Все вещества состоят из крошечных частиц — атомов. Атомы соединяются в молекулы, крупнейшие из которых имеют сложное строение, состоящее из тысяч атомов.
О том, что все сущее состоит из частиц, знали еще древние греки. Около 420 г. до н. э. философ Демокрит поддержал гипотезу, что материя состоит из крошечных, неделимых частиц. По-гречески atomos означает «неделимый», поэтому эти частицы назвали атомами.
Другие философы придерживались иной точки зрения, и в IV веке до н. э. Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий — земли, воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в основу алхимии — примитивной формы химии, господствовавшей в науке до XVII века.
Одной из главных задач алхимии было создание «эликсира жизни» — снадобья, которое позволило бы человеку жить вечно. Другая заключалась в создании богатств путем превращения обычных металлов в золото. Многие алхимики утверждали, что решили эти задачи, однако никто из них так и не добился реального успеха.
Переворот в науке
Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя состоит из атомов, но только в начале XIX века были получены экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию. Английский химик и писатель Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые осознал их значение. Он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, и что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в определенной неизменной пропорции. Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в неизменной массовой пропорции, а также явилась основой для детального изучения материи. Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластины — электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.
В 1890-х годах английский физик Дж. Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) — не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Однако различные опыты по изучению строения атома доказали, что это — безусловно ошибочная теория.
Строение атома
В 1911 году Эрнест Резерфорд, британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны.
Однако Резерфорд не осознавал, что обычно в ядре атома находятся как положительно заряженные, так и нейтральные частицы. Существование положительно заряженных частиц было признано в 1920 г., и они получили название протоны. В 1932 г. английский физик Джеймс Чэдвик открыл незаряженные частицы и назвал их нейтронами. В результате картина строения атома была завершена и с тех пор является основой нашего понимания материи.
Элементы
Любое вещество, в котором все атомы имеют одинаковое количество протонов, называется элементом. Число протонов в каждом атоме — атомный номер элемента. Существуют 92 природных элемента, их атомы имеют от 1 до 92 протонов. Кроме того, некоторые другие элементы с еще большим числом протонов в атоме можно получить с помощью устройства под названием ускоритель элементарных частиц. К природным элементам относятся железо, ртуть и водород.
| Профессиональная химчистка диванов в Москве |
Во многих веществах атомы объединяются в группы, называемые молекулами. Так, газ водород состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода. Часто, однако, молекулы вещества состоят из атомов более одного элемента. Такие вещества называются соединениями. Например, вода является соединением, где каждая молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Во многих молекулах насчитывается гораздо большее количество атомов. Некоторые белковые молекулы представляют собой сложные соединения из нескольких тысяч атомов. Некоторые природные элементы встречаются только в соединениях. Так, натрий — это металл, настолько легко соединяющийся с другими веществами, что его нельзя обнаружить в чистом виде. Он широко известен в сочетании с хлором в виде хлорида натрия — поваренной соли.
Связи
Атомы в молекулах связываются различными путями, при этом они разделяют между собой электроны или обмениваются ими. Двумя простыми видами химической связи являются ковалентная и ионная.
Ковалентная связь возникает, когда атомы имеют общие электроны. Так, молекула водородного газа состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью. Единственный электрон каждого атома водорода вращается вокруг ядер обоих атомов, связывая их воедино.
В случае ионной связи один атом передает электроны другому атому. В результате возникает электрическая сила, связывающая атомы воедино. Как правило, количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в атоме одинаково. Их положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга, и поэтому атом не имеет общего заряда. Однако в атоме, отдающем электроны, создается избыток положительного заряда, а атом, получающий электроны, приобретает общий отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Ионы противоположных зарядов притягиваются друг к другу, и именно это электрическое притяжение удерживает атомы вместе при ионной связи. Например, молекула поваренной соли формируется с помощью ионной связи, когда атом натрия передает электрон атому хлора.
Все атомы одного вещества имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. Так, в углероде ядро большинства атомов содержит шесть нейтронов, но примерно в каждом сотом из них имеется семь нейтронов. Эти различные типы атомов одного и того же элемента называются изотопами. Все изотопы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами — все они соединяются с другими веществами и образуют одни и те же химические соединения. Но отдельные физические свойства изотопов различаются — например, они имеют разные точки замерзания или кипения.
Говоря о конкретном изотопе того или иного элемента, ученые называют его массовое число. Например, углерод-12 — это обычный природный изотоп углерода. Его атом содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Более редкий природный изотоп, в ядре каждого атома которого находится лишний нейтрон, называется углерод-13.
Атомный вес
Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая более чем в 1800 раз превышает массу электрона. Поэтому когда речь идет о массе атома, как правило, не будет ошибкой ссылаться на его массовое число.
Атомный вес элемента, или его относительная атомная масса, обычно представляет собой среднюю массу смеси изотопов, встречающихся в природе. Молекулярный вес вещества, или его относительная молекулярная масса, — это сумма атомных весов всех атомов в одной молекуле данного вещества.
Многосложный атом
С тех пор экспериментировавшие с ускорителями ученые открыли сотни других видов частиц в атомах. Но, к счастью, простая модель атома достаточна для того, чтобы объяснить большую часть свойств материи.
www.ronl.ru
Все вещества состоят из крошечных частиц — атомов. Атомы соединяются в молекулы, крупнейшие из которых имеют сложное строение, состоящее из тысяч атомов.
О том, что все сущее состоит из частиц, знали еще древние греки. Около 420 г. до н. э. философ Демокрит поддержал гипотезу, что материя состоит из крошечных, неделимых частиц. По-гречески atomos означает «неделимый», поэтому эти частицы назвали атомами.
Другие философы придерживались иной точки зрения, и в IV веке до н. э. Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий — земли, воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в основу алхимии — примитивной формы химии, господствовавшей в науке до XVII века.
Одной из главных задач алхимии было создание «эликсира жизни» — снадобья, которое позволило бы человеку жить вечно. Другая заключалась в создании богатств путем превращения обычных металлов в золото. Многие алхимики утверждали, что решили эти задачи, однако никто из них так и не добился реального успеха.
Переворот в науке
Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя состоит из атомов, но только в начале XIX века были получены экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию. Английский химик и писатель Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые осознал их значение. Он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, и что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в определенной неизменной пропорции. Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в неизменной массовой пропорции, а также явилась основой для детального изучения материи. Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластины — электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.
В 1890-х годах английский физик Дж. Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) — не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Однако различные опыты по изучению строения атома доказали, что это — безусловно ошибочная теория.
Строение атома
В 1911 году Эрнест Резерфорд, британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны.
Однако Резерфорд не осознавал, что обычно в ядре атома находятся как положительно заряженные, так и нейтральные частицы. Существование положительно заряженных частиц было признано в 1920 г., и они получили название протоны. В 1932 г. английский физик Джеймс Чэдвик открыл незаряженные частицы и назвал их нейтронами. В результате картина строения атома была завершена и с тех пор является основой нашего понимания материи.
