БАРВИ ЖИВИЙ ПРИРОДИ
Лікар-окуліст радить своїм пацієнтам їсти побільше моркви. Це, мовляв, зміцнює зір. На чому заснована рекомендація лікаря?
У моркві міститься багато каротину. Половина його молекули - це молекула ретиналя, що входить складовою частиною в молекулу родопсину - речовини візуально-ного пурпура, сприймає сонячне світло.
Сприйняття світла - процес досить складний. Але починається він з такого елементарного акту: квант світла поглинається молекулою ретиналю; при цьому один з її електронів переходить зі свого основного енергетичного рівня на вищерозміщений. Подібні акти поглинання дають початок формуванню нервових імпульсів, які надходять в зорові центри мозку.
Треба сказати, що запустити весь цей механізм здатні кванти лише тих променів, частоти яких лежать в діапазоні від 4,3 1 (І до 7,5 "1014 герц-діапазоні видимого світла. Більшість органічних сполук - скажімо, білки або вуглеводи - поглинають кванти набагато більшою частоти, а до видимого світла не чутливі. цей факт має дуже наочне підтвердження: білок курячого яйця або такий відомий вуглевод, як цукор, - все це речовини, які не мають забарвлення. Якби вони поглинали хоч якісь промені з видимого спектру , то інші промені дали б колір, додатковий до поглинутим. Скажімо, якщо речовина поглинає червоні і жовті промені, то інші, тобто зелені і сині, надають йому бірюзову забарвлення.
Отже, якщо речовина забарвлене, то це свідчить, що воно поглинає ті чи інші видимі промені. І якщо в забарвлених речовинах виділити сполуки, що зумовлюють забарвлення, то, порівнюючи ці з'єднань ми наблизимося до пояснення механізму зорового сприйняття.
Щоб не ходити далеко за прикладами, візьмемо помаранчеву морква, зелений лист салату і червону кров. Моркви надає фарбу вже знайомий нам каротин, зеленому листу - хлорофіл, а крові - гем - складова частина гемоглобіну. Основу двох останніх з'єднань становить так зване порфириновой кільце, тільки в хлорофілі в нього вправлений атом магнію, а в геме - атом заліза.
Порівняємо каротин і порфириновой кільце. Впадає в очі велика кількість чергуються одиничних і подвійних зв'язків. Хіміки називають такі зв'язки сполученими. Вони надають всім названим речовин здатність поглинати промені видимого світла.
Тепер - трохи історії, кілька слів про те, як німецький хімік Ф. Кекуле відкрив будову молекули бензолу. Давно вже було відомо, що складена вона шістьма атомами вуглецю і шістьма водню, але нікому не вдавалося скласти структурну формулу бензолу, з'єднати всі ці дванадцять атомів в ланцюжок так, щоб з кожного атома вуглецю виходило чотири валентних зв'язку, а з кожного атома водню - одна .
І ось одного разу, коли Кекуле гостював у Лондоні ... Втім, надамо слово йому самому. "Прекрасним літнім вечором я їхав останнім омнібусом по пустельних в цей час вулицями міста. Я занурився в мрії. Перед моїми очима рухалися атоми. Я завжди бачив їх в русі, ці маленькі істоти, не мені ніколи не вдавалося розпізнати характер їх руху. А в того дня я побачив, як два маленьких істоти з'єдналися в пари, великі обіймали двох менших, ще більші утримували три і навіть чотири маленьких, і все це крутилося в круговому вихорі. я бачив, як великі утворювали ряди і тільки на кінцях ланцюга тягли найменших ... Вдома я провів півночі, зображуючи на папері ескізи цих фантастичних картин ".
Зрештою Кекуле зрозумів, що ланцюжок вуглецевих атомів, що складають молекулу бензолу, повинна бути замкнутої. Зв'язки між атомами бензолу при цьому виявилися сполученими.
