Наука и удивительное

Зернистая структура света. Мы узнали, что электроны и другие атомные частицы проявляют волновые свойства. Пучки частиц ведут себя иногда так же, как и волны. Было показано, что это свойство лежит в основе квантового поведения атомов. В ходе исследований оказалось, что подобная двойственность свойственна не только частицам. Световые волны иногда ведут себя так, как если бы они были частицами.

Все данные о распространении света показывают, что световой луч — это колебания, образующие непрерывную электромагнитную волну. Но когда изучается действие света на вещество, наблюдаются некоторые неожиданные явления, которые, как нам кажется, противоречат представлению о непрерывности светового потока. Что же происходит при падении света на вещество? Если объект, на который падает свет, прозрачен, как, например, оконное стекло, то свет частично отражается и частично проходит сквозь него. Если же этот объект непрозрачен (кусок угля) или частично прозрачен (цветное стекло), то большая часть света и не проходит сквозь него, и не отражается, как бы исчезая в объекте. Так как свет есть форма энергии, то он может исчезнуть, только передавая каким-либо способом свою энергию веществу. Такое его исчезновение называется поглощением света.

Энергия поглощенного света должна проявиться в какой-нибудь другой форме. Когда солнечный свет поглощается нашей кожей, мы чувствуем тепло. При поглощении света некоторыми металлами его энергия часто передается электронам; последние получают иногда так много энергии, что покидают металл. Этот эффект называется фотоэлектрическим эффектом; мы используем его на практике при преобразовании световых импульсов в электрические.

Энергию, переданную веществу при поглощении света, можно измерить с большой точностью. Эти измерения дали в высшей степени неожиданный результат; оказалось, что световая энергия может поглощаться только порциями определенной величины; доля такой порции никогда не поглощается. Такие световые единицы, или порции, называются световыми квантами, или фотонами. Если дело идет о действии света на вещество, то мы можем сравнить световой луч с потоком снарядов. В каждом снаряде содержится одно и то же количество взрывчатого вещества. Когда снаряд попадает в объект, то его действие определяется количеством взрывчатого вещества. Более сильное освещение означает большее число таких же взрывов, но не более сильные взрывы.

При фотоэлектрическом эффекте каждый квант, попадающий в металл, заставляет электрон вылетать из металла. Энергия вылетающего электрона служит мерой величины кванта (мерой количества взрывчатого вещества в каждом снаряде). Число вылетающих электронов служит мерой интенсивности светового пучка.

Количество энергии в световом кванте зависит от света, с которым мы имеем дело. Оно различно для света разных длин волн: для более длинных волн это количество меньше, для более коротких — больше (рис. 27).

Рис. 27. Фотоэлектрический эффект. а — свет с большой длиной волны, падая на металл, вырывает медленные электроны; б — свет с малой длиной волны выбивает быстрые электроны.

Энергия кванта видимого света очень мала. Она составляет всего лишь несколько электроновольт, около 10-12 (миллионная доля одной миллионной) энергии, потребной для создания едва воспринимаемого ощущения от прикосновения к вашему пальцу. Квант радиоволн (тоже вид излучения) еще в миллиард раз меньше, так как длины их волн во столько же раз больше. Конечно, сетчатка нашего глаза во много раз чувствительнее к свету, чем кончики пальцев. И все же нельзя увидеть отдельного кванта, так как он слишком мал для этого. Если бы мы могли увидеть отдельный квант, то очень слабый источник света казался бы нам мигающим, так как мы видели бы свет только при попадании кванта на сетчатку.

Хотя свет — это электромагнитная волна, его действие на вещество, на наш глаз, на фотоэлемент, квантовано. Он действует так, как если бы световой луч состоял из маленьких зерен, или корпускул, одного размера. Это подчеркивает корпускулярно-волновой дуализм природы. Электроны представляют собой частицы с волновыми свойствами, свет — волну с корпускулярными свойствами.

Подойдем теперь к вопросу о квантах с количественной стороны. Величина кванта световой энергии связана с частотой света той же формулой, формулой Планка, которую мы уже встречали. Энергия кванта Е дается соотношением Е = hω, где ω — частота света[37], a h, — как и ранее, постоянная Планка.

Квант видимого желтого света (ω = 5·1014 колебаний в секунду) оказывается равным примерно 2,1 эв.

