теми величинами, для измерения которых известна или придумана определенная измерительная процедура и созданы соответствующие приборы. Но результат измерения получается всегда в классических величинах и понятиях, поэтому все объекты уже не существуют сами по себе, как в классической науке, а связаны с экспериментальной установкой вместе с наблюдателем и как бы теряют свою самостоятельную реальность. Впоследствии известный советский физик-теоретик В.А.Фок назвал это свойство «относительностью к средствам наблюдения».

Гейзенберг активно участвовал в обсуждении философских проблем, связанных с квантовой физикой и теорией познания. Вместе с Дираком он выдвинул идею обменного взаимодействия, позволившую (независимо от Френкеля) разработать первую квантово-механическую теорию ферромагнетизма, основанную на обменном взаимодействии. В начале 30-х годов они создали теорию дырок Дирака и постулировали эффект поляризации вакуума. За создание плодотворных вариантов квантовой механики Гейзенберг, Шредингер и Дирак стали Нобелевскими лауреатами по физике за 1933 г.

Пользуется вниманием предложенная в 50-е годы Хью Эвереттом гипотеза «множественности миров», в которой считается, что каждое проведение измерения заставляет частицу сделать выбор, например, пойти в правую или левую щель. При каждом таком выборе вся Вселенная как бы расщепляется на две. Но есть и иное мнение. Возможно, квантовая теория требует большей перестройки нашего мышления, нашей логики. Булева логика, основанная на двоичности мышления, на утверждениях типа «или-или» не дает нам возможности понять свойств частицы, проходящей через две щели, и квантовая теория может изменить наши представления о мире в большей степени, чем изменились наши понятия пространства и времени с появлением теории относительности.

11.3. ПОСТРОЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. ПРИНЦИП ПАУЛИ

Убедительным подтверждением теории атома	атома водорода и успехов квантовых представлений в
Áîðà стали опыты Франка и Густава Герца по возбужде-	других областях науки активно развивалась спектроскопия,
нию атома потоком электронов. Они доказали существо-	которая явилась ключом в мир внутриатомных явлений.
вание дискретных энергетических уровней в атоме ртути.	Среди неразрешенных проблем была интерпретация àíî-
Впоследствии они определили энергии возбуждения и для	мального эффекта Зеемана, когда возникало отличное от
других атомов. И неудивительно, что за блестящие опыты	триплета расщепление линии в магнитном поле. Паули в
Дж.Франк и Г.Герц стали лауреатами Нобелевской премии	течение двух лет работал у Бора над этой проблемой.
по физике за 1925 г. Примерно в это же время Мозли	В 1924 г. он выдвинул гипотезу ядерного спина для объяс-
провел опыты по определению зависимости между часто-	нения сверхтонкой структуры спектральных линий, считая,
той спектральных линий характеристического рентгенов-	что необъясненные явления «возникают вследствие дву-
ского излучения и порядковым номером элемента, кото-	значности свойств электрона, которую нельзя описать
рые доказали равенство порядкового номера и заряда ядра.	классически». Фактически это и была гипотеза сущест-
В своей Нобелевской речи Бор отметил, что его теория	вования спина электрона, которую робко высказывал еще
объясняет молекулярные спектры, удовлетворительно	Комптон (1921 г.).
согласуясь с опытом. При переходе к объяснению строения	В октябре 1925 г. Гаудсмит и Уленбек по представлению
элементов таблицы Менделеева он предположил, что	физика-теоретика П.Эренфеста (1880–1933) опубликовали
замкнутые конфигурации энергетически более выгодны,	статью с предложением гипотезы спина электрона, ññû-
и после заполнения одной оболочки начинают заполняться	лаясь на работу Паули, а после обсуждения с Бором,
следующие. Это предположение помогло Паули придти	Эйнштейном и Эренфестом опубликовали большую статью
(1925–1926 гг.) к принципу запрета, согласно которому в	в «Nature» (1926 г.), где понятие спина использовали для
каждом квантовом состоянии может находиться только	объяснения многих явлений в спектре водорода.
один электрон. После создания Бором квантовой теории