Элементы
Любое вещество, в котором все атомы имеют одинаковое количество протонов, называется элементом. Число протонов в каждом атоме — атомный номер элемента. Существуют 92 природных элемента, их атомы имеют от 1 до 92 протонов. Кроме того, некоторые другие элементы с еще большим числом протонов в атоме можно получить с помощью устройства под названием ускоритель элементарных частиц. К природным элементам относятся железо, ртуть и водород.
| Профессиональная химчистка диванов в Москве |
Во многих веществах атомы объединяются в группы, называемые молекулами. Так, газ водород состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода. Часто, однако, молекулы вещества состоят из атомов более одного элемента. Такие вещества называются соединениями. Например, вода является соединением, где каждая молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Во многих молекулах насчитывается гораздо большее количество атомов. Некоторые белковые молекулы представляют собой сложные соединения из нескольких тысяч атомов. Некоторые природные элементы встречаются только в соединениях. Так, натрий — это металл, настолько легко соединяющийся с другими веществами, что его нельзя обнаружить в чистом виде. Он широко известен в сочетании с хлором в виде хлорида натрия — поваренной соли.
Связи
Атомы в молекулах связываются различными путями, при этом они разделяют между собой электроны или обмениваются ими. Двумя простыми видами химической связи являются ковалентная и ионная.
Ковалентная связь возникает, когда атомы имеют общие электроны. Так, молекула водородного газа состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью. Единственный электрон каждого атома водорода вращается вокруг ядер обоих атомов, связывая их воедино.
В случае ионной связи один атом передает электроны другому атому. В результате возникает электрическая сила, связывающая атомы воедино. Как правило, количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в атоме одинаково. Их положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга, и поэтому атом не имеет общего заряда. Однако в атоме, отдающем электроны, создается избыток положительного заряда, а атом, получающий электроны, приобретает общий отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Ионы противоположных зарядов притягиваются друг к другу, и именно это электрическое притяжение удерживает атомы вместе при ионной связи. Например, молекула поваренной соли формируется с помощью ионной связи, когда атом натрия передает электрон атому хлора.
Все атомы одного вещества имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. Так, в углероде ядро большинства атомов содержит шесть нейтронов, но примерно в каждом сотом из них имеется семь нейтронов. Эти различные типы атомов одного и того же элемента называются изотопами. Все изотопы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами — все они соединяются с другими веществами и образуют одни и те же химические соединения. Но отдельные физические свойства изотопов различаются — например, они имеют разные точки замерзания или кипения.
Говоря о конкретном изотопе того или иного элемента, ученые называют его массовое число. Например, углерод-12 — это обычный природный изотоп углерода. Его атом содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Более редкий природный изотоп, в ядре каждого атома которого находится лишний нейтрон, называется углерод-13.
Атомный вес
Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая более чем в 1800 раз превышает массу электрона. Поэтому когда речь идет о массе атома, как правило, не будет ошибкой ссылаться на его массовое число.
Атомный вес элемента, или его относительная атомная масса, обычно представляет собой среднюю массу смеси изотопов, встречающихся в природе. Молекулярный вес вещества, или его относительная молекулярная масса, — это сумма атомных весов всех атомов в одной молекуле данного вещества.
Многосложный атом
С тех пор экспериментировавшие с ускорителями ученые открыли сотни других видов частиц в атомах. Но, к счастью, простая модель атома достаточна для того, чтобы объяснить большую часть свойств материи.
www.ronl.ru
Спин. Принцип запрета Паули.
Строениеи свойства атома могут быть объяснены, исходя их обсуждавшихся первопринциповквантовой механики, дополненных еще двумя утверждениями:
1.Помимо трех “классических” степеней свободы, связанных с описанием положениячастицы в пространстве (имеется в виду нерелятивистское описание), электронобладает дополнительной “внутренней” степенью свободы, называемой спином.Соответствующая спину четвертая координата может принимать только двадискретных значения, которые удобно считать равными +1/2 и -1/2 (вполнедопустимы и другие терминологии для обозначения двух базисных состояний: “спинвверх” и “спин вниз”, “вращение вправо” и “вращение влево”, /> и />, т.д.).
2.Для электронов строго выполняется принцип запрета Паули, согласно которомуневозможно существование двух электронов в одинаковых квантовомеханическихсостояниях.
Вдальнейшем будет обсуждаться вопрос о глубокой внутренней связи между этимидвумя утверждениями.
Атом водорода. Вырождение энергетических уровней.
Наличиеу нерелятивистского электрона четырех степеней свободы требует задания егосостояния при помощи четырех параметров. Для описания положения электрона впространстве удобно использовать полярную систему координат с началом отсчета,совмещенным с ядром атома (рис. 21_1). Соответствующие базисные состоянияудобно обозначать как />. Сохраняющиеся во временисостояния, получаемые в результате решения стационарного уравнения Шредингера,соответствуют определенным значениям энергии, момента импульса, проекциимомента на ось z и одному из двух возможных значений спиновой переменной: />. Принимающиедискретный набор значений параметры, характеризующих стационарное состояние,называются квантовыми числами. Главное квантовое число n определяет энергиюэлектрона в стационарном состоянии:
(1)/> .
(Ry=13.6 эВ — “постоянная Ритберга”). Азимутальное квантовое число l определяетвеличину момента импульса, обусловленного орбитальным движением электрона:
(2)/>
Магнитноеквантовое число m определяет пространственную ориентацию момента импульса(точнее величину его проекции на произвольно заданное направление впространстве; проекции на другие направления в стационарном состоянии неопределены):
(3)/> .
Всоответствии с общими правилами квантовой механики вероятность обнаружения ввыбранной точке пространства электрона, находящегося в стационарном состояниидается квадратом модуля шредингеровской волновой функции. Математическиесвойства уравнения Шредингера для рассматриваемой системы позволяют представитьволновую функцию как произведение двух, зависящих только от расстояния и толькоот углов соответственно.
(4)/>
Каквидно, существуют наборы различающихся друг от друга состояний, обладающиходинаковой энергией. Соответствующие им энергетические уровни называютсявырожденными. В квантовой механике показывается, что вырождение уровнейявляется следствием наличия у системы симметрии. Уровни атома водорода сильновырождены из-за высокой симметрии электрического поля, создаваемого практическиточечным ядром.
Проблемаописания многоэлектронных атомов. Стационарная теория возмущений. Задачаописания квантовомеханических систем, содержащих несколько микрообъектов до сихпор не решена в общем виде. Реальные расчеты проводятся по методупоследовательных приближений, в рамках которого осуществляется поэтапный учетимеющихся в атоме взаимодействий по мере убывания их интенсивности.Приближенное решение, полученное на определенным этапе является основой дляпоследующего уточнения вида оператора Гамильтона и соответствующих емусобственных волновых функций. Математическая реализация описанной процедуры вквантовой механике получила название теории возмущений.
