Какие химические соединения содержатся в живых организмах

Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические, а также находятся в свободном состоянии — в виде ионов. Все 94 элемента естественного происхождения имеют разное число протонов, расположение и количество электронов. Когда в XIX в. Дмитрий Менделеев выстроил их в таблицу согласно номерам, он открыл одну из величайших закономерностей естествознания: элементы демонстрируют химические свойства, которые по повторяемости можно объединить в 8 групп. Эта закономерная картина дала таблице своё название: Периодическая таблица химических элементов.

Периодическая таблица отображает химические элементы согласно атомному номеру и их свойству

Периодичность элементов, найденная Менделеевым, основана на взаимодействии электронов разных атомов на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, и их контакты являются основой химических реакций. Для большинства атомов, важных для жизни, внешний энергетический уровень может содержать не более 8 электронов. Химическое поведение элемента зависит от того, сколько из его восьми позиций заполнено.

Строение атома лития
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Таким образом, Периодическая таблица Менделеева демонстрирует правило октета, или правило восьми (лат. Octo – «восемь»): атомы стремятся полностью восстановить свои внешние энергетические уровни, дополнить количество электронов на них до 8.

Химические элементы в составе живых организмов

Отгадайте,  о составе какого объекта идёт речь?

• 43 кг кислорода,
• 18 кг углерода,
• 7 кг водорода,
• 1,8 кг азота,
• 0,780 кг фосфора,
• 0,0042 кг железа
• и ещё около 20 химических элементов.

Это состав человека среднего размера и веса. В отличие от неживой природы в живых существах химические элементы организованы в клетки.

Химический состав:
1 — земной коры,
2 — живых организмов

В земной коре преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. В основе живых организмов находятся 4 элемента: кислород, углерод, водород, азот. Все элементы кроме кислорода, преобладающие в живых организмах, составляют незначительную долю массы земной коры.

Основные химические элементы в живых организмах — это:

• углерод – C,
• водород – H,
• кислород – O,
• азот – N,
• фосфор – P,
• сера – S,
• натрий – Na,
• калий – K,
• кальций – Ca,
• магний – Mg,
• железо – Fe,
• хлор – Cl.

Их доля в живых организмах может составлять 0,01% и выше. Все они имеют атомные номера меньше 21, так как их атомная масса низка. Первые 4 элемента: углерод, водород, кислород и азот составляют 96,3% массы любого организма.

Большинство молекул (кроме воды), из которых состоит наше тело, представляют собой соединения углерода, называемые органическими веществами. Органические вещества в основном и состоят из этих первых четырёх макроэлементов, чем и объясняется их распространённость в живых системах.

Некоторые микроэлементы, такие как цинк (Zn) и йод (I), хотя и присутствуют в крошечных количествах, играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Дефицит йода, например, может привести к увеличению щитовидной железы, образованию так называемого зоба.

Таб.2. Роль химических элементов в клетке

Таб. 3. Основные ионы в клетках

Как соединяются химические элементы в живых организмах?

Группа атомов, удерживаемых энергией в устойчивой ассоциации, называется молекулой или кристаллом. При изучении веществ в живых организмах нам будут встречаться следующие типы химических связей:

• ионные – когда притягиваются атомы с противоположными зарядами;
• ковалентные – характеризующиеся обобщением (перекрытием) в облако пары валентных электронов от разных атомов;
• водородные – связи между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.

Ионные связи образуют кристаллы

В обычной поваренной соли – хлориде натрия (NaCl) – атомы удерживаются ионными связями, образуя решётку. Натрий имеет 11 электронов: 2 во внутреннем энергетическом уровне (К), 8 на уровне L и 1 на внешнем уровне М (валентность). Одиночный неспаренный валентный электрон имеет тенденцию к соединению с другим непарным электроном в другом атоме.

Стабильная конфигурация достигается за счёт потери электрона одним атомом и приобретения его другим. Натрий, теряя электрон, становится положительно заряженным ионом – катионом (Na+).

Минеральные соли в клетке накапливаются в виде кристаллов.

У атома хлора 17 электронов: 2 в уровне К, 8 в уровне L и 7 на М-уровне. Одна из орбиталей на внешнем энергетическом уровне содержит неспаренный электрон. Добавление электрона от другого атома превращает атом хлора в отрицательно заряженный хлорид-ион (Cl-). Так как противоположные заряды притягиваются, натрий и хлор остаются связанными нейтральным ионным соединением.

Кристаллическая решётка хлорида натрия. Голубой цвет = Na+ Зелёный цвет = Cl−
Автор: H Padleckas

Если кристаллическую решётку соли поместить в воду, электрическое притяжение молекул воды разрушает силы, удерживающие ионные связи. Раствор соли в воде представляет собой смесь свободных катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl-).

Так как живые системы всегда содержат воду, то ионы для них важнее кристаллов. Многие химические элементы в живых организмах находятся в виде ионов. Необходимые в клеточных системах ионы – это:

• Ca2+, обеспечивающий передачу клеточных сигналов;
• K + и Na +, участвующие в проведении нервных импульсов.

Если совместить металлический натрий и газообразный хлор, реакция образования хлорида натрия будет экзотермической – быстрой и с выделением тепла.