116

Ñïèí электрона имеет размерность вращательного момента-импульса, умноженного на расстояние. Поэтому он имеет размерность постоянной Планка h. Вращательный момент L кратен h, является целым, и ему отвечают (2L + 1) различных состояний с различными значениями проекций на данную ось. Спин электрона в единицах h равен 1/2 и может иметь два значения: +(1/2) и –(1/2), соответствующие двум значениям проекции на эту ось. Иногда говорят, что он может иметь состояния «вверх» и «вниз». В магнитном поле он направлен по полю или против него. В том же 1924 г. Паули сформулировал принцип, согласно которому на одной орбите не могут одновременно находиться более двух тождественных частиц с полуцелыми спинами. Спин электрона в некотором смысле аналог того свойства фотона, которое называют поляризацией света. Он описывает определенную асимметрию электрона, неизотропность его свойств. И этой аналогией, вероятно, руководствовался Паули во время написания работы о спине электрона, поскольку для введения спина в волновую механику он предложил приписать Ψ-функции две компоненты, имеющие смысл двух взаимно перпендикулярных компонент вектора, как для света. Мы не будем обсуждать формализм, введенный Паули, тем более, что вскоре его усовершенствовал Дирак, но интересны соображения Паули о введении спина в волновую механику.

Принцип Паули отражает антисимметрию волновых функций электронов, наличие у них полуцелого спина. Согласно принципу Паули, в силу неотличимости микро- частиц исключается вероятность того, что внутри одного атома одинаковые орбиты могут быть заняты одинаковыми электронами. Или: в одном атоме не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии по всем четырем квантовым числам, характеризующим состояние (например, электронов только с противоположными спинами). Этот принцип позволил объяснить химические свойства элементов, определяемые электронами внешних незаполненных оболочек, что, в свою очередь, дало фундаментальное физическое обоснование периодической таблице элементов.

Запрет Паули привел к новым открытиям, к пониманию тепло- и электропроводности металлов и полупроводников. К 1927 г. Паули сумел объяснить парамагнетизм электронного газа в металле и структуру электронных оболочек в атоме.

Электронные оболочки атомов строились с помощью принципа Паули. Так была понята таблица элементов Менделеева. Каждый слой представлялся совокупностью стационарных орбит. По Бору, электроны только после заполнения оболочки начинают занимать более высокие орбиты. Методы нахождения допустимых орбит определялись правилами квантования Бора–Зоммерфельда, позволившими продвинуть модель Бора от водорода к другим атомам. Оказалось, что электроны движутся не по окружностям, а по эллипсам, поэтому находящиеся на одном эллипсе электроны должны отличаться ориентацией, а эллипсы одного слоя — эксцентриситетом. В этом случае электроны, находящиеся в одном слое, отличаются энергетическим состоянием. На основании квантово-механи- ческого рассмотрения микрообъектов стало ясно, что их

состояние описывается с помощью квантовых чисел. Например, состояние электронов описывается четырьмя квантовыми числами.

Квантовые числа — это целые или полуцелые числа, определяющие возможные дискретные значения физи- ческих величин или параметров, описывающих состояние микрообъекта.

Главное квантовое число (n) определяет значения энергии, которые может принимать движущаяся частица (n = 1, 2, 3…). Электронные слои обозначают большими буквами латинского алфавита K, L, M, N, O… Наибольшее количество электронов в слое равно 2n2, поэтому в самом близком к ядру слое Ê (n = 1) может находиться не более двух электронов, в слое L (n = 2) — не более восьми и т.д. Чем больше заряд ядра или порядковый номер в таблице, тем сильнее притягиваются электроны, особенно внутренних слоев, поэтому диаметры слоев с ростом номера элемента уменьшаются, и все атомы имеют почти одинаковые размеры порядка 10–10 м. Атомы, относящиеся к одной группе элементов таблицы Менделеева, имеют одинаковую валентность, обусловливающую их сходные химические свойства. На внешних оболочках они имеют одинаковое число электронов, которые называются валентными.

Азимутальное (орбитальное) квантовое число (l) определяет возможные значения орбитального момента импульса в силовом поле, l = 0, 1, 2, …, n – 1. Этим числом характеризуют движение электронов в атомах и молекулах, а также нуклонов в ядрах атомов. Состояния с различными значениями l отличаются величиной момента импульса, им присвоили специальные обозначения. Для электрона в состоянии с l = 0 — s-состояние, â l = 1 — p-состояние или называют его p-электроном; далее с ростом квантового числа — d-электрон èëè f-электрон. Поскольку орбитальное число всегда меньше главного, то существуют состояния электрона 1s; 2s, 2p; 3s, 3p, 3d… Состояние 1s является основным состоянием водорода. Этому состоянию соответствует минимум потенциальной энергии, оно самое устойчивое. Возбуждению соответствует переход на более высокое состояние, обладающее большей энергией. Поэтому для возбуждения необходимо затратить энергию. Если это энергия теплового движения, переданная при соударении, то имеем тепловое излучение — обратный переход из возбужденного состояния в основное.