Внастоящее время интенсивное развитие вычислительной техники сделало возможнымдругого, более точного метода численных расчетов многоэлектронных атомов,основанного на использовании экстремальных принципов квантовой механики — метода Хартри и Фока. Для сложных атомов осуществление такого подхода требуетиспользования практически предельных возможностей современной вычислительнойтехники.
Нулевоеприближение теории возмущений: Периодическая Система Элементов. В рамкахнулевого (самого грубого) приближения теории возмущений учитывается тольковзаимодействие электронов с ядром и запрет на их эквивалентные состояния,налагаемый принципом Паули. При этом разрешенные для электронов состоянияводородоподобны.
Числоэлектронов в нейтральном атоме, разумеется, должно равняться порядковому номеруэлемента, определяемому зарядом ядра. Заполнение “вакантных” мест наэнергетических уровнях электронами “регламентируется” стремлением атома (как илюбой другой системы) к минимуму энергии и запретом Паули, допускающимнахождение не более одного электрона в каждом из состояний />. С учетом соотношениймежду квантовыми числами легко получить, что на всех состояниях уровня с n=1может находиться 2 s-электрона, на n=2 — 8 электронов (2 в s-состоянии и 6p-электронов), группа состояний с n=3 помимо s и p имеют d-оболочку, суммарноечисло электронов оказывается равным 18). Находящиеся на верхнем энергетическомуровне электроны наименее сильно связаны с ядром и легче откликаются на внешниевоздействия (например, при передаче энергии к атому эти электроны легчевозбуждаются, переходя на более высокие свободные энергетические уровни).Именно эти валентные электроны способны участвовать в обменных взаимодействиях,подобных приводящему к образованию молекулярного иона водорода. Поскольку числовалентных электронов на верхнем уровне по мере увеличения заряда ядрапериодически изменяется от 1 до максимального значения, химические свойстваэлементов так же обнаруживают периодические изменения.
Хорошоизвестно, что указанная закономерность, носящая фундаментальный характер дляхимии была впервые замечена Д.И.Менделеевым задолго до создания квантовоймеханики. Найденный им имперический закон позволил предсказать свойства ряданеизвестных в то время элементов, все из которых впоследствии были обнаружены.Квантовомеханическая теория сделала Периодический закон простым математическимследствием уравнения Шредингера, записываемого в весьма грубом приближении,вскрыв смысл составляющих таблицу периодов и групп. Принадлежность элемента ктому или иному периоду определяется главным квантовым числом его заполняемоговерхнего уровня. Определяющий максимальную валентность номер группы задаетсячислом электронов на верхнем уровне. Количество элементов в периоде равняетсякратности вырождения соответствующего энергетического уровня. С другой стороны,объяснение Периодического Закона было большим успехом квантовой механики,существенно упрочнившей позиции этой “странной теории”, сделавшей нашесовременное миропонимание таким, как оно есть.
Первоеприближение: термы. В рамках первой поправки к результатам расчетовмногоэлектронных атомов учитывается электростатическое отталкивание электронови специфическое влияние принципа Паули, запрещающее двум электронам водинаковых спиновых состояниях находиться в близких точках пространства. Первыйэффект приводит к появлению зависимости энергии уровней от азимутальныхквантовых чисел ( несферическое распределение электронной плотности впространстве ухудшает симметрию создаваемого ядром поля и частично снимаетвырождение энергетических уровней ). Второй эффект обуславливает зависимостьэнергии уровня от взаимного направления спинов электронов внешнихэнергетических оболочек. Возникающие в рамках этого приближения стационарныесостояния получили название термов. Приводящее к возникновению термовприближение необходимо учитывать при интерпритации спектров излучения ипоглощения света атомами и при анализе тонких химических эффектов, например,связанных с явлением направленной валентности.
Второеприближение: тонкая структура термов. Детальный анализ спектральных линийпоказал, что в ряде случаев они оказываются двойными (“дуплеты”), тройными(“триплеты”) и т.д. Это наводило на мысль о энергетическом расщеплениинекоторых термов на ряд близко расположенных компонент. Причиной появлениятакой тонкой структуры являются дополнительные и весьма слабые взаимодействияобусловленных спином магнитных полей электронов с движущимся относительно нихядром (“спин-орбитальное взаимодействие”), с другими движущимися электронами(“взаимодействие спин — чужая орбита”) и со спиновыми магнитными полями другихэлектронов (“спин-спиновое взаимодействие”) и специфические релятивистскиеэффекты (например, зависимость массы электрона от скорости). Результаты расчетов(носящих главным образом теоретический интерес и являющихся своеобразным тестомнашего понимания строения атома) полностью совпадают с даннымиспектроскопических измерений.
Следующееприближение: сверх-тонкая структура. Весьма трудоемкие спектроскопическиеисследования с использованием интерференционной техники высокого разрешенияпоказывают наличие слабого расщепление компонент тонкой в подуровнисверх-тонкой структуры. Причиной ее появления является взаимодействие оченьслабого магнитного поля атомного ядра (обусловленного движением в немзаряженных протонов и наличием спина у всех нуклонов) с движущимисяэлектронами, а так же движение ядра и конечность его размеров. Исследованиесверх-тонкой структуры спектральных линий позволяет относительно дешево получитьэкспериментальную информацию о стуктуре атомного ядра и протекающих в немпроцессах (описанный метод является своеобразным нарушением принциповклассической оптики, ограничивающих возможность получения оптической информацииоб объектах, размеры которых существенно меньше длины волны).
Впростейшем случае атома водорода сверх-тонкая структура уровней может бытьрассчитана в рамках квантовой механики абсолютно точно. Вызванноеперечисленными эффектами сверх-тонкое расщепление нижнего энергетического уровняводорода имеет величину, соответствующую длине волны радиоизлучения в 21 см.Именно это значение было использовано в качестве масштаба расстояний вкосмическом послании к инопланетным цивилизациям, помещенном на межпланетнуюкосмическую станцию Пионер.
Ещеболее тонкие исследования спектра атома водорода показали наличие у негонебольшого сдвигя вниз уровней, соответствующих s-состояниям, который неукладывается в рамки “классической квантовой механики” (так называемыйЛэмбовский сдвиг). По современным представлениям он мжет быть объяснен лишь врамках следующей за квантовой механикой более общей теории — квантовойэлектродинамики.
Излучениеи поглощение света атомами. Переходы между стационарными состояниями атомавозможны при наличии внешнего воздействия, зависящего от времени. Таковым можетбыть изменяющееся электромагнитное поле световой волны. Вынужденные илииндуцированные переходы могут происходить как с излучением, так и с поглощениемэнергии (обычно в виде одного фотона). Вероятность таких переходовпропорциональна интенсивности электромагнитного излучения на частоте,совпадающей с энергией перехода. В случае отсутствия внешнего электромагнитногополя переходы между стационарными состояниями атомов в рамках квантовой теорииневозможны, поскольку нет возмущения, их вызывающих. Однако, опыт показывает,что в описанной ситуации возможны спонтанные переходы на нижние энергетическиеуровни с излучением света В классическую квантовую теорию возможность такихпереходов приходится вводить как дополнительный принцип, а их вероятностьопределять, исходя из вероятности вынужденных переходов и требованиявозможности термодинамического равновесия атомов с полем.
