Уникальным является углерод. Его атомы способны объединяться друг с другом и образовывать цепочки. Можно сказать, что органическая химия является химией углерода. Если к углероду добавить его соединения с водородом, то получается практически вся органическая химия. Да, собственно, деление химии на органическую и неорганическую весьма условно и не всегда целесообразно. Правда, с точки зрения решения проблемы жизни на Земле такое деление себя оправдывает.
К проблеме жизни причастна органическая химия. Суть органической химии начинают изучать с парафинового ряда углеводородов. Это СН4, С2Н6, С4Н10… СnH2n+2. Записанные формулы изображают в следующем виде:
Бутан и изобутан имеют одинаковую формулу С4Н10. Они отличаются только пространственным расположением атомов в молекуле и своими свойствами. Свойства их настолько разнятся, что их можно считать разными веществами. Их называют изомерами.
Что касается парафинов, то это простейшие углеводороды. Это соединения с цепным строением. В них повторяется группа атомов Н с двумя свободными валентностями, которые способны образовывать связи.
Пропан С3Н8 может быть записан как сумма Н + СН2 + СН2 + СН2 + Н. Этан С2Н6 образуется при полимеризации двух метиловых групп СН3. Каждая из этих групп имеет одну свободную валентность.
Другие углеводороды и органические соединения можно получить из парафинов. Для этого надо Н и СН2 заменить другими атомами или их группами (их радикалами). Кроме того, надо осуществить структурную перестройку. Углерод кроме цепочки может образовывать кольца. Это мы наблюдали в циклических углеводородах. Одним из циклических углеводородов является бензол:
Здесь две черточки означают двойную связь.
В органических соединениях бензольные кольца появляются в разных комбинациях и с разными замещениями. Собственно, сами углеводороды обычно не присутствуют в живых тканях. Они появляются главным образом в продуктах распада живых тканей. Да и для синтеза углеводородов биологические процессы не нужны, а точнее, не являются обязательными. Так, углеводороды образуются, например, при вулканической деятельности. Но, тем не менее, углеводороды являются тем стержнем, вокруг которого построено вещество жизни. Можно сказать, что жизнь начинается с углеводов, в которых углерод входит в соединение с составными частями молекулы воды, то есть с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода.
Химия — наука о растворах, и прежде всего о водных растворах. В идеальном растворе вещество распределено в виде отдельных молекул. Исключение составляют коллоидные растворы. В них растворенное вещество взвешено в виде частичек вещества. Эти частички настолько малы, что способны реагировать на удары отдельных молекул. Именно удары отдельных молекул и поддерживают частички вещества во взвешенном состоянии. Эти взвешенные частицы можно отфильтровать фильтром из пергамента или с помощью другой диалитической мембраны. Кроме коллоидных растворов имеются и суспензии. Но в суспензиях частички вещества побольше, поэтому они оседают под действием силы тяжести. Удары молекул не в состоянии предотвратить этот процесс.
Вода как растворитель образует ионные растворы. В них молекулы растворенного вещества расщеплены на электрически заряженные группы атомов или на ионы. Ион — это атом, у которого есть электрический заряд. Если у атома не хватает одного или больше орбитальных электронов, то он заряжен положительно, то есть является положительным ионом. Если же у атома имеется лишний орбитальный электрон, то он заряжен отрицательно, то есть является отрицательным ионом. Положительно заряженный атом еще называют катионом, а отрицательно заряженный — анионом. Отсюда происходят «катод» и «анод». Как это ни парадоксально звучит, но вода растворяется сама в себе, поскольку часть молекул воды диссоциирует (расщепляется) на две части — положительно заряженный ион Н+ и отрицательно заряженный ион НО—. Н+ — это протон, то есть ядро обычного водорода. Это ядро потеряло свой орбитальный электрон, поскольку он «прилип» к молекуле ОН, которая стала отрицательно заряженной. ОН— еще называют гидроксилом.
После того как молекулы воды разорвались на ионы, она стала более активной. Ведь электрически заряженные частицы более активны, чем нейтральные.
Если вещество, растворяясь в воде, образует положительный ион Н+, то есть протон, то это вещество называют кислотой. То вещество, которое при растворении в воде образует отрицательно заряженный гидроксил ОН—, называют основанием. Поскольку вода дает и то, и другое, то она одновременно является и кислотой, и основанием. Правда, вода — это кислота очень сильная и одновременно очень слабое основание. А в целом плюс компенсирует минус, поэтому вода в целом остается нейтральной. Но, тем не менее, она проявляет свои свойства кислоты и свойства основания в том, что способна расщеплять молекулы некоторых соединений путем гидролиза. При этом вода действует в валентном отношении двойственно: по отношению к одной группе атомов в соединении вода действует как кислота, а по отношению к другой группе атомов в соединении — как основание.
Что значит сильная или слабая кислота? Сила кислоты или основания определяется количеством положительных и отрицательных ионов. Именно ионы делают кислоты едкими. В водном растворе молекулы серной кислоты Н2SО4 диссоциируют (расщепляются) на положительные ионы Н+ (протоны) и отрицательно заряженные ионы SО42–. Этот ион имеет двойной отрицательный заряд. Основание NaOH в водном растворе образует положительный ион Na+ и отрицательный ион ОН—.
Вполне логично, что кислота и основание при смешении энергично взаимодействуют. При этом положительные и отрицательные ионы нейтрализуют свои электрические заряды. Если взаимодействуют соляная кислота и основание NaOH, то образуются сульфат натрия и вода. Сульфат натрия — это соль.
Когда же соль растворяется в воде, то молекулы соли диссоциируют с образованием ионов на составляющие ее части. Эти части не являются характерными ионами растворителя. Они образуют проводящий электричество раствор, который называют электролитом. Среди органических соединений также имеются кислоты и основания, которые могут реагировать друг с другом или с иными кислотами и основаниями. При этом образуются соли. Важную роль для жизни играет спирт. Это своего рода органическое основание. Если спирт взаимодействует с органической кислотой, то образуется мыльное вещество, которое называют сложным эфиром. Так же и альдегиды характеризуются концевой группой СОН, а органические кислоты — СООН. Если же в углеводороде половина атомов замещена гидроксильными группами ОН с потерей молекулы воды, то образуется углерод.
Что касается углеводов, то они представляют собой соединения углерода и воды. Сюда входят и сахара, и крахмалы. Углеводы — это основа жизни. Из них образуются многие другие органические соединения. Но живые организмы используют в качестве основного сырья не углеводороды, а углекислый газ и воду.
Теперь рассмотрим непосредственно химические процессы и соединения, которые лежат в основе жизни.
Жизнь — это расход энергии. А раз есть расход, то должно быть и поступление энергии. Как оно осуществляется? Некоторые сообщества живых организмов могут синтезировать органические вещества непосредственно из неорганических, которые они извлекают из окружающей среды. Такие организмы называются автотрофами, то есть они сами (авто) усваивают энергию окружающей среды. Гетеротрофы — это такие организмы, которые не могут добывать себе энергию сами из окружающей среды. Хотя они и поглощают из окружающей среды кислород, соли, воду и др., но этим они не решают энергетической проблемы своего существования. Поэтому они вынуждены пользоваться для построения своих тканей органическими веществами, которые приготовили автотрофы. Эти вещества при усвоении частично разрушаются и химически перестраиваются. Это необходимо для того, чтобы удовлетворить потребности гетеротрофного организма. Непригодные продукты выбрасываются. Весь этот процесс в целом называется обменом веществ, или метаболизмом.