Магнитное квантовое число (m) определяет вели- чину проекции момента импульса на выделенное направление по формулам квантования, m = –l, …, –1, 0, +1, …, +l. Выделенное направление обычно выбирают по направлению внешнего поля. Чаще всего это поле магнитное, отсюда и название квантового числа.

Спиновое квантовое число ms связано с собственным моментом импульса электрона, не связанным с движением электрона в пространстве, которое получило название спина; ms = +1/2; –1/2. Спином обладают все элементарные частицы (кроме мезонов), это внутреннее свойство микро- частицы. Значения спинового квантового числа определяются принципом Паули.

Так, принцип Паули позволил объяснить насыщение уровней и «дал запрет» электронам находиться в одина-

117

ковом состоянии. В соответствии со свойствами симметрии ψ-функции при перестановке двух частиц (электронов) для электронов возможны только антисимметричные состояния. В дальнейшем принцип Паули сыграл решающую роль при построении статистики Ферми–Дирака для частиц с полуцелым спином — фермионов. Для частиц с целым спином (в единицах h/2π) — бозонов — была построена статистика Бозе–Эйнштейна. Принцип Паули не имеет аналога в классической физике, и физические причины существования этого запрета не полностью еще понятны. Паули предложил сначала простое правило, автомати- чески объясняющее наличие групп из 2, 8, 18 и 32 элементов. Он постулировал, что одну электронную орбиталь (или стоячую волну) могут занимать не более двух электронов. Вскоре было обнаружено наличие спина у электрона, и получилось, что принцип Паули имеет основание.

Если идти по системе химических элементов в направлении увеличения их номера, то оказывается, что электронами сначала заполняются низшие уровни энергии. Так, атом висмута выглядит так же, как и атом свинца, но с одним отличием — у висмута на 6ð-оболочке на один электрон больше. Существует еще одно правило заполнения оболочек — правило Хунда. Согласно ему, при заполнении s, p, d и т.д. уровней их сначала занимают электроны с одинаковой ориентацией спина, и только потом — с противоположной. Так можно построить модели 92 стабильных атомов периодической системы.

Òàê, атом азота имеет 7 электронов; из них по два (в «правым» и «левым» спином) располагаются на уровнях 1s è 2s, а остальные три — на уровне 2p, который может вместить только 6 электронов. По правилу Хунда последние три электрона азота имеют одинаковую ориентацию спина. В волновой модели каждому из p-электронов соответствует волновая функция из двух симметричных «яйцевидных» половинок; три из них могут быть ориентированы вдоль любой из трех осей прямоугольной системы координат, в результате атом выглядит сферически симметричным. Следующий атом — кислород — должен содержать в одном из этих «p-пространств» еще один электрон с противоположно направленным спином. Это можно представить так: две полностью конгруэнтные p-орбитали проникают друг в друга, совершенно не влияя одна на другую.

Понимание устройства атомов еще не позволяет понять физические свойства тел. Ведь применительно к отдельному атому нельзя говорить ни о давлении, ни о температуре, ни о плотности. Все эти качества тел присущи только совокупности свободно двигающихся атомов или молекул — это газы. Поэтому «целое» не является суммой «частей», оно обладает более сложными свойствами.

Молекула — следующая за атомами структурная единица. Она образуется за счет соединения атомов с помощью химической связи. Способность атома образовывать хими- ческие связи называется валентностью. Инертные газы с трудом образуют химические соединения, поскольку имеют устойчивую электронную оболочку. Внешняя оболочка атома, содержащая орбитали самых высоких энергий атома, называется валентной оболочкой. Современные представления о химической связи основаны на теории валентности. Атомы при образовании химической связи при-

ближаются к достижению наиболее устойчивой электронной конфигурации, т.е. имеющей более низкую энергию. При этом атомы могут терять (приобретать) электроны или обобществлять их до достижения такой же конфигурации, как у благородного газа этого же периода, т.е. до значения 2 или 8.