Как бы ни были малы кванты, они сравнимы по величине с энергиями атомов. Они по порядку величины такие же, как энергии квантовых состояний атомов. Например, квант желтого света (2,1 эв) точно равен энергии, необходимой, чтобы перевести атом натрия из основного состояния в первое возбужденное.

Атомы и световые кванты. Каким бы странным ни казалось представление о световых квантах, оно открывает новую сторону вопроса о том, как атом испускает и поглощает свет, как свет производится атомами и как он влияет на них. Рассмотрим совместно понятие о световых квантах и понятие квантовых состояний атомов. Мы нашли, что атом может находиться только в определенных квантовых состояниях с определенными энергиями, характерными для атомов каждого сорта. Следовательно, атом может получать или отдавать энергию только в количествах, соответствующих разностям энергии между квантовыми состояниями. Если атом поглощает или испускает свет, энергия этого света должна равняться одной из таких разностей. Следовательно, атом может поглощать или испускать свет, кванты которого имеют «правильную» величину, а именно величину, равную одной из разностей энергий между атомными состояниями.

Это свойство сразу же объясняет, почему атомы поглощают и испускают только свет с определенной, характерной для них частотой. Например, атом в основном состоянии может воспринимать свет, квант энергии которого как раз равен энергии, необходимой для перевода атома в одно из более высоких квантовых состояний. Атом может поглощать свет только тех частот, которым соответствуют эти кванты. То же относится и к испусканию света. Атом может испускать свет, только находясь в каком-либо состоянии выше основного, причем квант этого света должен соответствовать разности энергий между данным и более низким, состояниями. Атом может получать или отдавать только такие кванты, чтобы баланс энергии отвечал переходу в одно из квантовых состояний. Поэтому свет, поглощенный или испущенный атомом, должен иметь частоту, отвечающую разности двух характеристических значений энергии.

Рассмотрим в качестве примера атом натрия. В холодном газообразном натрии все его атомы находятся в основном, или невозбужденном, состоянии. Излучение не испускается. Газ прозрачен для света; он непрозрачен лишь для света, частота которого соответствует одному из квантов, способных перевести атом в возбужденное состояние. Например, согласно рис. 23, первое возбужденное состояние натрия на 2,1 эв выше основного. Следовательно, квант света с частотой ω, равной 2,1 эв/h = 5,2·1014, имеет требуемую величину, и такой свет будет поглощаться газообразным натрием. Это характерный желтый свет. Сообщим теперь газообразному натрию энергию, нагревая его или пропуская через него электрический разряд, как это делается в желтых натриевых лампах, применяемых для освещения некоторых шоссейных дорог. При этом часть атомов натрия перейдет в более высокое возбужденное квантовое состояние. Такие атомы могут теперь испускать свет. Атомы в первом из возбужденных квантовых состояний испускают тот же желтый свет, который поглощает холодный газ. Именно этот свет мы и видим в излучении натриевых ламп. Если температура газа или энергия разряда повышается, создаются все более высокие квантовые состояния и излучается свет, окрашенный несколькими цветами.

Весьма замечательно, что результаты опытов по излучению света великолепно согласуются с опытами Франка и Герца. Все без исключения частоты, испускаемые или поглощаемые атомами, соответствуют переходам из одного квантового состояния в другое.

Дополнительность корпускулярной и волновой картин

Вернемся теперь к самому основному вопросу: как электрон может быть одновременно и волной и частицей? Дать простое объяснение здесь очень трудно. Как показала неожиданная двойственная характеристика вещества, наши обычные представления о движении частиц не годятся для описания того, что происходит в мире атомов. В конце концов, эти понятия возникли в результате опыта человека, полученного при изучении видимых предметов, которые во много миллиардов раз больше атомных частиц.

Для того чтобы понять, что происходит в этом микромире, надо быть готовым оставить привычный способ мышления и заменить его новыми понятиями, навязанными нам природой.

Одна из черт классической физики, которую надо исследовать в связи с атомными явлениями, относится к их «делимости». Существует представление, что каждый физический процесс можно мысленно разложить на последовательность отдельных частных процессов. Согласно этому представлению, каждый процесс можно проследить шаг за шагом в пространстве и во времени, по крайней мере теоретически. Орбиту электрона вокруг ядра мы представляем себе как последовательность малых перемещений. Совместимо ли такое описание с тем, что на самом деле находится в атоме?