Аппаратквантовой механики позволяет рассчитать вероятность вызванных воздействием наатом внешним электромагнитным полем индуцированных переходов, сопровождающихсяизлучением и поглощением света. Соответствующий математический аппарат носитназвание нестационарной теории возмущений и учитывает влияние внешнего поля врамках осуждавшегося метода последовательных приближений. Обычно расчетыведутся в первом приближении, дающем выражение для вероятности перехода вединицу времени, зависящее от специфики исходного и конечного уровней и типаизлучаемого фотона:
(5)/>
(наличиедельта функции является математическим выражением выполнения закона сохраненияэнергии при излучении и поглощении фотонов).
Вслучаях, когда вероятность переходов в первом приближении по каким-тосоображениям (чаще всего вследствие законов сохранения) оказывается малой(“переход оптически запрещен”)
приходитсяучитывать следующих приближения. Так во втором порядке теории возмущенийвероятность перехода зависит не только от характеристик начального и конечногоуровня перехода, но и от всех остальных стационарных состояний:
(6)/>
Вбольшинстве случаев в сумме ославляется небольшое число слагаемых, дающихглавный вклад в амплитуду перехода. Некоторая схожесть выражений для амплитуд впервом и втором порядках позволила говорить о (6) как о переходе черезвиртуальный промежуточный уровень. Этот термин носит чисто формальный характер:в промежуточное состояние система реально не переходит: для этого состояниядаже не выполняется закон сохранения энергии. Тем ни менее концепциявиртуальных состояний широко используется из-за своей наглядности.
Двухатомныемолекулы. Простейшей двухатомной молекулой является молекула водорода,обладающая двумя эквиволентными состояниями, отличающимися друг от другаперестановкой электронов. Механизм возникновения химической связи аналогиченрассмотренному для иона водорода с той только разницей, что запрет Паулитребует нахождения электронов в различных квантовомеханических состояниях.Из-за этого связанное состояние молекулы возникает только в случаепротивоположно направленных спинов электронов (в печати недавно появилосьсообщение о уникальном эксперименте по получению макроскопических порцийатомарного водорода, неспособного соединяться в молекулы из-за того, что всеатомы содержали электроны с одинаковым направлением спина). Механизмвозникновения ковалентной связи в разнообразных химических соединенияханалогичен.
Оптическиеспектры молекул более богаты, чем атомные, что с одной стороны связано сменьшей симметрией системы и с появлением возможности новых форм движения(колебаний и вращений ядер) с другой. Суммарная энергия молекулы складываетсяиз трех существенно различающихся по порядку величины составляющих: энергияэлектронной оболочки (характерные разности между энергиями стационарныхсостояний соответствуют оптическому или ультрафиолетовому излучению), энергияколебания ядер (соответствует инфракрасной части спектра) и энергия вращениямолекулы как целого (радиочастотный диапозон). В результате вместо характерныхдля излучения атомов линейчатых спектров молекулы дают полосатые спектры,состоящие из большого числа близкорасположенных линий.
Квантовомеханическиерасчеты двухатомных молекул оказываются существенно более трудоемкими, чемрасчеты для атомов и за исключением небольшого числа простейших химическихсоединений пока носят уникальный характер.
Трехатомныеи многоатомные молекулы с точки зрения квантовой механики являются оченьсложными системами, практически не поддающимися расчетам с традиционной дляатомно-молекулярной физики точностью. Рассмотрениетаких систем обучно носитполу- качественный характер и сводится к анализу свойств их симметрии (теориягрупп), на основе которого делается выводы о структуре системы энергетическихуровней. По-водимому, сложность таких систем делает их объектом изученияестественных наук более высокого уровня: химии и молекулярной биологии.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта study.online.ks.ua/
www.ronl.ru
Две ступени к познанию природы — ознакомление с характеристиками физических тел и физическими свойствами веществ — вами успешно пройдены. Продолжайте узнавать, из чего состоят вещества.
Молекулы. Известное вам тело сахар-рафинад состоит из вещества сахарозы. Рафинад можно измельчить до состояния сахарной пудры, но она, как и сахар-рафинад, будет иметь белый цвет и сладкий вкус, хорошо растворяться в воде. Как и сахар-рафинад, сахарная пудра образована из сахарозы.
А что изменится, если сахар-рафинад растворить в воде? На первый взгляд, он исчезает. Попробовав полученный раствор, вы ощутите сладкий вкус сахарозы. Следовательно, сахароза никуда не исчезла. Просто при растворении удалось измельчить сахарозу на невидимые частицы, сохраняющие её свойства, в частности сладкий вкус. Учёные назвали эти невидимые из-за очень малых размеров частицы вещества молекулами.
Молекула — это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства.
|
| Рис. 16. Расстояния между молекулами: а — в твёрдых; б — в жидких; в — в газообразных веществах |
Представить размеры молекулы вам поможет следующее сравнение: молекула во столько раз меньше, чем яблоко, во сколько наша планета Земля больше яблока.
Многие вещества состоят из молекул. Это известные вам вещества — вода, кислород, растительное масло, лимонная кислота, углекислый газ и др.
Молекулы одного вещества одинаковы по размеру, составу и свойствам. Как бы близко молекулы не размещались, между ними всегда остаются промежутки.
Причины различия между агрегатными состояниями вещества. Молекулы находятся в непрерывном движении, взаимодействуют между собой, притягиваются и отталкиваются одна от другой. В твёрдых веществах движение молекул незначительное. Это объясняется очень малыми расстояниями между молекулами и сильным их притяжением друг к другу (рис. 16, а).
В жидких веществах расстояние между молекулами в десятки раз больше, чем в твёрдых веществах, а притяжение меньше (рис. 16, б). Это позволяет молекулам свободно пер смещаться относительно друг друга. Такие вещества легко перелить из одной посудины в другую.
В газообразных веществах молекулы располагаются на расстояниях в тысячи раз больше, чем в жидкостях (рис. 16, в). На таких расстояниях притяжение очень слабое. Поэтому ничто не мешает молекулам быстро двигаться, они легко перемещаются на значительные расстояния.
Диффузия. То, что молекулы реально существуют и перемещаются, подтверждает явление диффузии.
Диффузия — взаимное распространение частиц одного вещества между частичками другого.