Вдала знахідка Кекуле, вирішивши головоломну проблему, поставила і нові певні запитання. Якщо в молекулі бензолу два сусідніх атома водню замістити атомами хлору, то мислимі два різних варіанти заміщення, коли заміщають атоми розділені одиничної або подвійним зв'язком.
Такі речовини мають відрізнятися якимись властивостями. Однак ні в яких дослідах ніякі відмінності не виявлялися. І тоді німецький хімік І. Тіле висловив припущення, що всі зв'язки між атомами вуглецю в бензольному кільці абсолютно однакові. Відповідно до такої гіпотезою структурну формулу бензолу Тіле запропонував малювати по-своєму.
Коли була створена електронна теорія хімічного зв'язку, де кожна зв'язок між атомами трактувалася як загальна для них пара електронів, гіпотеза Тіле отримала більш виразну формулювання: з дев'яти пар електронів, що пов'язують шість вуглецевих атомів в бензольне кільце, три в равней ступеня належать всім учасникам шістки.
Ця історія охоплює проміжок часу тривалістю в сорок років: від 1865 року, коли Кекуле запропонував структурну формулу для бензолу, до 1916 року, коли американський фізик Д. Льюїс завершив свою електронну теорію хімічного зв'язку. В останні з цих сорока років вже бурхливо розвинулася квантова теорія, на позиції якої нам і слід перейти в своїх міркуваннях, щоб остаточно прояснити роль сполучених зв'язків в процесах поглинання світла.
У 1913 році Н. Бор запропонував свою планетарну модель атома: електрони обертаються навколо ядра по замкнутих орбітах на зразок того, як планети обертаються навколо Сонця. У 1926 році Е. Шредінгер вивів рівняння, що описує поведінку мікрочастинок в потенційному полі. Коли на основі цього рівняння досліджувався рух електрона * в кулонівському полі атомного ядра, рішення виявилися несподіваними: вони описують не орбіти, які не лінійні траєкторії, а ймовірності знаходження електрона в тій чи іншій точці простору.
Коли ці уявлення стали поширюватися від атомів на молекули, то з'ясувалося, що області найбільш ймовірного розташування електронів, що належать хімічно зв'язаним атомам, перекриваються. Виходило, що в ділянці перекривання могли опинитися електрони від обох атомів, і, таким чином, кожен з цих електронів міг перебратися в "зону проживання" сусіда. Обидва електрона, стало бути, ставали загальними для пов'язаних атомів.
У разі одиничної хімічного зв'язку зона перекривання виявлялася на осі, що з'єднує атоми (сигма-зв'язок), в разі подвійного зв'язку додаткова зона перекривання мала більш складний вид, пояснює наступним малюнком (пі-зв'язок).
Коли з такої точки зору досліджувалися ланцюжка атомів вуглецю, з'єднаних сполученими зв'язками, то виявилося, що "зони проживання" електронів у всіх сусідніх атомів об'єднуються, а пі-електрони завдяки цьому можуть вільно переміщатися уздовж ланцюжка, стають загальними для всіх її атомів, утворюють єдину систему. Від кожної ланки ланцюжка сполучених зв'язків в утворюється електронний колектив входить по парі пі-електронів.
Сформульовані на той час правила квантової механіки диктували такому колективу електронів строгий порядок поведінки. Кожна мікрочастинка - зокрема, електрон - є також і вільний.