Ионная связь основана на переносе валентных электронов от одного атома к другому и электростатическом притяжении этих образовавшихся ионов. Это — самый распространенный вид связи. Молекула представляется электрическим диполем, а центры ионов в нем расположены на определенном расстоянии друг от друга, называемом длиной связи. Для хлорида калия, например, длина связи равна 1,3 10–10 м. Силы электростатического притяжения могут возникнуть и между нейтральными атомами. Это происходит так: при сближении атомов возникает отталкивание из-за отрицательно заряженных их электронных оболочек. Но при этом смещается центр тяжести отрицательных зарядов относительно положительных, и каждый из атомов индуцирует в другом электрический диполь, что ведет к взаимному притяжению. Это притяжение связывают с действием сил межмолекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса), которые на порядок меньше по величине, но имеют радиус действия, превосходящий размеры молекул.

При ковалентной связи прочное соединение нейтральных атомов достигается за счет более глубокого взаимодействия между ними. Пример: молекула Н2. По квантовой механике прочность такой связи обусловлена обменным резонансом — атомы колеблются с одинаковой собственной частотой, и при связывании их суммарная энергия становится меньше, чем в изолированном состоянии. Электрон 1 притягивается ядром 2, и электрон 2 притягивается ядром 1. Важно, чтобы электроны имели противоположно направленные спины, тогда по принципу Паули они находятся в наинизшем состоянии, и орбиты отдельных атомов сливаются в одну орбиталь, охватывающую пространство обоих атомов водорода. Она имеет почти эллиптическое сечение. Говорят, что происходит «перекрытие» собственных функций обоих электронов. (При ионной связи электрон остается принадлежащим лишь одному из атомов.) Это становится энергетически выгодно, системы удерживаются вместе. В молекулах газов сохраняется вероятность порядка 5% того, что электрон несколько смещен к одному из атомов. Молекулы щелочно-гало- идных соединений имеют небольшой дипольный момент, их центры тяжести расположены на некотором расстоянии. В молекуле воды две однократно занятые p-орбитали атома кислорода частично сливаются с p-орбиталью атома водорода, но из-за электростатического отталкивания между обоими ядрами водорода валентный угол не 900, а 1050. Форма молекул с ковалентными связями определяется формой электронных орбиталей. Большинство органи- ческих соединений существует благодаря ковалентной связи.

Водородная связь слабее ковалентной или ионной связи в 15–20 раз. Она возникает, если атом водорода помещен между двумя электроотрицательными атомами. Водородная связь определяет ассоциацию молекул типа диме-

118

ðîâ âîäû — (Í2Î)2. На слабой водородной связи «дер-	промежуточными типами связей. Более полное представ-
жатся» полимеры, входящие в состав биомолекул, т.е. и	ление о типах связей получают из карт электронных
жизнь.	плотностей, получаемых из расчетов на ЭВМ. Так кван-
Ионная и ковалентная связи — это предельные случаи	товая механика атома объяснила проблемы химической
химических связей. Чаще всего встречаются молекулы с	связи молекул с позиции физики.

11.4. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ АТОМА УГЛЕРОДА И ЕГО РОЛЬ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Примерно из ста химических элементов, встречающихся в земной коре, для жизни необходимы только 16, причем четыре из них — водород (Н), углерод (С), кислород

(О) и азот (N) наиболее распространены в живых организмах и составляют 99% массы живого. Биологическое значение этих элементов связано с их валентностью (1, 2, 3, 4) и способностью образовывать прочные ковалентные связи, которые оказываются прочнее, чем связи, образуемые другими элементами той же валентности. Следующими по важности являются фосфор (Р), сера (S), ионы натрия, магния, хлора, калия и кальция (Na, Mg, Cl, K, Ca). В качестве микроэлементов в живых организмах присутствуют также железо (Fe), кобальт (Co), медь (Cu), цинк (Zn), бор (B), алюминий (Al), кремний (Si), ванадий (V), молибден (Mo), йод (I), марганец (Mn).

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных крупных и сложных молекул, главным элементом которых является углерод. Он важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055%, в то время как кислорода 60,50%, кремния 20,45% и даже титана 0,27%. В атмосфере двуокиси углерода 0,03%, т.е. углерода всего 0,008%. Все биологически функциональные вещества, кроме нескольких солей и воды, содержат углерод. Это белки, æèðû, углеводы, гормоны,

витамины. Число соединений углерода огромно. Они называются органическими соединениями, поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться только в живых организмах.