Проведём опыт (рис. 17). Наполним химический стакан наполовину водой и добавим одну-две капли йодной настойки. (Йодную настойку, имеющую коричневый цвет, готовят из твёрдого вещества — йода, воды, спирта и используют для дезинфекции ран.) В ходе наблюдения обнаружим, что постепенно вода приобретает коричневую окраску, хотя стакан стоит неподвижно и его содержимое не перемешивали. Почему же жидкость в стакане окрашивается? Объясняется это движением молекул йода между молекулами воды. Материал с сайта //iEssay.ru
 |
| Рис. 17. Диффузия молекул йода в бесцветной прозрачной воде |
Явление диффузии доказывает, что молекулы движутся. Ещё быстрее диффузия протекает в газах. Стоит распылить освежитель воздуха в одном конце комнаты, как запах распространяется по всему помещению. Медленнее всего диффузия происходит между твёрдыми веществами.
На диффузию влияет также температура. Чем выше температура, тем активнее происходит диффузия.
iessay.ru
--PAGE_BREAK--е. Денатурация и ренатурация ДНК Водородные связи и межплоскостные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль, достаточно слабы, и при относительно небольших воздействиях происходит разделение цепей — процесс, именуемый денатурацией, или плавлением. Двухцепочечная спиральная ДНК в растворе легко разрушается при нагревании до температур, близких к 100°С. Денатурация происходит также при увеличении рН раствора до уровня, при котором разрушаются водородные связи между основаниями. Многие факторы влияют на денатурацию, нейтрализуя частично или полностью отрицательно заряженные фосфатные группы остова молекулы. Интервал значений температуры или рН, при которых происходит разделение цепей, очень невелик. Поскольку для разрушения двух водородных связей АТ-пар требуется меньше энергии, чем для разрыва трех водородных связей GС-пар, значения температуры и рН, при которых происходит денатурация, зависят от нуклеотидного состава ДНК. Чем выше содержание GС-пар, тем выше Тт или рНт. Денатурация — процесс обратимый, последующее восстановление двухцепочечной структуры ДНК может происходить даже при полном расхождении цепей. Процесс воссоединения, называемый ренатурацией, реассоциацией или отжигом, происходит при понижении температуры или рН. Если температура или рН понижаются постепенно, то цепи соединяются правильно, с восстановлением всех исходных пар оснований. При резком понижении температуры или рН правильное воссоединение комплементарных цепей затрудняется из-за спаривания оснований локально комплементарных участков в пределах одной или разных цепей. Диссоциация и реассоциация ДНК в растворе являются по сути искусственным воссозданием процессов, играющих ключевую роль в реализации разнообразных биологических функций in vivo. Очень важным для дальнейшего изложения представляется то, что способность двух отдельных комплементарных цепей нуклеиновой кислоты воссоединяться с образованием исходной структуры является ключевым моментом для проведения соответствующих опытов in vitro, а также для выделения, сравнения и идентификации специфических нуклеиновых кислот. Уникальная способность нуклеиновой кислоты образовывать двойные спирали путем ассоциации одиночных комплементарных цепей имеет огромное значение для самых разных областей генетики. ж. Упаковка ДНК в хромосомах В клетках или вирусах ДНК, по-видимому, никогда не находится в свободной, вытянутой форме. Она связана с низкомолекулярными катионами — ионами двухвалентных металлов либо с ди- и полиаминами или белками, а возможно, с теми и с другими. Взаимодействие осуществляется с помощью электростатических сил — отрицательно заряженные фосфатные группы частично нейтрализуются положительно заряженными ионами металлов и полиаминами или основными аминокислотными остатками белков. В результате таких взаимодействий происходит конденсация ДНК с уменьшением объема, занимаемого молекулой, иногда в тысячу раз. Кольцевая ДНК Е. coli длиной 1,4 мм заключена в клетку, имеющую форму палочки диаметром 1 мкм и длиной 2 мкм; у эукариотических клеток ядерная ДНК длиной почти 2 м в стадии интерфазы заключена в ядре диаметром менее 10 мкм. Ядерная ДНК в клетках, находящихся в стадии митоза, конденсирована еще больше и в световом микроскопе имеет вид очень компактной структуры. Хромосомы эукариот. Хромосомы эукариотических клеток состоят в основном из хроматина — комплекса двухцепочечной ДНК и пяти гистоновых белков, обозначаемых h2, Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Гистоны могут быть ацетилированы, метилированы, фосфорилированы, ро1у-рибо-зилированы, а гистоны Н2А и Н2В — ковалентно связаны с белком, называемым убиквитином. Какова роль воздействия указанных компонентов на структуру и функции гистонов — до конца не выяснено. Типичные характеристики гистонов млекопитающих Гистон h2 млекопитающих состоит из примерно 215 аминокислот; размеры других гистонов варьируют от 100 до 135 аминокислот. Все они содержат необычно большое количество положительно заряженной аминокислоты лизина; Н3 и Н4 отличаются от других тем, что у них достаточно высок уровень положительно заряженной аминокислоты аргинина. Соотношение между Н2А, Н2В, Н3 и Н4, содержащимися в хроматине низших эукариот, такое же, как в хроматине млекопитающих. На электронно-микроскопических фотографиях в зависимости от условий выделения и степени растяжения хроматин выглядит либо как длинное волокно диаметром 10 нм, либо чаще как более вытянутое волокно с утолщениями — «бусинками» диаметром 10 нм, нанизанными по всей длине волокна с определенными интервалами. Каждая из этих бусинок представляет собой нуклеосомный кор, на который намотан сегмент хромосомной ДНК длиной 145 пар оснований. Кор — это гистоновый октамер, состоящий из гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4, по две молекулы каждого вида. Молекула ДНК, обвиваясь 13/4 раза вокруг нуклеосомного кора, образует сверхспираль. Пятый гистон, h2, не входит в состав нуклеосомного кора и не участвует в процессе наматывания ДНК на гистоновый октамер. Он контактирует с ДНК в тех местах, где двойная спираль входит и выходит из нуклеосомного кора. В такой структуре с одним гистоновым октамером и молекулой гистона h2 ассоциированы 168 пар оснований спиральной ДНК. Как мы уже отмечали, на электронно-микроскопических фотографиях хроматин часто обнаруживается в двух альтернативных формах: в форме волокна с четко разделенными нуклеосомами или в форме волокна диаметром 10 нм, в котором нуклеосомы упакованы бок о бок по всей его длине. Волокно диаметром 10 нм может подвергаться дальнейшей конденсации с образованием структур более высокого порядка. При этом нуклеосомы, по всей видимости, образуют соленоид — структуру диаметром 30 нм. В результате взаимодействия ДНК с гистонами сегмент двойной спирали ДНК из 168 пар оснований со средним диаметром 2 нм и длиной 57 нм превращается в спираль диаметром 10 нм и длиной 5 нм. При последующем сжатии этой спирали до волокна диаметром 30 нм степень конденсации увеличивается еще в шесть раз. Таким образом, упаковка дуплекса ДНК с пятью гистонами приводит к 50-кратной конденсации ДНК. Однако даже столь высокая степень конденсации не может объяснить почти 5000-кратное уплотнение ДНК в метафазной хромосоме. Эукариотический хроматин содержит и другие белки, которые обычно называют негистоновыми. Некоторые из них, например ферменты, необходимые для репликации и экспрессии ДНК, могут связываться с хроматином временно. Белки, принимающие участие в различных процессах регуляции, связываются с ДНК только в специфических тканях или на определенных стадиях дифференциации. Хромосомы прокариот. Насколько известно, в упаковке прокариотической геномной ДНК участвуют только два или три белка. О природе взаимодействия этих белков с ДНК и о структуре конденсированного комплекса белок-нуклеиновая кислота известно немного. У Е. coli, по-видимому, существует лишь один белок или один класс ДНК-связывающих белков, называемых HU-белками; по своему размеру, содержанию лизина и аргинина, антигенным свойствам они сходны с эукариотическим гистоном Н2А. Другой белок, белок II, обнаруженный у Е. coli и цианобактерий, по повышенному содержанию лизина и ДНК-связывающим свойствам также напоминает эукариотический гистон. Некоторые основные РНК Белки HU и II обнаружены в количествах, достаточных для образования комплекса по крайней мере с половиной ДНК Е. coli и, по-видимому, совместно с полиаминами и еще неизвестными нам белками могут осуществлять те же самые функции при конденсации и упаковке ДНК, что и пять эукариотических гистонов. 