Довжини цих хвиль повинні бути такими, щоб на протязі ланцюжка сполучених зв'язків вкладалося ціле число півхвиль. Для електронів справедливо ще й таке правило квантової механіки, зване принципом Паулі: в кожному СТАНІ, яким вони можуть володіти, знаходиться не більше двох електронів системи (що мають при цьому протилежно спрямовані спини). І ще - вже знайома нам формула де Бройля: імпульс частинки (твір її маси на швидкість) і довжина відповідної хвилі обернено пропорційні один одному, причому коефіцієнтом пропорційності служить постійна Планка h. Чим більше довжина хвилі, тим менше швидкість частинки. Висловимо сказане схемою, де висоти горизонтальних ліній - це швидкості електронів, від меншої до великих, а всього ліній стільки, скільки ланок у ланцюзі зв'язків: від кожної ланки по парі
Видно, що значення швидкості наростають за принципом арифметичної прогресії і що її найвище значення не залежить від довжини ланцюжка,
Енергія частинки - величина, пропорційна квадрату її швидкості. З урахуванням цього співвідношення неважко показати на подальшу схему енергетичні рівні, на яких розташовуються пі-електрони в системі сполучених зв'язків. Видно, що зі збільшенням числа ланок рівні зближуються. Все ближче стає і від найвищого рівня до того, на який переходить електрон, поглинаючи квант світла. Любитель математичних викладок без праці доведе, що це відстань зменшується обернено пропорційно числу ланок ланцюжка.
Якщо в ланцюжку всього лише два-три ланки, то висота переходу велика і долається за рахунок поглинання кванта ультрафіолетового випромінювання, має занадто короткі хвилі порівняно з видимими променями і тому не сприймається зором. Але чим більше сполучених зв'язків в ланцюжку атомів вуглецю, тим довше хвилі світла, нею поглинається. Досить довгий ланцюжок, очевидно, здатна сприйняти і сонячні промені. І це дійсно так: каротин (11 ланок в ланцюжку сполучених зв'язків) поглинає зелені і сині промені, а тому має помаранчевий колір; порфириновой кільце (також 11 ланок) з атомом заліза в центрі поглинає зелені промені і тим самим визначає червоне забарвлення крові; що ж стосується хлорофілу, де в порфириновой кільце вправлений атом магнію, то тут спектр поглинання іншої, так що і забарвлення у хлорофілу інша - зелена ...
Ось де розгадка помаранчевої моркви, зеленого листя, червоної крові! Принципи квантової механіки дають просте і суворе тлумачення фарбам живої природи.
Попередню фразу можна прочитати і навпаки: фарби живої природи служать наочним і повсякденним втіленням принципів квантової механіки.
Лікар-окуліст радить своїм пацієнтам їсти побільше моркви. Це, мовляв, зміцнює зір. На чому заснована рекомендація лікаря?
У моркві міститься багато каротину. Половина його молекули - це молекула ретиналя, що входить складовою частиною в молекулу родопсину - речовини візуально-ного пурпура, сприймає сонячне світло.
Сприйняття світла - процес досить складний. Але починається він з такого елементарного акту: квант світла поглинається молекулою ретиналю; при цьому один з її електронів переходить зі свого основного енергетичного рівня на вищерозміщений. Подібні акти поглинання дають початок формуванню нервових імпульсів, які надходять в зорові центри мозку.
Треба сказати, що запустити весь цей механізм здатні кванти лише тих променів, частоти яких лежать в діапазоні від 4,3 1 (І до 7,5 "1014 герц-діапазоні видимого світла. Більшість органічних сполук - скажімо, білки або вуглеводи - поглинають кванти набагато більшою частоти, а до видимого світла не чутливі. цей факт має дуже наочне підтвердження: білок курячого яйця або такий відомий вуглевод, як цукор, - все це речовини, які не мають забарвлення. Якби вони поглинали хоч якісь промені з видимого спектру , то інші промені дали б колір, додатковий до поглинутим. Скажімо, якщо речовина поглинає червоні і жовті промені, то інші, тобто зелені і сині, надають йому бірюзову забарвлення.
Отже, якщо речовина забарвлене, то це свідчить, що воно поглинає ті чи інші видимі промені. І якщо в забарвлених речовинах виділити сполуки, що зумовлюють забарвлення, то, порівнюючи ці з'єднань ми наблизимося до пояснення механізму зорового сприйняття.
Щоб не ходити далеко за прикладами, візьмемо помаранчеву морква, зелений лист салату і червону кров. Моркви надає фарбу вже знайомий нам каротин, зеленому листу - хлорофіл, а крові - гем - складова частина гемоглобіну. Основу двох останніх з'єднань становить так зване порфириновой кільце, тільки в хлорофілі в нього вправлений атом магнію, а в геме - атом заліза.