Согласно нашему обычному взгляду на вещи, электрон должен быть либо частицей, либо волной. Он не может быть одновременно и тем и другим. Внимательно следя за электроном вдоль всего его пути, мы должны решить этот вопрос и отнести электрон к одной или к другой категории. Вот здесь и возникает проблема делимости атомных явлений. Можно ли осуществить такую слежку? При этом возникают и технические трудности. Для того чтобы тщательно «рассмотреть» детали строения орбиты, следует применять свет с очень малыми длинами волн, ибо можно увидеть лишь такие объекты, размер которых значительно больше длины волны используемого для наблюдения света. Однако свет с такой малой длиной волны отвечает весьма большой частоте, т. е. очень большому кванту энергии. Действительно, у света с длиной волны порядка диаметра атомной орбиты квант энергии настолько велик, что его более чем достаточно, чтобы выбить электрон из атома. Попадая на электрон, он столкнет его с орбиты и разрушит самый объект нашего исследования.

Этот результат характерен не только для тех случаев, когда при исследовании электронных орбит применяется свет. В самом общем случае все результаты измерений, на основе которых должно быть вынесено решение о волновой или корпускулярной природе электрона (или протона, или любой другой частицы), обладают тем же свойством. Если произвести такое измерение, объект полностью изменит свое состояние вследствие самого этого действия, и полученный результат будет относиться не к исходному состоянию, а к тому, в котором оказался объект благодаря измерению. Однако это последнее состояние имеет столь большую энергию, что больше не проявляет волновых свойств.

Квантовая природа, или зернистость, света и всех других средств наблюдения не позволяет отличить волновую картину от корпускулярной. Она не дает возможности разделить орбиту на последовательность перемещений, независимо от того, идет ли речь о смещениях частиц или о волновых колебаниях. Если мы насильственно подразделим интересующий нас процесс и попытаемся посмотреть на волну более пристально, чтобы увидеть, где «на самом деле» находится электрон, то мы где-то обнаружим его как реальную частицу, но разрушим при этом неуловимую индивидуальность квантового состояния. Волновая его природа исчезнет, а с нею вместе исчезнут и характерные свойства атома. В конце концов, ведь именно эта волновая природа обусловливает типичные свойства квантовых состояний: простую форму, возвращение к первоначальной форме после возмущения и все другие специфические свойства атомов.

Утверждение о волновой природе электрона сделано на основании представления о неделимости квантовых состояний. Весьма важное новое понимание квантовой физики состоит в признании того, что индивидуальные квантовые состояния образуют неделимое целое, которое существует только до тех. пор, пока на него не воздействуют проникающие средства наблюдения. В своем квантовом состоянии электрон не является ни волной, ни частицей в старом понимании. Квантовое состояние — это форма существования предоставленного самому себе электрона в условиях, характеризующихся малой энергией. Он является некоторой определенной индивидуальностью, конфигурация которой отвечает волновому движению со всеми его особыми свойствами, распространяющимися на ограниченную область пространства. Любая попытка увидеть детали этой волны путем прямого наблюдения неизбежно разрушит ее, так как средства наблюдения сообщат системе столь большое количество энергии, что условие малости последней перестанет быть справедливым.

На данной стадии нашего обсуждения становится вполне естественным вывод, что предсказание атомных явлений иногда должно носить лишь вероятностный характер. В качестве примера этого положения попытаемся предсказать точное место, в которое должен попасть электрон после разрушения его квантового состояния под действием излучения большой энергии. Если квантовое состояние исследовалось тонким пучком света, то можно сказать, что электрон будет находиться где-то в области соответствующей ему волны, но нельзя точно предсказать его место. В таком случае можно делать только вероятностные предсказания, например, можно сказать, что с наибольшей вероятностью электрон будет находиться там, где соответствующая ему волна обладает наибольшей интенсивностью[38].

Квантовая механика дала нам неожиданный, но чудесный ответ на очень важный вопрос. С одной стороны, атомы суть малые частицы вещества; считается, что они неделимы и наделены всеми характерными свойствами вещества, частицами которого они являются. С другой стороны, атомы имеют какую-то определенную структуру; они состоят из электронов и ядер, которые обязательно должны совершать механические движения, похожие на движения, совершаемые планетами вокруг Солнца. Следовательно, трудно себе представить, чтобы атомы обладали указанными выше свойствами.