2. Структура и поведение РНК а. Типы РНК и их распространенность Содержание РНК в любых клетках в 5-10 раз превышает содержание ДНК. Основная роль РНК состоит в трансляции генетической информации с образованием белков. Однако молекулы РНК принимают участие и в осуществлении некоторых специализированных эндонуклеазных функций, возможно регулирующих различные этапы экспрессии генов. Молекулами РНК представлены геномы некоторых вирусов. Во всех клетках присутствуют следующие виды РНК: рибосомная РНК, транспортная РНК и информационная, или матричная, РНК. Большинство клеток содержат также много других малых цитоплазматических РНК, а в клетках эукариот присутствует еще и множество малых ядерных РНК. Около 80% массы клеточных РНК составляют три или четыре вида рРНК, а около 15% — почти 100 видов тРНК. На долю нескольких тысяч различных матричных РНК приходится менее 5% клеточной РНК, а на долю малых ядерной и цитоплазматической РНК, число видов которых пока неизвестно, — менее 2% от общего количества. б. Компоненты молекулы РНК и соединяющие их химические связи РНК — это полинуклеотид длиной от 70 мономерных единиц у некоторых тРНК до 10000 и более у некоторых мРНК. Два пурина и один пиримидин входят также в состав ДНК. А вместо тимина в РНК входит урацил, у которого 5-метильная группа отсутствует. Нуклеотиды в молекуле РНК соединены в цепочку такими же 5'-3'-фосфодиэфирными связями, как и в ДНК. Из-за наличия 2'-ОН-группы связь Р-О чувствительна к действию щелочей и ферментов, расщепляющих РНК. Некоторые пурины и пиримидины в РНК модифицированы: они содержат метил-, тиол-, водород-и изопентенил-заместители. В РНК присутствуют 2'-О-метилнуклеотиды с модифицированным остатком рибозы, а также может наблюдаться иной способ связывания между урацилом и рибозой. Такие модифицированные нуклеотиды довольно редко встречаются в рРНК и мРНК и достаточно часто — в тРНК. Как правило, модификация оснований и рибозных остатков происходит после завершения синтеза РНК, а не на стадии биосинтетических предшественников. Функциональное значение этого явления установлено лишь отчасти. в. Структура РНК Большинство клеточных РНК — одноцепочечные молекулы, хотя некоторые вирусные геномы представлены двухцепочечными РНК, напоминающими А-форму ДНК. В одиночных цепях все время образуются короткие внутримолекулярные двухцепочечные участки. Это связано с тем, что в большинстве РНК имеются небольшие комплементарные последовательности, которые спариваются и образуют петли. В таких двухцепочечных участках А спаривается с U, a G с С; G может образовать пару и с U, но GU-пара менее стабильна, чем стандартная пара GC, поскольку ее компоненты соединены двумя, а не тремя водородными связями. Двухцепочечные области, образованные подобным образом, обычно непротяженны и прерывисты, поскольку спаривающиеся участки редко бывают абсолютно комплементарными. Укладка большинства РНК может происходить более чем одним способом, однако биологическое значение образующихся при этом изомеров установлено только в некоторых случаях. Например, известно, что адекватная укладка некоторых вирусных РНК чрезвычайно важна для экспрессии генов, поскольку ответ на ключевые регу-ляторные сигналы зависит от конфигурации молекулы. Подобная зависимость функции от упаковки молекулы наилучшим образом продемонстрирована на примере тРНК. Несмотря на разную нуклеотидную последовательность, третичная структура разнообразных тРНК весьма сходна, и ее стабилизация, по-видимому, имеет огромное значение для функционирования этих молекул. Правильная терминация синтеза РНК и созревание транскрипта тоже часто зависят от характера укладки РНК. г. Денатурация и ренатурация РНК Как и в случае ДНК, двухцепочечные участки в РНК разрушаются при повышении температуры или рН, но, в отличие от ДНК, при высоких значениях рН в РНК разрушаются и фосфодиэфирные связи. Поскольку протяженность спирализованных участков в одноцепочечной РНК невелика, а сами спирали несовершенны, разрушаются они довольно легко. Однако полностью комплементарная двухцепочечная РНК плавится в довольно узком температурном интервале, как и двухцепочечная ДНК. В результате денатурации образуются две комплементарные одиночные цепи, способные к последующему воссоединению при плавном понижении температуры. После денатурации двухцепочечных участков одноцепочечной РНК восстановление тех же спаренных областей оказывается затрудненным, и в результате ренатурации могут образоваться структуры, отличные от исходной. д. Гибридные спирали ДНК-РНК Полинуклеотидные цепочки РНК и ДНК, имеющие комплементарные последовательности, могут образовывать двойную спираль РНК-ДНК с антипараллельными цепями. Структура таких комплексов напоминает А-ДНК. Спаривание оснований в них отвечает правилам Уотсона-Крика для ДНК: dA спаривается с rU, rA-c dT, dG — c rC и dC — c rG. В дуплексах РНК-ДНК пара оснований rG'dC более стабильна, чем пара dG'rQ и обе они стабильнее пар dG'dC в ДНК; обе пары, dT*^ и rU'dA, менее стабильны, чем пара dA'dT в ДНК. Гибридные спирали, или гетеродуплексы, способны к денатурации и ренатурации, как и дуплексы ДНК. В водных растворах с умеренной концентрацией солей двухцепочечные комплексы РНК-ДНК денатурируют легче, чем соответствующие спирали, состоящие исключительно из цепей РНК и ДНК. В растворах же, содержащих формамид и соли в определенных концентрациях, дуплекс РНК-ДНК стабильнее дуплекса ДНК. Эти условия могут использоваться для образования и специфической стабилизации гибридных дуплексов. Полинуклеотидные цепи РНК или ДНК считаются комплементарными, если они способны образовать протяженную двойную спираль с уотсон-криковскими парами оснований. Две нуклеиновые кислоты можно назвать гомологичными, если их нуклеотидные последовательности идентичны или очень близки. Гомологичность двух нуклеиновых кислот можно определить по степени образования двойных спиралей соответствующими одиночными цепями РНК, ДНК или гибридов РНК-ДНК. За образованием ДНК-, РНК — и гибридных РНК-ДНК-спиралей можно следить разными способами. В качестве зонда для выявления и количественного анализа гомологичных молекул РНК часто используется одноцепочечная ДНК. Так, степень превращения одноцепочечной РНК в двухцепочечную форму в присутствии другой нуклеиновой кислоты является мерой гомологичности их последовательностей. Используя соответствующего партнера по гибридизации, можно установить протяженность специфической нуклеотидной последовательности и гомологичность двух ДНК, РНК и ДНК, а также двух РНК. 3. Структура белков а. Компоненты белков и соединяющие их химические связи Белки состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, каждая из которых в свою очередь представляет собой длинный неразветвленный полимер, состоящий из аминокислот. Все полипептиды независимо от источника — от вирусов до человека — построены из 20 разных аминокислот. В аминокислотах имеются как одинаковые для всех, так и уникальные химические группировки: атом углерода, несущий карбоксильную и амино-группы. и определенные заместители, характерные для каждой аминокислоты. Такие «боковые цепи», часто называемые R-группами, различаются по размеру, форме, заряду и химической активности. продолжение --PAGE_BREAK--
www.ronl.ru
Биологические молекулы имеют модульное строение. К числу важных классов биологических молекул относятся белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Множество других молекул в клетке играют роль «энергетической валюты».