Порівняємо каротин і порфириновой кільце. Впадає в очі велика кількість чергуються одиничних і подвійних зв'язків. Хіміки називають такі зв'язки сполученими. Вони надають всім названим речовин здатність поглинати промені видимого світла.
Тепер - трохи історії, кілька слів про те, як німецький хімік Ф. Кекуле відкрив будову молекули бензолу. Давно вже було відомо, що складена вона шістьма атомами вуглецю і шістьма водню, але нікому не вдавалося скласти структурну формулу бензолу, з'єднати всі ці дванадцять атомів в ланцюжок так, щоб з кожного атома вуглецю виходило чотири валентних зв'язку, а з кожного атома водню - одна .
І ось одного разу, коли Кекуле гостював у Лондоні ... Втім, надамо слово йому самому. "Прекрасним літнім вечором я їхав останнім омнібусом по пустельних в цей час вулицями міста. Я занурився в мрії. Перед моїми очима рухалися атоми. Я завжди бачив їх в русі, ці маленькі істоти, не мені ніколи не вдавалося розпізнати характер їх руху. А в того дня я побачив, як два маленьких істоти з'єдналися в пари, великі обіймали двох менших, ще більші утримували три і навіть чотири маленьких, і все це крутилося в круговому вихорі. я бачив, як великі утворювали ряди і тільки на кінцях ланцюга тягли найменших ... Вдома я провів півночі, зображуючи на папері ескізи цих фантастичних картин ".
Зрештою Кекуле зрозумів, що ланцюжок вуглецевих атомів, що складають молекулу бензолу, повинна бути замкнутої. Зв'язки між атомами бензолу при цьому виявилися сполученими.
Вдала знахідка Кекуле, вирішивши головоломну проблему, поставила і нові певні запитання. Якщо в молекулі бензолу два сусідніх атома водню замістити атомами хлору, то мислимі два різних варіанти заміщення, коли заміщають атоми розділені одиничної або подвійним зв'язком.
Такі речовини мають відрізнятися якимись властивостями. Однак ні в яких дослідах ніякі відмінності не виявлялися. І тоді німецький хімік І. Тіле висловив припущення, що всі зв'язки між атомами вуглецю в бензольному кільці абсолютно однакові. Відповідно до такої гіпотезою структурну формулу бензолу Тіле запропонував малювати по-своєму.
Коли була створена електронна теорія хімічного зв'язку, де кожна зв'язок між атомами трактувалася як загальна для них пара електронів, гіпотеза Тіле отримала більш виразну формулювання: з дев'яти пар електронів, що пов'язують шість вуглецевих атомів в бензольне кільце, три в равней ступеня належать всім учасникам шістки.
Ця історія охоплює проміжок часу тривалістю в сорок років: від 1865 року, коли Кекуле запропонував структурну формулу для бензолу, до 1916 року, коли американський фізик Д. Льюїс завершив свою електронну теорію хімічного зв'язку. В останні з цих сорока років вже бурхливо розвинулася квантова теорія, на позиції якої нам і слід перейти в своїх міркуваннях, щоб остаточно прояснити роль сполучених зв'язків в процесах поглинання світла.
У 1913 році Н. Бор запропонував свою планетарну модель атома: електрони обертаються навколо ядра по замкнутих орбітах на зразок того, як планети обертаються навколо Сонця. У 1926 році Е. Шредінгер вивів рівняння, що описує поведінку мікрочастинок в потенційному полі. Коли на основі цього рівняння досліджувався рух електрона * в кулонівському полі атомного ядра, рішення виявилися несподіваними: вони описують не орбіти, які не лінійні траєкторії, а ймовірності знаходження електрона в тій чи іншій точці простору.