Ковалентные связи соединяют химические элементы в живых организмах и создают стабильные молекулы

Ковалентные связи образуются, когда два атома делят одну или несколько пар валентных электронов. В качестве примера рассмотрим газообразный водород (H2). Каждый атом водорода имеет неспаренный электрон, а значит и незаполненный внешний уровень. По этой причине атом водорода нестабилен. Когда два атома водорода образуют тесную связь, оба валентных электрона притягиваются к их ядрам. Они как бы делят между собой электроны, в результате чего получается двухатомная молекула газообразного водорода.

Ковалентная связь, формирующая молекулу водорода H2 (справа), где два атома водорода перекрывают два электрона
Автор: Jacek FH, CC BY-SA 3.0

Молекула, образованная двумя атомами водорода, стабильна по трём причинам:

1. Она нейтральна, так как содержит 2 протона и 2 электрона.
2. Правило октета в ней выполнено. Каждый общий электрон атомов вращается вокруг обоих ядер.
3. У них нет неспаренных электронов.

Многие химические элементы в живых организмах образуют ковалентные связи.

Прочность ковалентных связей

Прочность ковалентных связей зависит от количества их общих электронов. В прошлом пункте мы рассматривали одинарную связь, двойная же связь объединяет 2 пары электронов, она более крепкая. Чтобы разорвать её, требуется больше энергии. Самые сильные ковалентные связи – тройные, такие которые объединяют два атома  в молекулу газообразного азота (N2).

Ковалентные связи в химических формулах показывают линиями. Каждая линия между атомами представляет собой совместное использование одной пары электронов. Структурная формула газообразного водорода H–H, кислорода O=O, а их молекулярные формулы H2 и O2. Структурный характер формулы для N2 N ≡ N.

Молекулы с несколькими ковалентными связями

Модель атома углерода
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Полярные и неполярные ковалентные связи

Атомы отличаются количеством электронов, это свойство называется электроотрицательностью. В строке Периодической таблицы она увеличивается вправо и уменьшается книзу колонки, то есть элементы в правом верхнем углу имеют наиболее высокую электроотрицательность.

Для связи между двумя идентичными атомами, например между двумя атомами водорода или кислорода, электроны делятся поровну. Области их соединения называются неполярными. Таковы, например, молекулы Н2, О2.

При соединении значительно отличающихся по электроотрицательности атомов электроны не делятся поровну. Общие электроны, скорее всего, будут ближе к атому с большей отрицательностью, и хотя получившаяся молекула будет электрически нейтральной, заряд в ней распределится неравномерно. Неравномерность заряда приводит к областям частичной отрицательности (в районе наиболее отрицательного атома) и положительного заряда вблизи наименее отрицательного атома. Такие связи называются полярными ковалентными, а молекулы – полярными.

На схемах с изображением полярных молекул эти частичные заряды обозначаются греческой буквой Дельта (δ). Интересно, что хотя С и Н немного отличаются по электроотрицательности, связь между ними неполярна. Н2О – полярная молекула, электроны в ней концентрируются около ядра атома кислорода. О воде мы будем говорить более подробно в следующем уроке.

Химические реакции взаимосвязаны и обратимы

Процессы образования и разрыва связей между атомами называются химическими реакциями. Все химические реакции обозначают перенос атома от одной молекулы в другое соединение, без каких-либо изменений в количестве или идентичности атомов. Для удобства оригинал молекул до начала реакции называют реагентом, а молекулы, образующиеся в результате реакции – продуктами. Например:

6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2, где 6H2O + 6CO2 – реагент, а C6H12O6 + 6O2– продукт. Это упрощённая формула реакции фотосинтеза, где вода и углекислый газ, вступая в реакцию, образуют молекулы глюкозы и кислорода.

Все химические реакции происходят под влиянием трёх факторов.

1. Температура. Нагрев реагентов увеличивает скорость реакции, потому что атомы при этом двигаются быстрее и сталкиваются друг с другом чаще. Но необходимо позаботиться о том, чтобы температура не поднялась слишком высоко и не разрушила молекулы.
2. Концентрация реагентов и продуктов. Реакции проходят быстрее, когда из-за более частых столкновений доступно больше реагентов. Накопление продуктов замедляет реакцию, а в обратимой реакции может привести к возвращению к исходным веществам.
3. Катализаторы. Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость реакции. Он не изменяет соотношения между реагентом и продуктом, а сокращает время их изменения. В живых системах почти во всех реакциях катализаторами служат белки энзимы (ферменты).

Многие реакции в природе обратимы. Это значит, что продукты могут снова стать реагентами, а реагенты – продуктами. Соответственно, мы можем записать предыдущую формулу в обратном порядке:

C6H12O6 + 6O2→ 6H2O + 6CO2                     

Эта упрощённый вариант окисления глюкозы, протекающего во время клеточного дыхания, когда глюкоза расщепляется на воду и углекислый газ в присутствии кислорода. Почти все живые организмы осуществляют разные формы окисления глюкозы.

Организмы – накопители химических элементов

Организмы, способные накапливать в своём теле один или несколько химических элементов называют концентраторами. Если элемент составляет 10% от веса их тела или от атомной массы, тогда они относятся к данной группе.