Жизнь — таинственная, сложная, загадочная — не что иное как совокупность достаточно крупных молекул и довольно простых химических реакций. Если бы вам понадобилось конструировать крупные молекулы, вы пошли бы по одному из двух путей. Либо, как в кустарном ювелирном деле, вы стали строить каждую молекулу «с нуля», проделывая каждый раз уникальную работу. Либо — этот путь используется в современных строительных технологиях — вы бы изготовили набор простых молекул, из которых можно собирать самые разнообразные молекулы большего размера, сочетая модули тем или иным образом. Оказывается, именно такое модульное строение имеют биологические молекулы. Согласно теории эволюции, таким и должен был быть самой простой путь к крупным молекулам, поскольку в начале эволюционного процесса необходимость в конструировании очень сложных молекул отсутствовала. Со временем же могли добавляться новые модули, расширяя коллекцию крупных разнородных элементов, что вполне соответствует духу эволюции.
Белки
Основной структурной единицей белков являются молекулы аминокислот. Чтобы понять, что такое аминокислота, представьте себе совокупность атомов, у которых с одной стороны наружу выступает водород, с другой — соединенные между собой кислород и водород, а посередине расположены разнообразные другие компоненты. Подобно тому как бусины нанизываются на нить, из этих аминокислот собираются белки — ион водорода (Н+) одной аминокислоты объединяется с ионом гидроксила (ОН–) другой аминокислоты с образованием молекулы воды. (Представьте, как каждый раз при соединении двух аминокислотных молекул между ними пробегает капелька воды.) Среди белков самую важную роль играют белки-ферменты (см. Катализаторы и ферменты), регулирующие химические реакции в клетках; но белки также являются важными структурными компонентами живых организмов. Например, ваши волосы и ногти состоят из белков.
Углеводы
Углеводы содержат кислород, водород и углерод в соотношении 1:2:1. Во многих живых системах молекулы углеводов выполняют роль источников энергии. Одним из важнейших углеводов можно считать сахар глюкозу, содержащую шесть атомов углерода (С6Н12О6). Глюкоза — конечный продукт фотосинтеза и, следовательно, основа всей пищевой цепи в биосфере. Соединяя молекулы глюкозы, как основные строительные модули, можно получить сложные углеводы. Как и белки, углеводы играют вспомогательную роль в клетках, поскольку входят в клеточные структуры. Например, растительные волокна состоят из целлюлозы, которая представляет собой вереницу сцепленных особым образом молекул глюкозы.
Липиды
Липиды — это нерастворимые в воде органические молекулы. Вы получите правильное представление о липидах, если вообразите капельки жира, плавающие на поверхности бульона. В живых организмах липиды выполняют две важные функции. Один класс молекул — фосфолипиды — состоят из маленькой головки, содержащей фосфатную группу (атом фосфора, соединенный с четырьмя атомами кислорода), и длинного углеводородного хвоста. Углеводородный хвост этой молекулы гидрофобен, то есть энергетическое состояние молекулы минимально, когда этот хвост находится не в воде. Напротив, фосфатная головка гидрофильна, то есть энергетическое состояние молекулы минимально при контакте головки с водой . Если поместить молекулы фосфолипидов в воду, они будут стремиться достичь минимального энергетического состояния и выстроятся таким образом, что их хвосты окажутся вместе, а головки — врозь. Такая двухслойная структура очень стабильна, поскольку головки будут в контакте с водой, но вода будет вытеснена из области, окружающей хвосты молекул. Для перемещения липидным молекулам необходима энергия — либо чтобы удалить гидрофильные участки из воды, либо чтобы поместить в воду гидрофобные участки. Из таких липидных двухслойных структур состоят клеточные мембраны и мембраны, разделяющие компоненты клетки. Эти пластичные и прочные молекулы отделяют живое от неживого.
Кроме того, в липидах запасается энергия. Липиды могут накапливать примерно вдвое больше энергии на единицу массы, чем углеводы. Вот почему, когда вы переедаете и ваш организм хочет запасти энергию на случай непредвиденных обстоятельств в будущем, когда пищи не будет, он станет запасать ее в форме жира. На этом простом факте строится многомиллиардная индустрия диетических продуктов.
Нуклеиновые кислоты
Молекулы ДНК и РНК (см. Центральная догма молекулярной биологии) переносят информацию о химических процессах, идущих в клетке, и участвуют в передаче содержащейся в ДНК информации в цитоплазму клетки. В ДНК живого организма закодированы белки-ферменты, которые катализируют все химические реакции, происходящие в этом организме.
Молекулы-переносчики энергии
Жизнедеятельность требует затрат энергии. В частности, нужно, чтобы энергия, произведенная в одном месте, могла быть использована в другом. Эту функцию в клетке осуществляет целая армия специализированных молекул. Пожалуй, самые важные из них — аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ). Обе молекулы устроены так: группа из атомов углерода, водорода и азота (она называется аденин) присоединена к молекуле рибозы (это сахар), и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. Из названий молекул понятно, что в хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ — три. Когда в клетке происходит химический процесс, например фотосинтез, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ. Полученная молекула АТФ затем переносится в другие части клетки. Там запасенная энергия может быть использована в других химических процессах: она выделяется при отщеплении последнего фосфата от АТФ, в результате чего АТФ вновь превращается в АДФ.