Коли ці уявлення стали поширюватися від атомів на молекули, то з'ясувалося, що області найбільш ймовірного розташування електронів, що належать хімічно зв'язаним атомам, перекриваються. Виходило, що в ділянці перекривання могли опинитися електрони від обох атомів, і, таким чином, кожен з цих електронів міг перебратися в "зону проживання" сусіда. Обидва електрона, стало бути, ставали загальними для пов'язаних атомів.
У разі одиничної хімічного зв'язку зона перекривання виявлялася на осі, що з'єднує атоми (сигма-зв'язок), в разі подвійного зв'язку додаткова зона перекривання мала більш складний вид, пояснює наступним малюнком (пі-зв'язок).
Коли з такої точки зору досліджувалися ланцюжка атомів вуглецю, з'єднаних сполученими зв'язками, то виявилося, що "зони проживання" електронів у всіх сусідніх атомів об'єднуються, а пі-електрони завдяки цьому можуть вільно переміщатися уздовж ланцюжка, стають загальними для всіх її атомів, утворюють єдину систему. Від кожної ланки ланцюжка сполучених зв'язків в утворюється електронний колектив входить по парі пі-електронів.
Сформульовані на той час правила квантової механіки диктували такому колективу електронів строгий порядок поведінки. Кожна мікрочастинка - зокрема, електрон - є також і вільний.
Довжини цих хвиль повинні бути такими, щоб на протязі ланцюжка сполучених зв'язків вкладалося ціле число півхвиль. Для електронів справедливо ще й таке правило квантової механіки, зване принципом Паулі: в кожному СТАНІ, яким вони можуть володіти, знаходиться не більше двох електронів системи (що мають при цьому протилежно спрямовані спини). І ще - вже знайома нам формула де Бройля: імпульс частинки (твір її маси на швидкість) і довжина відповідної хвилі обернено пропорційні один одному, причому коефіцієнтом пропорційності служить постійна Планка h. Чим більше довжина хвилі, тим менше швидкість частинки. Висловимо сказане схемою, де висоти горизонтальних ліній - це швидкості електронів, від меншої до великих, а всього ліній стільки, скільки ланок у ланцюзі зв'язків: від кожної ланки по парі
Видно, що значення швидкості наростають за принципом арифметичної прогресії і що її найвище значення не залежить від довжини ланцюжка,
Енергія частинки - величина, пропорційна квадрату її швидкості. З урахуванням цього співвідношення неважко показати на подальшу схему енергетичні рівні, на яких розташовуються пі-електрони в системі сполучених зв'язків. Видно, що зі збільшенням числа ланок рівні зближуються. Все ближче стає і від найвищого рівня до того, на який переходить електрон, поглинаючи квант світла. Любитель математичних викладок без праці доведе, що це відстань зменшується обернено пропорційно числу ланок ланцюжка.
Якщо в ланцюжку всього лише два-три ланки, то висота переходу велика і долається за рахунок поглинання кванта ультрафіолетового випромінювання, має занадто короткі хвилі порівняно з видимими променями і тому не сприймається зором. Але чим більше сполучених зв'язків в ланцюжку атомів вуглецю, тим довше хвилі світла, нею поглинається. Досить довгий ланцюжок, очевидно, здатна сприйняти і сонячні промені. І це дійсно так: каротин (11 ланок в ланцюжку сполучених зв'язків) поглинає зелені і сині промені, а тому має помаранчевий колір; порфириновой кільце (також 11 ланок) з атомом заліза в центрі поглинає зелені промені і тим самим визначає червоне забарвлення крові; що ж стосується хлорофілу, де в порфириновой кільце вправлений атом магнію, то тут спектр поглинання іншої, так що і забарвлення у хлорофілу інша - зелена ...
Ось де розгадка помаранчевої моркви, зеленого листя, червоної крові! Принципи квантової механіки дають просте і суворе тлумачення фарбам живої природи.
Попередню фразу можна прочитати і навпаки: фарби живої природи служать наочним і повсякденним втіленням принципів квантової механіки.