Соединениями углерода занимается органическая химия — одна из важнейших областей химии. Органика разлагается, горит при не очень высокой температуре, при сгорании в воздухе углерод окисляется до СО2. Громадное большинство органических соединений содержит водород, который тоже окисляется до воды. Чистый углерод встре- чается в природе в виде графита и алмаза. До 1829 г. сторонники витализма считали, что без участия живого нельзя получить органические соединения, только «жизненная сила» способна изготовить уксусную кислоту или спирт. Немецкий химик Ф.Велер доказал ложность этого учения. Велер получил мочевину выпариванием раствора циановокислого аммония NH4NCO — соли, которую можно изготовить из простых веществ, не связанных с жизнедеятельностью организмов. Этот синтез был первым примером искусственного получения органики.

Сегодня синтезированы сложнейшие вещества, которые не созданы и в природе. В технике углерод занимает все большее место: природные и синтетические волокна, природный и синтетический каучук, пластмассы, нефтепродукты, бумага, красители, чугун, медикаменты…

Идею о четырехатомности углерода высказал в 1858 г. шотландский химик А.С.Купер, его поддержал Ф.Кекуле в статье «О строении и превращениях химических

соединений и химической природе углерода». Кекуле исходил из того, что атом углерода всегда связан с че- тырьмя атомами одновалентного элемента или двумя атомами двухвалентного, т.е. сумма единиц сродства элементов, связанных с углеродом, равна четырем. Ясное понимание четырехвалентности углерода определило создание теории строения органических соединений, развитой А.М.Бутлеровым. Он сформулировал определение понятия химического строения как способа связей в молекуле. Бутлеров считал, что химический характер веществ зависит от природы и количества его составных частей и химического строения соединения. С помощью структурной теории развивалась систематика органических соединений. Структурные формулы наглядно отражали связь формулы со свойствами вещества, объяснили изомерию и предсказали свойства неизвестных еще соединений.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соединений. Атомный номер углерода — 6, ядро содержит 6 протонов и 6 нейтронов, вокруг ядра вращаются 6 электронов, масса атома равна 12. При химических реакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать устойчивую оболочку из 8 электронов, т.е. имеет валентность, равную четырем, и способен к прочной ковалентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая формула одного из таких прочных соединений, метана, — СН4, а в структурном изображении — это тетраэдр (четыре симметричные связи углерода).

Çíàÿ валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих водородных атомов, что позволяет сосредоточить внимание на наиболее важных связях и химических группах. Такие прочные ковалентные связи углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С — С связь). Внутреннее отличие органики от большинства неорганических соединений выражается в том, что химические связи, как правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень редки.

Способность углерода образовывать стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнообразие органических соединений, и эти связи могут быть кратными, является уникальным его свойством (рис.14).

Октан — это восемь атомов углерода в окружении водородных, образующих цепочку, в которой атомы лежат не на прямой, а зигзагообразно, свободно вращаясь в местах сочленения. Октан и его изомеры, состоящие из того же числа атомов, но имеющие разветвленную структуру из-за боковых углеводородных групп, входят в состав бензина. Маленькая капелька этой жидкости имеет больше молекул, чем Галактика звезд. Некоторые молекулы свернуты в клубок, некоторые вытянуты в длину, большинство же находится в промежуточном состоянии. «Молекулы октана корчатся и извиваются, скручиваются и раскру-

119

чиваются, так что галлон бензина больше похож на вместилище молекулярных личинок, чем на коробку с короткими палочками». Молекула тринитротолуола симметрична. Ее шесть атомов кислорода готовы к окислению: реакция внутримолекулярного высвобождения энергии происходит мгновенно и начинается от легкого толчка.

