Миры, где пять материков, Искусства, знанья, воины, троны И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом - Вселенная, где сто планет;

Taм все, что здесь, в· объме сжатом, Но также то,чего здесь нет.

Их меры малы, нo все та же Их бесконечность, как и здесь; Там скорбь и страсть, как здесь

и даже Там та же мировая спесь.

В. Брюсов.

Мир электрона

В этом параграфе приведены краткие сведения из химии, которые будут полезны для развития представлений о физике процессов в живой природе. Поскольку в основе жизнедеятельности любого живого организма лежат биохимические процессы, напомним физический смысл тех терминов и понятий, которые описывают химические процессы и реакции. Все материальные тела неживой природы состоят из атомов и молекул, что позволяет говорить об общности строения различных видов материи, в том числе молекул веществ, состоящих из одних и тех же химических элементов, атомов и элементарных частиц.

299

12.2.1. Химические понятия и определения

Под атомом понимают электронейтральную квантово-механическую частицу, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, распределенных по оболочкам. Химический элемент — это совокупность определенных видов атомов с одинаковым зарядом ядра. В основе Периодической системы элементов Д.И. Менделеева лежит представление, что свойства химического элемента зависят от заряда атома, и это определяет место элемента в таблице.

В природе атомы в своем индивидуальном виде встречаются достаточно редко, для большинства химических элементов атомы обладают способностью отдавать или присоединять электроны, что обусловлено особенностью строения их электронных оболочек. Если атом имеет незаполненные внешние электронные оболочки, он нестабилен и легче вступает в химические реакции, отдавая или приобретая электроны на свою внешнюю оболочку в зависимости от валентности — способности атома к образованию химической связи. Поэтому реакционная способность элемента, его активность в химических реакциях определяется количеством электронов на внешних оболочках атома.

Вещество, которое состоит из атомов в определенном соотношении и объединенных определенной химической связью, является химическим соединением. Под химической связью понимается определенное взаимодействие атомов через их электроны и приводящее к заданной конфигурации атомов, по которой одни молекулы отличаются от других. Молекула — это наименьшая частичка вещества, обладающая его химическими свойствами. При образовании химических связей электроны переходят от одной молекулы к другой и уже не принадлежат какому-то отдельному атому, а обобщены (гибридизованы); при этом атомы теряют свою индивидуальность и свойства соединений отличаются от свойств составляющих их элементов.

Понятие «молекула» было введено французским химиком П. Гассенди (1592—1655) именно как «соединение атомов». Структура молекулы определяется пространственной и энергетической упорядоченностью квантово-механической системы, образованной электронами и атомными зарядами. Напомним, что поскольку электроны подчиняются законам квантовой механики, то при химических взаимодействиях надо представлять не определенные траектории электронов, соединяющих атомы и молекулы между собой, а некие «электронные облака»,

300

вероятность нахождения которых в пространстве определяется, как нам известно, квадратом модуля волновой функции |ψ|2.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Химические реакции — это превращение одного или нескольких исходных веществ в отличающиеся от них по химическому составу и строению другие вещества. Химические реакции не меняют ни общего числа атомов, ни изотопного состава. Характеристиками химических реакций являются равновесная степень превращения, скорость реакции и глубина протекания. На языке физики все химические реакции — не что иное, как перестройка электронов в атомах электронов, участвующих в реакциях, в то время как ядра атомов в процессе этой реакции остаются незатронутыми.

Молекулы и атомы находятся в непрерывном тепловом движении, сталкиваясь друг с другом. Этот процесс происходит как самопроизвольно, так и под действием температуры, ионизирующих излучений, электрического тока, механических воздействий, катализаторов, и им можно управлять. При соударениях молекул выделяется достаточное количество энергии для разрыва связей, их перестройки, формирования нового набора атомов, изменения их числа, т.е. образования новых соединений. Это и есть физическое понимание химических реакций, которые могут быть обратимыми и необратимыми в зависимости от энергии реакции. Самопроизвольно реакция идет в сторону уменьшения энергии веществ и увеличения энтропии в ходе реакции. Обычно это отмечается стрелкой в химическом уравнении, направленной в сторону более низкой суммарной энергии связи в полном соответствии с принципами термодинамики: реакция идет, если в ходе ее свободная энергия системы уменьшается. Если реакция обратима, то стрелки направлены в обе стороны:

А + ВAB.

Зная энтропии веществ, участвующих в реакции, можно определить условия, при которых возможно ее протекание. Если реакция сопровождается выделением тепла, ее называют экзотермической, если с поглощением, то — эндотермической. В зависимости от характера химической связи и энергии реакции наиболее зависимыми от условий протекания реакции являются соединения переменного состава, в которых связи между элементами ослаблены. На направление химических процессов влияет термодинамика, а скорость их протекания определяется кинетикой процесса. Физически же причина и ход всех химиче-

301

ских реакций объясняются двумя условиями: возрастанием энтропии в ходе самопроизвольной реакции и стремлением к уменьшению свободной энергии.

Представления о химических связях и реакциях тесно связаны с понятиями о

химической системе и химическом процессе. Химические системы могут быть равновесными и неравновесными. В равновесных системах идут обратимые химические реакции, а в неравновесных протекают необратимые процессы, как правило, цепные и разветвленные реакции. В этих реакциях возникают флуктуации, неустойчивости и развитие процессов подчиняется законам нелинейной динамики.