Ответ на этот вопрос был получен после открытия квантовых состояний, которые до известной степени удовлетворяют первому требованию. Волновые свойства наделяют атом свойствами тождественности, целостности и специфичности, но область, в которой сохраняются эти характеристики, ограничена. Только если атомы подвержены воздействию, меньшему некоего характеристического порога, они сохранят свою тождественность и свои специфические свойства. При более сильном воздействии они теряют свои типично квантовые свойства и их поведение становится нетипичным, а именно таким, какого следовало бы ожидать, исходя из механических свойств их внутренней структуры.

Квантовые состояния нельзя описать в рамках механической модели. Это новое состояние материи, отличное от того, которое дает нам опыт с крупными объектами. Оно обладает особым свойством ускользать от обычных наблюдений, так как подобные наблюдения обязательно изменяют условия существования квантовых состояний. Великий датский физик Нильс Бор, который сделал больше всех для разъяснения этих представлений, ввел для описания создавшейся ситуации специальный термин — дополнительность. Два описания атома — подобное волне квантовое состояние, с одной стороны, к планетарная модель, с другой, — являются дополнительными описаниями, причем каждое из них одинаково правильно, но применимо в различных условиях.

Квантовые состояния могут существовать только до тех пор, пока атом свободен от внешних воздействий или пока энергия этих воздействий меньше квантового порога. Тогда атом находится в состоянии, характерном только для него, и ведет себя, как неделимое целое. Так обстоит дело, когда наше вещество находится в нормальных условиях. Однако, если мы попытаемся рассмотреть детали квантового состояния при помощи какого-либо точного инструмента, мы обязательно сообщим атому слишком большое количество энергии. При этих условиях атомы ведут себя так, как если бы они находились при весьма высокой температуре, т. е. в виде плазмы. Тогда мы увидим, что электроны превратились в обычные частицы, движущиеся под действием силы притяжения ядра, без каких-либо квантовых явлений, в точности так, как можно было бы ожидать, имея дело с обычными «старомодными» частицами.

Атомные явления представляют нам действительность гораздо более богатой, чем мы привыкли видеть ее в классической, макроскопической физике. Волновые свойства квантовых состояний, неделимость таких состояний, тот факт, что мы не можем полностью описать атом при помощи привычных понятий и объектов, например частиц или классических волн, — со всем этим нам не приходится сталкиваться в макромире. Поэтому описание атома не может быть в такой же степени отделено от процесса его наблюдения, как и описание классическое. Мы можем описать атомную реальность, только честно сказав, что происходит, когда мы наблюдаем явление различными способами, хотя непосвященному может показаться невероятным, что один и тот же электрон ведет себя так различно, если его наблюдают в двух взаимно дополнительных ситуациях. Но эти свойства не делают электрон менее реальным, чем что-либо, наблюдаемое в природе. Квантовые состояния электрона — это основа реальности, которую мы видим вокруг себя.

ГЛАВА VI

ХИМИЯ

Химическая связь

В предыдущей главе мы рассмотрели строение атомов и показали, что волновая природа электронов наделяет атомы их типичными свойствами. Мы смотрели на каждый атом как на отдельную единицу, но не изучали вопроса о том, что происходит при сближении двух атомов. Однако мы знаем, что наименьшими единицами многих веществ служат не атомы, а молекулы, т. е. группы атомов, тесно связанных друг с другом. Если мы хотим понять строение материи, то нам надо узнать не только строение атома, но и причину соединения атомов в молекулы. Мы должны понять природу того, что называется химической связью, которая держит вместе атомы в молекуле, и познакомиться с некоторыми типичными молекулами и их свойствами.

До создания квантовой механики ученые полагали, что существует особая «химическая сила», ответственная за химическую связь. Эта сила должна была обладать совершенно особыми свойствами, так как некоторые атомы соединяются друг с другом очень хорошо, а другие совсем не соединяются. Например, если два атома водорода и один атом кислорода соединились, образовав одно целое, молекулу воды, то к ней уже нельзя присоединить добавочный атом. Молекула насыщена; химические силы как бы исчезли и не могут больше действовать на другие атомы.

