Том 1 (1129743), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Это огромное число 6·1023, названноечислом Авогадро, представляет собой ключевой коэффициент масштабирования,описывающий соотношения между количествами, измеряемыми вошедшими в повседневный быт величинами, и количествами, выражаемыми в мерах отдельныхатомов или молекул. Если некоторое вещество имеет молекулярную массу X, этозначит, что 6·1023 молекул этого вещества имеют массу X граммов. Это количествоназывают одним молем вещества (рис. 2.2).Известно 89 природных элементов, каждый из которых отличается от всехостальных числом протонов и электронов в атомах.
Живые организмы, однако, построены лишь из небольшой выборки этой совокупности элементов, причам четыреиз них: углерод (C), водород (H), азот (N)и кислород (O) — составляют 96,5 % массыорганизма. Такой состав живых организмовразительно отличается от неживой неорганической окружающей среды (рис. 2.3), иэто служит свидетельством отличительногохарактера химии жизни.2.1.2. Характер взаимодействияатомов определяют электронывнешней оболочкиЧтобы понять, как атомы соединяются друг с другом с образованием молекул,из которых, в свою очередь, состоят живые организмы, мы сосредоточим вниманиена электронах. Протоны и нейтроны прочносвязаны друг с другом в ядре и меняют партнеров только в экстремальных условиях,например: в процессе радиоактивного распада, или в недрах солнца, или же во чре-Рис.
2.2. Моль и молярные растворы1 Моль — это количество вещества, содержащее 6,022∙1023 структурных единиц (атомов, молекул, ионов, радикалов) данного вещества. Число 6,022∙1023 называется числом Авогадро. Молярнаямасса численно равна относительной молекулярной массе и измеряется в граммах на моль (г/моль).— Прим. ред.2 Молярная концентрация — количество вещества (в молях), содержащееся в 1 л раствора. В одномолярном растворе (1 М) содержится 180 г глюкозы в литре раствора, тогда как в одномиллимолярном(1 мМ) — 180 мг/л. — Прим.
ред.104Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 2.3. Распространенностьнекоторых химических элементов в неживой природе(земная кора) в сравнениис их относительным содержанием в тканях человека. Относительное содержание каждого элемента выражено какпроцент от общего числа атомов вещества, включая воду.Таким образом, из-за обилияводы более чем 60 % атомовв живом организме — атомыводорода. Относительное содержание элементов схожедля всех живых существ.ве ядерного реактора.В живых тканях перегруппировкам подвергаются только электроныатомов.
Они формируютоболочку атома и определяют химические закономерности, согласнокоторым атомы объединяются с образованиеммолекул.Электроны находятся в непрерывномдвижении вокруг ядра,но движения в таком субмикроскопическом масштабе повинуются совершенноиным законам, сильно отличающимся от известных в повседневной жизни. Согласно этим законам, электроны в атоме могут находиться лишь в определенныхдискретных состояниях, названных орбиталями, а числу электронов, которыемогут быть размещены на орбитали данного типа — так называемой электроннойоболочке, — положен строгий предел. Электроны, находящиеся наиболее близко кположительному ядру, притягиваются к нему наиболее сильно и занимают самуювнутреннюю, наиболее сильно связанную с ядром оболочку.
На этой оболочкенаходится максимум два электрона. Вторая оболочка более отдалена отядра, и ееэлектроны связаны слабее. Эта вторая оболочка удерживает до восьми электронов. Третья оболочка содержит электроны, которые связаны еще слабее; она такжесодержит до восьми электронов. Четвертая и пятая оболочки могут содержатьпо 18 электронов каждая. Атомы, окруженные более чем четырьмя оболочками,встречаются в биологических молекулах крайне редко.Самое устойчивое положение в атоме занимают те электроны, которые находятся в состоянии максимальной связи с ядром, то есть когда они занимают самыеблизкие к ядру оболочки. Поэтому в случае больших атомов электроны заполняютГлава 2.
Химия клетки и биосинтез 105орбитали по порядку: первую оболочку перед второй, вторую перед третьей и такдалее. Атом, внешняя оболочка которого полностью заполнена электронами, особенно устойчив и поэтому химически инертен. Например, гелий с 2 электронами,неон с 2 + 8 электронами и аргон с 2 + 8 + 8 электронами — это инертные газы.Водород, напротив, имеет лишь один электрон и только наполовину заполненнуюоболочку, поэтому представляет собой весьма реакционноспособный атом.
