Рис. 34. Схематическое изображение молекул жирных кислот. Длинный углеводород с карбоксильной группой на правом конце. Карбоксильная группа, СООН, состоит из одного атома углерода, двух атомов кислорода и одного атома водорода, соединенных связями типа «дыра и затычка». Квадратики — атомы углерода, большие кружки — атомы кислорода, маленькие кружки — атомы водорода. Прямые линии — связи типа «электронные близнецы», волнистые — типа «дыра и затычка».
Эти цепи называются жирными кислотами, входящими в состав животного жира.
Другие характерные углеродные структуры — это молекулы спиртов, показанные на рис. 35.
Рис. 35. Молекула спирта C2H5OH. Квадратики — атомы углерода, большие кружки — атомы кислорода, маленькие кружки — атомы водорода; прямые линии — связи типа «электронные близнецы», волнистые — типа «дыра и затычка».
Здесь связи с кислородом образованы по типу «дыры и затычки».
Еще одна важная группа молекул с длинными цепями — это углеводы. Их цепи подобны углеводородным, но к каждому звену цепи присоединен кислород. Он, как всегда, соединяется по типу «дыры и затычки». Простейший углевод — глюкоза, один из видов сахара (рис. 36).
Рис. 36. Сахар. Молекула глюкозы С6Н12О6.
Целлюлоза — также углевод, но с очень длинной цепью. Она встречается в больших количествах в древесине и в других растительных структурах.
Теперь мы переходим к рассмотрению наиболее важной группы молекул — аминокислот, служащих кирпичиками, из которых построена почти вся живая материя. На рис. 37 показан общий принцип построения таких структур.
Рис. 37. Аминокислоты. Аминокислоты имеют с одного конца карбоксильную группу, а с другого — аминогруппу NH2. Символом R обозначены химические соединения различного типа.
В скелет этих молекул опять-таки входит углерод с его четырьмя электронными выступами. Наиболее характерны, однако, две их конечные группы. На одном конце молекулы (на рис. 37 справа) находится карбоксильная группа, на другом — аминогруппа NH2. Между двумя конечными группами находится множество других; для каждой аминокислоты характерна ее средняя часть. На рис. 37 показаны две простейшие аминокислоты: глицин и аланин — и общее строение более сложных аминокислот. Две концевые группы аминокислот обладают весьма характерным свойством. Они легко могут соединяться. Аминогруппа и карбоксильная группа связываются друг с другом (так называемая «пептидная связь»), так что аминокислоты легко образуют длинные цепи: одна аминокислота как бы зацепляется за другую. Такие цепи называются белками; как мы узнаем из гл. VIII, они играют важную роль в жизни живых организмов.
Химическая энергия, химическое горение
До сих пор мы давали общее описание некоторых наиболее распространенных молекул. Условия нашей среды на Земле таковы, что молекулы непрерывно разлагаются и снова образуются. Если бы температура Земли была значительно выше, например, если бы она достигала температуры поверхности Солнца, то молекулы никогда не образовывались бы из-за слишком сильного теплового возбуждения: атомы не могли бы оставаться друг возле друга. Если бы ее температура была гораздо ниже, молекулы соединились бы, образуя твердые тела и кристаллы, и никакие изменения не происходили бы. Температура на Земле такова, что имеется иногда достаточно энергии для разрушения некоторых молекул, однако количество этой энергии не слишком велико, и поэтому большинство соединений может существовать в течение некоторого времени. Создание и разрушение молекул характеризует окружающую нас среду, сообщая ей постоянные изменения, которые мы видим, и создавая тем самым возможность жизни.
Одно из важнейших следствий образования молекул состоит в высвобождении энергии. Этот процесс особенно ясно виден при сжигании угля или других веществ. Горение любого типа связано с образованием новых молекул, в результате чего выделяется тепловая энергия. Мы должны теперь выяснить более точно, как и почему освобождается энергия при соединении атомов в молекулы. Химическая связь представляет энергию в таком смысле: для разрыва связи требуется некоторое количество энергии, следовательно, то же ее количество высвобождается при образовании связи. В качестве простейшего примера связи, отличной от химической, рассмотрим магнит, удерживающий кусок железа силой магнитного притяжения (рис. 38).
Рис. 38. Когда железка ударяется о магнит, энергия магнитного притяжения превращается в тепло и звук.
Чтобы удалить железо от магнита, требуется некоторая энергия. Когда железо возвращается к магниту, то же количество энергии выигрывается. Это количество энергии создается притяжением к магниту. При удалении железа от магнита энергию поставляют наши мышцы. Где появляется энергия, производимая при возвращении железа к магниту? Часть ее выделяется в виде звука, когда железо ударяется о магнит, часть — в виде тепла, так как при ударе железа о магнит оно нагревается. Эту энергию можно использовать и для выполнения механической работы: если мы прикрепим к железу веревку, перекинутую через блок, а на другой ее конец подвесим грузик, то увидим, что притяжение к магниту будет совершать работу (рис. 39).
Рис. 39. При таком расположении магнита и пластинки энергия притяжения используется для подъема груза.
Аналогичный обмен энергией происходит и в случае химической связи. Нужно затратить энергию, чтобы разделить молекулу на атомы, и энергия выделяется, когда атомы образуют молекулу. Полученная энергия принимает различные формы. Например, она может проявиться в виде колебаний. Когда атомы соединяются, получившаяся молекула начинает колебаться в результате сильного столкновения атомов. Может получиться и энергия поступательного движения: когда атомы сталкиваются и сливаются, их энергия передается соседним молекулам, скорость которых увеличивается. Вообще, когда бы атомы ни образовали молекулу, энергия освобождается и обычно проявляется в форме движения, что эквивалентно теплу.
Есть некоторые особые случаи, когда энергия связи не превращается в тепло. Это аналогично тому, что притягиваемый к магниту кусок железа производит полезную работу. Некоторые химические реакции присоединения могут происходить таким образом, что энергия, выигранная при образовании молекул, передается молекулам другого рода и переводит их в состояние с большим содержанием энергии. Тогда энергия образования молекулы запасается в другой молекуле вместо того, чтобы растрачиваться в виде тепла. Этот случай важен для поддержания жизни.
Одни химические связи прочны, другие — слабы, рыхлы. Когда образуются прочные связи, освобождается больше энергии. В общем случае связи типа «затычка и дыра» прочнее связей типа «электронные близнецы». Атом водорода труднее оторвать от молекулы воды, чем от молекулы метана.
Рассмотрим более подробно хорошо известный химический процесс, процесс горения угля. Что при этом происходит? Углерод угля и кислород воздуха образуют углекислый газ — двуокись углерода. Кусок угля — это совокупность атомов углерода, расположенных в правильном порядке, кристалл углерода. Кислород воздуха состоит не из отдельных атомов, он существует в виде молекул кислорода, состоящих из двух атомов со связью типа «электронные близнецы». Поэтому химическая реакция горения угля имеет вид C + O = CO2.
Эта реакция должна происходить в два этапа: сначала разрывается связь в молекуле O2, а затем два атома кислорода присоединяются к углероду. Первый этап требует затраты энергии. Он не может происходить при тех энергиях, которые имеются при обычной температуре. В конце концов, уголь может соприкасаться с воздухом без горения. При обычных температурах тепловой энергии недостаточно для расщепления молекулы кислорода на два атома. Но если мы подведем тепло извне от зажженной спички или горящей щепки, то реакция начнется. Надо подвести тепло только для возникновения реакции, так как на втором ее этапе, при образовании СO2, выделяется больше энергии, чем требуется для расщепления O2 (рис. 40).