Химический процесс представляет собой последовательную смену состояний химической системы, в ходе которой образуется новое химическое вещество. Взаимодействие электронов и молекул приводит к изменению состава или структуры нового вещества. Важную роль здесь играет энергетика: стабильность соединения и возможность его перестройки и участия в химическом процессе будет зависеть от устойчивости электронных оболочек его атомов. Менее устойчивое соединение обладает большей свободной энергией, стабильное (упорядоченное, более организованное) — меньшей. Чтобы заставить вступить в реакцию разные соединения, надо сообщить устойчивому соединению дополнительную энергию, которую шведский химик С. Аррениус (1859—1927) назвал энергией активации Eaкт. Она определяет скорость протекания реакции К:

где R — молярная газовая постоянная, Τ — термодинамическая температура, K0 — скорость реакции при Τ = 0 К. Это выражение близко по форме и физическому смыслу распределению Л. Больцмана, хорошо описывающего хаотический характер взаимодействия участвующих в реакции частиц вещества.

Чтобы снизить порог начала реакции, обычно требуется уменьшить энергию активации, например путем катализа. Катализ — это процесс изменения скорости реакции под действием или при участии особых веществ — катализаторов, которые участвуют в реакции, но не входят в состав ее конечных продуктов. Катализаторы не сдвигают равновесий в химической системе: они ускоряют и прямую, и обратную реакции. Закономерности катализа были открыты русским химиком К. Кирхгофом

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

(1764—1833). Су-

302

ществуют также вещества, замедляющие процесс реакции, они называются ингибиторами. В биологии ингибиторами являются молекулы, которые, связываясь с биокатализаторами — ферментами, блокируют какую-то стадию ферментативной, т.е. ускоряющейся, реакции.

Внастоящее время технология получения до 80% различных химических веществ основана на каталитических процессах. Каталитическими являются и многие биохимические процессы в живой клетке, в которой роль катализаторов играют ферменты. Например, природным биокатализатором является хлорофилл, представляющий собой комплексное металлоорганическое соединение в живой ткани зеленых листов растений. Ферменты — белковые катализаторы — дают возможность быстро осуществлять химические реакции при низких температурах живого организма. Несмотря на то что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они отличаются от них тем, что функционируют в рамках живых систем. Катализаторы были известны давно, их широко использовали в древности, применяют и в настоящее время в виноделии, хлебопечении,. сыроварении, выделке кожи в других технологических химических процессах.

Роль катализатора может играть не только конкретное химическое вещество, но и сам химический процесс. Достаточно давно известны автокаталитические химические реакции, в которых конечный продукт ускоряет процесс, т.е. он сам становится катализатором. Они имеют большое значение для живых организмов, так как биохимические процессы в них носят преимущественно автокаталитический характер. Рассмотренная ранее реакция Белоусова—Жаботинского также является автокаталитической. Таким образом, понимание существа химических процессов и самих свойств соединений основано на представлениях о строении атомов и молекул, их квантово-механическом взаимодействии при химических превращениях.

Вхимических превращениях помимо атомов и молекул участвуют также кинетически независимые частицы, которые получили название свободных радикалов. Они имеют неспаренные электроны, их обозначают точкой сверху над символом элемента, например, Н. Они получаются из обычных молекул при отрыве от них отдельных атомов или даже групп атомов и содержат атомы элементов в ненасыщенном состоянии. Насыщаемость есть характеристика валентности связи, и она определяет

303

способность атомов вступать в химическую реакцию за счет оборванных химических связей, «свободных» мест для присоединения других электронов и образования новой связи. Этим объясняется сильная химическая активность свободных радикалов.

Радикалы участвуют в промежуточных стадиях реакции, и при этом энергия активации каждой последующей стадии реакции может понижаться. Если при этом промежуточные продукты реакции содержат ненасыщенные валентности, то это понижение особенно заметно. Примером реакции через промежуточные стадии служит образование хлористого водорода:

Первая ненасыщенная связь образуется при внешнем воздействии. Например, при поглощении света происходит расщепление молекулы хлора на два атома и отрыв электронов от молекулы. Затем реакция за счет появления свободных радикалов идет самопроизвольно, очень быстро и эффективно: один фотон способен образовать около 100 тысяч молекул хлористого водорода. Каждый раз согласно схеме приведенной реакции вместо ненасыщенной валентности одного атома (Н) возникает свободный

радикал другого (С1), и этот процесс идет поочередно.

Это так называемая цепная реакция, которая может происходить не только в виде рассмотренной выше фотохимической реакции. В работах известного российского ученого, Нобелевского лауреата по химии за 1956 г. H.H. Семенова (1896 — 1986) и его научной школы были развиты представления о разветвленных цепных реакциях, которые выходят за рамки чисто химических процессов. Эти реакции могут быть использованы в других моделях живой природы, социуме, технологиях (например, для описания реакций деления ядер урана) и лежат в основе ядерных технологий. На рис. 12.1 показано изменение свободной энергии при образовании химических связей в биоорганических молекулах живых организмов.

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

К особым видам химических соединений относятся также и макромолекулы. Они могут состоять из большого числа атомов, до нескольких тысяч, и обладают в отличие от обычной молекулы качественно новыми свойствами, как это имеет место в соотношении целого и его частей. Органическими молекулами являются те, которые содержат углерод, образованные из него веще-

304

ства также относят к органическим. Их насчитывается более 1700 тысяч. Одним из химических процессов органической химии является полимеризация — синтез макромолекул полимеров. Для образования каждой новой химической связи, а следова-

Рис. 12.1. Схема изменения свободной энергии и химической связи в молекулах живых организмов.

305

тельно, и полимера, требуется энергия (8—12 Дж/моль), так как все биологические

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.