Аналогично другие атомы, встречающиеся в живых тканях, имеют незаполненныевнешние электронные оболочки и могут отдавать, принимать или обобществлятьэлектроны при взаимодействии друг с другом и образовывать в результате этоговзаимодействия как молекулы, так и ионы (рис. 2.4).Поскольку незаполненная электронная оболочка менее устойчива, чем заполненная, атомы с неполными внешними оболочками стремятся к взаимодействиюс другими атомами, чтобы приобрести или потерять столько электронов, сколькотребуется для достижения полного заполнения внешней оболочки. Такой обменэлектронами происходит либо путем передачи электронов от одного атома другому, либо посредством обобществления электронов двух атомов. Эти два способаобусловливают два типа химических связей между атомами: ионная связь образуется, когда один атом отдает электроны другому, тогда как ковалентная связьРис.
2.4. Завершенные и незавершенные электронные оболочки некоторых распространенных элементов. Все элементы, распространенные в живых организмах, имеют незаполненные внешние оболочки(красные) и могут, таким образом, участвовать в химических реакциях с другими атомами. Сравненияради показаны некоторые элементы, электронные оболочки которых полностью заполнены (выделеныжелтым); они являются химически инертными.106Часть 1. Введение в мир клеткиобразуется, когда два атома обобществляют пару электронов (рис. 2.5).
Часто такаяпара электронов распределена неравнозначно, если частично переданные электроны находятся между двумя атомами, которые притягивают их по-разному — одиниз них более электроотрицателен, нежели другой; в результате такого способавзамодействия — промежуточного между полярным и ковалентным — образуетсяполярная ковалентная связь, которую мы обсудим позже.Атом водорода, которому недостает лишь одного электрона для заполнениясвоей электронной оболочки, обычно заимствует его путем обобществления электронов, образуя одну ковалентную связь с другим атомом; часто эта связь полярная,что означает неравномерное распределение электронов.
Другие распространенныев живых клетках элементы: C, N и O с незавершенной второй оболочкой, а такжеP и S с не до конца заполненной третьей оболочкой (см. рис. 2.4), — как правило,обобществляют электроны, образуя несколько ковалентных связей, и достигаютзаполнения внешней оболочки до восьми электронов. Число электронов, которыеатом должен получить или отдать (путем обобществления либо передачи), чтобызаполнить свою внешнюю оболочку, называют его валентностью.Определяющая роль внешней электронной оболочки в проявлении элементомтех или иных химических свойств означает следующее: если элементы разместитьв порядке возрастания их атомного номера, то мы заметим периодическое повторениеэлементов с подобными свойствами.
Так, элемент, скажем, с незавершенной второйоболочкой с одним электроном будет вести себя почти так же, как элемент, у которого заполнена вторая оболочка, а на незавершенной третьей — один электрон.У металлов, например, на незавершенных внешних оболочках только один илиРис. 2.5. Сравнение ковалентной и ионной связей.
Атомы могут достигнуть более устойчивого расположения электронов в своей внешней оболочке за счет взаимодействия друг с другом. Ионная связьобразуется, когда электроны передаются от одного атома другому. Ковалентная связь образуется, когдаэлектроны обобществляются атомами. На рисунке представлены два крайних случая; часто ковалентныесвязи образуются с частичной передачей (неравномерным обобществлением) электронов, что дает полярную ковалентную связь (см. рис.
2.43).Глава 2. Химия клетки и биосинтез 107несколько электронов, тогда как инертные газы, как мы только что видели, имеютзаполненные внешние оболочки. Эта закономерность лежит в основе знаменитойпериодической системы элементов, представленной на рис. 2.6, при этом элементы,входящие в состав живых организмов, выделены цветом.Рис. 2.6. Элементы, упорядоченные согласно своему атомному номеру, составляют периодическуютаблицу Менделеева. Элементы, которые проявляют подобные свойства, распределены по группамна основании числа электронов во внешней оболочке. Например, Mg и Ca стремятся отдать два электронасо своих внешних оболочек; C, N и O завершают (заполняют до конца) свои вторые электронные оболочки за счет обобществления электронов. Четыре элемента, выделенные красным, составляют 99 %общего числа атомов элементов, имеющихся в теле человека.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