Как мы уже упоминали, существуют и другие молекулы, которые переносят энергию в клетке. Набор таких молекул чем-то напоминает разные варианты оплаты счетов. Вы можете выбрать наличные, банковский перевод, кредитную карту и т. д. — в зависимости от того, какой способ вам удобнее. Так же и клетка для поддержания своей жизнедеятельности может использовать АТФ (эквивалент наличных денег) или любую другую из большого набора более сложных молекул.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://elementy.ru/
www.coolreferat.com
Атомы и молекулы
Все вещества состоят из крошечных частиц - атомов. Атомы соединяются в молекулы, крупнейшие из которых имеют сложное строение, состоящее из тысяч атомов.
О том, что все сущее состоит из частиц, знали еще древние греки. Около 420 г. до н. э. философ Демокрит поддержал гипотезу, что материя состоит из крошечных, неделимых частиц. По-гречески atomos означает "неделимый", поэтому эти частицы назвали атомами.
Другие философы придерживались иной точки зрения, и в IV веке до н. э. Аристотель высказался в поддержку мнения, согласно которому материя состоит из различных сочетаний так называемых четырех стихий - земли, воздуха, огня и воды. Эта идея получила широкое распространение и легла в основу алхимии - примитивной формы химии, господствовавшей в науке до XVII века.
Одной из главных задач алхимии было создание "эликсира жизни" - снадобья, которое позволило бы человеку жить вечно. Другая заключалась в создании богатств путем превращения обычных металлов в золото. Многие алхимики утверждали, что решили эти задачи, однако никто из них так и не добился реального успеха.
Переворот в науке
Некоторые ученые продолжали придерживаться мнения, что материя состоит из атомов, но только в начале XIX века были получены экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию. Английский химик и писатель Джон Дальтон проводил опыты с газами и изучал пути их соединения. Так, он обнаружил, что кислород и водород, образуя воду, всегда соединяются в одних и тех же пропорциях по массе. Другие ученые также сталкивались с подобными данными, но именно Дальтон впервые осознал их значение. Он сделал вывод, что вещества состоят из атомов, и что все атомы простого вещества имеют одинаковую массу. При соединении простых веществ количества соединяющихся атомов находятся в определенной неизменной пропорции. Атомистика Дальтона объясняла, почему вещества соединяются в неизменной массовой пропорции, а также явилась основой для детального изучения материи. Вещества состоят из атомов, а из чего состоят атомы? Первые ключи к разгадке этой тайны появились в конце XIX века, когда исследователи изучали прохождение электричества через разрядные трубки, содержащие разреженный воздух. Иногда стенки трубки излучали зеленый свет при подаче высокого напряжения на две металлические пластины - электроды. Свечение возникало при попадании невидимых лучей от отрицательного электрода, или катода, на стенки трубки.
В 1890-х годах английский физик Дж. Томсон доказал, что эти катодные лучи (как их тогда называли) - не что иное, как потоки отрицательно заряженных частиц. Предполагалось, что эти частицы исходят из атомов, хотя их расположение внутри атомов оставалось неясным. Томсон высказал предположение, что атом может быть похож на рождественский пудинг, в котором большая, но легкая по массе положительно заряженная сфера усеяна многочисленными отрицательно заряженными частицами (электронами). Однако различные опыты по изучению строения атома доказали, что это - безусловно ошибочная теория.
Строение атома
В 1911 году Эрнест Резерфорд, британский физик, уроженец Новой Зеландии, работавший вместе с Томсоном, предложил строение атома, реально объясняющее его поведение во время экспериментов. Резерфорд предположил, что центр (или ядро) атома имеет положительный заряд и относительно большую массу, а вокруг ядра вращаются крайне легкие и отрицательно заряженные электроны.
Однако Резерфорд не осознавал, что обычно в ядре атома находятся как положительно заряженные, так и нейтральные частицы. Существование положительно заряженных частиц было признано в 1920 г., и они получили название протоны. В 1932 г. английский физик Джеймс Чэдвик открыл незаряженные частицы и назвал их нейтронами. В результате картина строения атома была завершена и с тех пор является основой нашего понимания материи.
Элементы
Любое вещество, в котором все атомы имеют одинаковое количество протонов, называется элементом. Число протонов в каждом атоме - атомный номер элемента. Существуют 92 природных элемента, их атомы имеют от 1 до 92 протонов. Кроме того, некоторые другие элементы с еще большим числом протонов в атоме можно получить с помощью устройства под названием ускоритель элементарных частиц. К природным элементам относятся железо, ртуть и водород.
| Профессиональная химчистка диванов в Москве |
Связи
Атомы в молекулах связываются различными путями, при этом они разделяют между собой электроны или обмениваются ими. Двумя простыми видами химической связи являются ковалентная и ионная.
Ковалентная связь возникает, когда атомы имеют общие электроны. Так, молекула водородного газа состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью. Единственный электрон каждого атома водорода вращается вокруг ядер обоих атомов, связывая их воедино.
В случае ионной связи один атом передает электроны другому атому. В результате возникает электрическая сила, связывающая атомы воедино. Как правило, количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в атоме одинаково. Их положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга, и поэтому атом не имеет общего заряда. Однако в атоме, отдающем электроны, создается избыток положительного заряда, а атом, получающий электроны, приобретает общий отрицательный заряд. Такие заряженные атомы называются ионами. Ионы противоположных зарядов притягиваются друг к другу, и именно это электрическое притяжение удерживает атомы вместе при ионной связи. Например, молекула поваренной соли формируется с помощью ионной связи, когда атом натрия передает электрон атому хлора.
Все атомы одного вещества имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов. Так, в углероде ядро большинства атомов содержит шесть нейтронов, но примерно в каждом сотом из них имеется семь нейтронов. Эти различные типы атомов одного и того же элемента называются изотопами. Все изотопы данного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами - все они соединяются с другими веществами и образуют одни и те же химические соединения. Но отдельные физические свойства изотопов различаются - например, они имеют разные точки замерзания или кипения.
Говоря о конкретном изотопе того или иного элемента, ученые называют его массовое число. Например, углерод-12 - это обычный природный изотоп углерода. Его атом содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Более редкий природный изотоп, в ядре каждого атома которого находится лишний нейтрон, называется углерод-13.
Атомный вес
Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, которая более чем в 1800 раз превышает массу электрона. Поэтому когда речь идет о массе атома, как правило, не будет ошибкой ссылаться на его массовое число.
Атомный вес элемента, или его относительная атомная масса, обычно представляет собой среднюю массу смеси изотопов, встречающихся в природе. Молекулярный вес вещества, или его относительная молекулярная масса, - это сумма атомных весов всех атомов в одной молекуле данного вещества.
Многосложный атом
С тех пор экспериментировавшие с ускорителями ученые открыли сотни других видов частиц в атомах. Но, к счастью, простая модель атома достаточна для того, чтобы объяснить большую часть свойств материи.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.sciencetechnics.com/
topref.ru