Понятие о двойной связи углерода ввел австрийский физик Й.Лошмидт при рассмотрении расположения атомов в пространстве (1861 г.). Для изображения бензола он использовал окружность, в которой наметил шесть точек для расположения атомов водорода. Чередуя одинарные и двойные связи, Кекуле соединил шесть атомов углерода в ячейки, подобные пчелиным сотам, и у каждого из атомов С осталось по одной свободной валентности для каждого из шести атомов водорода. Так, у Кекуле формула С6Í6 превратилась в структурную формулу бензола, его знаменитое «бензольное кольцо», отражающее наглядно четырехвалентность углерода. Свой успех он называл «игрой воображения» и говорил, что картина «бензольного кольца» возникла у него перед глазами во время размышлений перед камином. И на «Празднике бензола» (1890 г.), еще при жизни Кекуле, и на торжествах, посвященных столетию Кекуле в 1929 г., отмечалось не только важное научное, но и промышленное значение установления строения бензола. Без этого невозможно было понять и строение сложных углеводородов, и их соединений, и производных. Правда, структурные формулы Кекуле были двухмерными и не могли отразить такое свойство молекул, как изомерию.

Разница в строении молекул крахмала (источника энергии) и целлюлозы (строительного материала клеток растений) заключается лишь в небольшом изменении конфигурации водородной связи между мономерными звеньями в цепи. Другой пример: отличие в окраске алых маков от синих васильков связано с отличием одного атома из тридцати, составляющих пигмент окраски. Фиолетовый краситель цианидин, которым особенно богата ежевика, входит в состав обоих цветов. Кислый сок васильков богат ионами водорода, способными в определенном месте присоединяться к молекулам цианидина. Насыщенная водородом молекула активно поглощает красные лучи, отражая синие. У маков щелочная среда практически не содержит свободных катионов водорода, краситель оказывается ненасыщенным, поэтому они поглощают синие лучи, отражая красные. Отличие мужских половых гормонов (тестостеронов) от женских (экстрадиолов) состоит в замене атома кислорода молекулой гидроксильной группы (ОН) и убирании метильной группы (СН3) в одном из нескольких колец, состоящих из десятков атомов молекулы холестерина.

Сравнивая оптические свойства винной и виноградной кислот, Пастер (1848 г.) заметил, что кристаллы двойных солей виноградной кислоты вращают плоскость поляризации на одну и ту же величину, но одни — вправо, а

другие — влево. Отсюда он сделал вывод об асимметричном строении кристаллов и о различном пространственном строении образующих их молекул. После установления строения бензола и создания структурной теории на изомерию обратили особое внимание.

Немецкий химик-органик Й.Вислиценус обнаружил существование двух форм молочной кислоты — оптически активной и неактивной. Он попытался объяснить это явление на основе геометрической изомерии и писал (1875 г.), что это связано, вероятно, с неодинаковым пространственным расположением атомов. Асимметрич- ное расположение атома углерода в это же время отметил и Вант-Гофф, расположив четыре валентности углерода в направлении вершин тетраэдра и поместив атом С в центре. В 1888 г. также немецкий химик-органик В.Мейер назвал такое построение «стереохимическим строением» и дал тем самым название новой области химии.

В 1890 г. А.Ганч и швейцарский химик-неорганик А.Вернер распространили такое изображение на азот, посчитав атом азота находящимся в одной из вершин тетраэдра, а его валентные связи направленными к трем другим вершинам. Впоследствии гипотеза Вернера о координационных соединениях металлов была подтверждена результатами рентгеноструктурного анализа. В 1896 г. петербургский академик П.Вальден открыл явление, названное

«обращением» знака оптической активности, — можно изменить направление вращения плоскости поляризации заменой одного из атомов (или радикалов) при тетраэдрическом асимметричном атоме углерода. Так структурная химия перешла от изображения формул на плоскости к их изображению в трехмерном пространстве.

Кратные связи, кроме углерода, могут образовывать фосфор è кислород. Размеры органических молекул определяются углеродным скелетом, а химические свойства — присоединенными к нему элементами и химическими группами, насыщенностью скелета и формой молекул, которая зависит от углов связей. Среди «строительных блоков» — простых органических соединений — крупных молекул можно выделить аминокислоты, из которых синтезированы белки; моносахариды è азотистые основания, синтезирующие нуклеиновые кислоты; жирные кислоты, глицерол è холин, синтезирующие липиды. Таким образом, небольшое число органических молекул дает начало крупным молекулам и структурам живых клеток. Эти немногие виды молекул могли синтезироваться в «первичном бульоне» мирового океана еще до появления жизни на Земле из простых неорганических молекул — диоксида углерода, азота и воды.

Биохимия, или химия живых организмов, которая сначала развивалась как подспорье медицины, со временем выделилась в отдельную область знания. Она является не только фундаментом физиологии, объясняя работу биосистем, но и играет объединяющую роль для всей биологии.

120