Квантовая механика дала полное объяснение химическим явлениям. Здесь не действует никакая новая сила. Химическая связь между атомами возникает в результате взаимодействия электронных конфигураций различных атомов. Химическая связь возникает тогда, когда эти конфигурации хорошо подходят друг другу, как зубцы шестерни или куски разрезанной картины в головоломке. Конфигурации смешиваются и переплетаются, когда атомы приведены в соприкосновение, и в результате появляются новые конфигурации.

Одни атомные конфигурации очень хорошо подходят друг другу, другие — не так хорошо. Химическая связь очень сильно зависит от рода соединяющихся атомов. Иногда атомы подходят друг к другу так хорошо, что при их сближении возникает одна крупная округлая единица, напоминающая первую картину на рис. 28, но только несколько большая и более компактная.

Рис. 28. Два атома водорода, каждый с простейшей электронной конфигурацией (см. фото V), образует молекулу водорода, в которой обе электронные конфигурации сливаются в одну эллиптическую. Точки в центре — ядра водорода.

В этих случаях образуется насыщенная молекула, не присоединяющая других атомов. Насыщенная молекула напоминает сложенную из кусков картину-головоломку, все части которой находятся на своих местах и где нет места еще каким-то кусочкам.

Так как это происходит от соединения и смешивания электронных волновых картин, химическая связь в своей основе имеет электрическую природу. Ее прочность обусловлена квантовой устойчивостью совокупной электронно-волновой картины образовавшейся молекулы. Рассмотрение различных конфигураций, показанных на фото V, позволяет легко понять, что существуют многочисленные способы соединения и переплетения электронных конфигураций. Вследствие этого мы ожидаем, что есть множество химических соединений разных типов.

Молекулы

Рассмотрим несколько специальных примеров. Среди многих способов, которыми соединяются атомы друг с другом, можно выделить связи двух важнейших типов. Один из них — связь типа «электронные близнецы», другой — типа «затычка и дыра»[39]. Характерный пример связи первого типа — связь в самой простой молекуле — молекуле водорода Н₂, состоящей всего из двух атомов водорода. Здесь две электронные картины, по одной от каждого атома, сливаются в одну новую картину, в результате чего сами атомы соединяются (см. рис. 28). Это слияние как будто противоречит принципу Паули, согласно которому каждую данную конфигурацию может принять только один электрон. На самом же деле противоречия нет; электрон обладает еще одним интересным свойством, о котором мы упомянем здесь только мимоходом: он вращается вокруг собственной оси. Это вращение называется электронным спином. Далее, здесь возможны только два вида вращения — вправо и влево вокруг данной оси. Поэтому каждую электронную картину надо считать дважды, потому что ее может принимать электрон, вращающийся как в одну, так и в другую сторону. Следовательно, два электрона могут принимать одну и ту же конфигурацию, только если они вращаются в противоположных направлениях. Вот почему электронный спин совместно с принципом Паули играет столь важную роль: две и только две электронные конфигурации могут слиться в одну общую. Молекула водорода может состоять только из двух атомов, но не из трех. Химическая связь становится насыщенной при наличии двух электронов на одной орбите.

Характерным примером связи типа «затычка и дыра» служит связь в молекуле воды Н₂O, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атом кислорода имеет 8 электронов. Но оказывается, что 10 электронов, обращающихся вокруг ядра, образуют очень компактную и округлую совокупность. Элемент неон, имеющий 10 электронов, химически очень неактивен и не образует никаких молекул, но в атоме кислорода до этой компактной конфигурации не хватает двух электронов. Поэтому ансамбль из 8 электронов можно описать как компактную округлую конфигурацию с двумя дырками в ней. Форма дырки определена, она отвечает конфигурации недостающего электрона. В случае кислорода дырки простираются от поверхности конфигурации до ее центра и расположены под прямым углом одна к другой (рис. 29, а).

Рис. 29. Атом кислорода (а) и молекула воды (б). электронная конфигурация кислорода имеет две дырки, простирающиеся от ее поверхности до ядра и расположенные под прямым углом. В молекуле воды дырки в кислородном атоме «затыкаются» электронами водорода. Ядра водорода заключены внутри электронных конфигураций водорода (маленькие черные кружки — ядра водорода, большой черный кружок — ядро кислорода).

