Страница 12 из 95
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ЖИЗНИ
Только физиология и биофизика не могут дать объяснение жизни. В ее основе есть нечто более высокое. Но реализация жизни происходит через конкретные физические и химические процессы. Они могут быть разными. Жизнь, как храм, состоит из разных кирпичей и строительных блоков.
Специалисты рассматривают разные варианты материальной реализации жизни. Один из них земной. Но он не может считаться единственным. В основу земной жизни положена вода как растворитель. Но эту роль может выполнять аммиак, кремний и другие вещества.
Чтобы что-нибудь понять в этом плане, нам придется окунуться в химию. Конечно, не во всю химию, а только в некоторые ее понятия и положения. Поскольку наши книги рассчитаны на неспециалистов, то мы приведем некоторые сведения, которые взяты из программ средней школы. Но без этих сведений трудно будет понять основной текст.
Начнем с атома. Слово «атом» означает «неделимый». Так оно и есть. Но не совсем. Если уж атом начнет делиться, то прежнее вещество исчезает и появляется новое. Поэтому атом в химическом плане является неделимым. Примитивная конструкция атома напоминает нашу Солнечную систему. В центре находится массивное ядро, вокруг которого на разных орбитах вращаются очень легкие электроны. На самом деле все значительно сложнее. Например, электрон нельзя считать только частицей (шариком). Во многих физических экспериментах он ведет себя как волна. Но для понимания (достаточно наглядного) химических процессов такая модель строения атома вполне пригодна. Нормальный, полноценный атом является электрически нейтральным, то есть у него нет электрического заряда. А точнее, положительный электрический заряд ядра атома полностью компенсируется отрицательным суммарным электрическим зарядом всех орбитальных электронов. Поэтому в сумме получается нуль. Если же атом не нормальный, то возможны два варианта. В одном из них к атому присоединился один или несколько лишних (избыточных) орбитальных электронов. Тогда суммарный электрический заряд всего атома в целом является отрицательным, поскольку эти избыточные электроны (как и вообще все электроны) заряжены отрицательно. Во втором варианте нормальный атом потерял один или несколько электронов. Тогда будет преобладать положительный электрический заряд ядра. Важно, что заряд электрона строго фиксирован по величине. Он не может быть ни больше, ни меньше этой величины. В природе не встречается ни половины, ни четверти заряда электрона. Вообще любая величина электрического заряда обязана быть кратной величине электрического заряда электрона. Деформированный атом называют ионом. Как мы уже видели, он может быть положительным и отрицательным. Такое состояние атома является ненормальным и недолговечным, потому что в нем положительный заряд не скомпенсирован отрицательным. Кроме того, число орбитальных электронов или больше или меньше нормы. Проходит какое-то время, и ненормальный атом (ион) приходит в нормальное состояние. Для этого он расстается с излишним электроном (или электронами) или же возвращает себе утерянные электроны.
Одной из главных характеристик любого химического элемента является его атомный номер в периодической системе Менделеева. Атомный номер равен положительному электрическому заряду ядра, который выражен в элементарных единицах электричества, то есть в зарядах одного электрона. Для нормального атома атомный номер равен числу орбитальных электронов, вращающихся вокруг ядра. Атомный номер очень важен. Именно он определяет химические свойства атома и вообще данного химического элемента. Самая простая конструкция у атома водорода. Он состоит из одного протона (это ядро) и одного отрицательного электрона, который вращается вокруг этого ядра. Протон тяжелее электрона в 1840 раз. Поэтому в ядре атома и сосредоточена практически вся масса. На долю орбитальных электронов приходится только пренебрежимо малая доля массы атома.
Как электрический заряд атома измеряют в зарядах электрона, так массу атома измеряют в массах протона. Ядро атома водорода состоит из одного протона. Но в ядрах более сложных химических элементов кроме протонов имеются и нейтроны. Это электрически нейтральные протоны. У этих частиц масса равна в точности массе протонов, но у них нет никакого электрического заряда.
Кроме обычного водорода, ядро атома которого состоит из одной частицы (протона), имеется и двойной водород (дейтерий), у которого ядро атома состоит из двух частиц — одного протона и одного нейтрона. Имеется и водород — тритий, у которого в ядре содержатся три частицы — один протон и два нейтрона. Свойства у этих трех разновидностей водорода разные, поскольку их атомные веса разные. У нормального водорода атомный вес равен 1. У дейтерия он равен 2, а у трития — 3. Но это физические свойства. А химические свойства у всех этих разновидностей водорода одинаковые, поскольку у них одинаковый номер в периодической системе Менделеева, то есть у них одинаковое число орбитальных электронов. Такие химические элементы, а точнее — разновидности одного и того же химического элемента называются изотопами («изо» — значит «равный»). Речь идет о равных, одинаковых номерах или, другими словами, о равном числе орбитальных электронов.
Орбитальные уровни вращаются вокруг ядра не так, как им заблагорассудится. Здесь, как и везде в природе, имеются строгие законы, которые нельзя нарушить. Имеются определенные электронные уровни (их еще называют оболочками), на которых может находиться только строго определенное количество электронов. На самой нижней оболочке могут находиться только два электрона. Так, у химического элемента гелия эта оболочка заполнена. У атома гелия два орбитальных электрона. Атомный номер гелия равен двум. Когда заполнена первая оболочка, начинается заселение электронами второй оболочки. Эта оболочка дальше удалена от ядра. Она имеет целых восемь вакансий для электронов. За этими двумя оболочками следуют другие, на которых могут разместиться восемь, восемнадцать, еще раз восемнадцать и тридцать два электрона.
Когда два атома приближаются друг к другу, то на определенном расстоянии они испытывают действие сил сопротивления. Это наступает, когда соприкасаются самые внешние оболочки атомов. Собственно именно эти внешние оболочки с их электронами и определяют химические свойства данного элемента. Так, если внешняя оболочка упакована полностью (заполнена), то атом инертен. Он очень неохотно вступает в различные взаимодействия с другими атомами или молекулами. В обычных условиях такие атомы вообще не образуют соединений. Совсем другое дело, если на внешней оболочке имеются вакансии, то есть свободные места. В этом случае вакансии постараются занять электроны другого, соседнего атома. Здесь работает закон очереди. В новую очередь переходят те, кто находится в хвосте. Поэтому кандидатами на вакантные места являются только электроны, которые находятся на самой внешней оболочке другого атома. Но они при этом поступают очень осмотрительно: занимают вакантные места в не своем атоме, но места в своем атоме не сдают. Так они являются слугами двух господ, а точнее — атомов. Они и связывают эти атомы в единое целое. Это целое, образованное описанным выше способом, называется молекулой.
Способность атома соединяться с водородными атомами или их эквивалентами, называется валентностью. Самая большая нормальная валентность атома определяется числом свободных мест на внешней оболочке, которые он может предоставить другим атомам. Но имеется и другая возможность того, как осуществить связь между атомами. Данный атом может не только предоставить вакансии для электронов других атомов, но он может отдать свои свободные электроны ради такой связи. Это тоже валентность, то есть связь. Она определяется числом тех электронов, которые атом может отдать для заполнения свободных мест во внешних оболочках других атомов. На практике самая большая (максимальная) валентность может и не быть достигнута. Валентность никогда не превышает восьми.