Теперь мы можем понять строение молекулы воды. Электроны водородных атомов попадают в эти две дырки, атомы водорода служат затычками. Поэтому линии, соединяющие центр атома кислорода с водородными атомами, должны были бы составлять угол 90°. Положительные заряды протонов водородных атомов слегка отталкивают друг друга, что увеличивает этот угол до 108° (рис. 29, б). Это типичная связь типа «затычка и дыра».

Другим интересным примером атома, образующего молекулы, служит атом азота. Он имеет 7 электронов, из которых 4 составляют компактную сферическую конфигурацию вокруг ядра; остальные 3 электрона образуют конфигурации с тремя выступами в трех взаимно перпендикулярных направлениях, например: вверх, вперед и вбок (рис. 30, а).

Рис. 30. Атом азота (а) и молекула аммиака (б). В атоме азота мы имеем три электронных выступа, направленных вдоль стрелок под прямыми углами друг к другу. В молекуле аммиака каждый электронный выступ азота сливается с электроном водорода и образует связь типа «электронные близнецы». Густо заштрихованный треугольник — ядро азота; маленькие черные кружки — ядра водорода.

Эта картина позволяет легко понять строение важной молекулы аммиака NH₃, в которой три водородных атома дают три связи типа «электронных близнецов», по одной с каждым выступом. Электроны водородных атомов сливаются с электронами выступов, и получается структура, изображенная на рис. 30, б, где ядра водорода сидят на кончиках выступов азота.

Атом углерода особенно приспособлен к образованию молекул. Он имеет шесть электронов, расположенных следующим образом: два электрона находятся близко от ядра и образуют маленькую округлую конфигурацию, остальные четыре могут располагаться симметричным образом, причем каждый дает радиальный выступ, направленный от центра; концы этих выступов расположены по углам правильного тетраэдра (рис. 31, а).

Рис. 31. Атом углерода с четырьмя электронными выступами, направленными по углам правильного тетраэдра (а), молекула метана СН₄ (б) и ее схематическое представление (в). Каждый электронный выступ углеродного атома сливается с электроном водорода и образует связь типа «электронные близнецы». Темный квадрат — ядро углерода, маленькие кружки — ядра водорода. Направления связей «близнецы» показаны на (в) отрезками прямых.

Полученная картина позволяет нам понять расположение атомов в молекуле метана СН₄, состоящей из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Метан является главной составляющей светильного газа. Электроны водородных атомов сливаются с четырьмя выступами в связи типа «близнецы», образуя структуру с ядром углерода в центре и четырьмя протонами по углам тетраэдра (рис. 31, б).

Другая важная молекула, в которую входит углерод, — это двуокись углерода, состоящая из одного атома углерода и двух атомов кислорода. Здесь все четыре выступа слегка изогнуты; два входят в качестве «затычек» в один атом кислорода, остальные два — в другой. В результате получается вытянутая структура из одного углеродного атома и двух кислородных по бокам (рис. 32).

Рис. 32. Молекула двуокиси углерода СO₂. Четыре выступа углерода «затыкают» дырки в кислородных атомах. На схеме связи типа «дыра и затычка» показаны волнистыми линиями.

Углеродный атом со своими четырьмя выступами может давать нескончаемый ряд молекул. Это объясняет, почему на Земле так широко распространены соединения углерода и почему они играют столь важную роль в живой материи. Рассмотрим некоторые соединения углерода. Простейшее из них — метан (рис. 33) с одним водородом на каждом выступе.

Рис. 33. Схематические изображения молекул углеводородов. Квадратики — атомы углерода, маленькие кружки— атомы водорода, прямые соединительные линии — связи типа «электронные близнецы».

Можно построить и молекулу из двух атомов углерода и шести атомов водорода. Здесь все связи типа «близнецы». Эта молекула называется этаном. Тот же принцип построения можно продолжить (см. рис. 33), и мы получим ряд молекул, называемых углеводородами: пропан с тремя атомами углерода, бутан с четырьмя и т. д. Эта структура, подобная цепи, может иметь любую длину. Короткие молекулы — это газы, более длинные — жидкости и очень длинные — твердые тела. Они служат горючим в виде газа, нефти или парафина, и мы увидим далее, почему они здесь хороши. Углеводородные цепи очень важны и для нашего питания, если они оканчиваются характерной группировкой атомов, называемой карбоксильной группой (рис. 34).

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.