Независимо от того, в каком состоянии - газообразном, жидком или твердом - находится вещество, оно всегда состоит из мельчайших единиц, называемых атомами. В природе встречается огромное количество различных видов атомов, начиная от самых простых - атомов водорода - и кончая наиболее массивными - атомами урана. Кроме того, существует несколько еще более массивных атомов, полученных человеком с помощью ускорителей или ядерных реакторов.

Все атомы, природные и "синтетические", гораздо меньше мельчайшей частицы, видимой в электронный микроскоп. В сущности никто еще никогда не видел атомов: заключения об их структуре и свойствах делаются на основании экспериментов, произведенных при помощи разнообразных сложных приборов.

Атом не является наименьшей структурной единицей вещества; атомы состоят из еще более мелких частиц, образующих систему, которая напоминает систему планет, обращающихся вокруг центрального ядра Солнца. Для наших целей достаточно рассмотреть три типа частиц:

• электроны, имеющие отрицательный электрический заряд и чрезвычайно малую массу (вес);
• протоны, несущие положительный электрический заряд и имеющие массу, которая в 1800 раз больше массы электрона,
• и, наконец, нейтроны, лишенные электрического заряда, но имеющие почти такую же массу, как и протоны.

В центре атома, подобно Солнцу в нашей Солнечной системе, находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов. В ядре заключена почти вся масса атома. Так же как и в Солнечной системе, почти весь объем атома представляет собой пустое пространство, и в этой пустоте вокруг ядра по круговым или иным путям движутся электроны. Каждый вид атомов характеризуется определенным числом электронов, обращающихся по орбитам, и определенным числом протонов и нейтронов в ядре (рис. 1).

Во всех атомах число протонов в ядре равно числу электронов на орбитах, так что атом в целом электрически нейтрален.

Существуют и другие частицы, помимо протонов, нейтронов и электронов, но различия между разными элементами зависят от числа и расположения частиц этих трех основных типов. Живые системы построены из точно таких же атомов с той же внутренней структурой, как и неживые системы.

Элементом называется вещество, все атомы которого имеют одинаковое число протонов в ядре и, следовательно, одинаковое число электронов, обращающихся по орбитам. Некоторые элементы, например золото, серебро, железо и медь, встречаются в природе в свободном состоянии; большая же часть элементов обычно встречается в виде химических соединений с другими элементами.

Уникальное свойство протоплазмы - ее живое состояние - не связано с присутствием в ней какого-то редкого или ей одной присущего элемента. Масса человеческого тела на 96% состоит из четырех элементов: углерода, кислорода, водорода и азота; еще 3% составляют четыре других элемента - кальций, фосфор, калий и сера. Содержащиеся в небольших количествах иод, железо, натрий, хлор, магний, медь, марганец, кобальт, цинк и, может быть, еще несколько элементов завершают перечень. Все эти элементы, в особенности четыре первых, в изобилии встречаются в атмосфере, земной коре и морях. Жизнь обусловлена сложными взаимодействиями этих обычных, широко распространенных элементов.

Элементы обозначают символами, обычно соответствующими первой букве их латинских названий: O - кислород (oxygenium), Н - водород (hydrogenium), С - углерод (carboneum), N- азот (nitrogenium). Когда названия нескольких элементов начинаются с одной и той же буквы, в символ включается еще одна буква: С - углерод, Со - кобальт, Сl - хлор, Сu - медь (cuprum).

Большиснтво элементов образовано атомами двух или более типов, различающихся числом нейтронов в ядре. Существует, например, 3 разновидности водорода, 5 разновидностей углерода и 16 разновидностей свинца. Эти различные типы атомов одного и того же элемента носят название изотопов ("исос"- равный, "топос"- место), так как они занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Все изотопы какого-либо элемента имеют одинаковое число электронов на орбитах; именно число электронов на внешней орбите и определяет главным образом химические свойства элемента.

Хотя изотопы одного и того же элемента имеют одинаковые химические свойства, их можно различить при помощи физических методов. Некоторые из них радиоактивны, и их можно обнаруживать и количественно определять по характеру и интенсивности их излучения с помощью таких приборов, как счетчик Гейгера. Другие изотопы можно дифференцировать по незначительной разнице в атомной массе, зависящей от присутствия в ядре лишнего нейтрона. В веществах, содержащих ¹⁵N (тяжелый азот) вместо обычного изотопа ¹⁴N или ²Н (тяжелый водород, или дейтерий) вместо ¹Н, молекулы будут иметь большую массу, и это можно обнаружить с помощью масс-спектрометра.

Использование радиоактивных изотопов привело к огромным успехам в выяснении интимных деталей метаболической активности клеток. С этой целью приготовляют какое-нибудь вещество, например сахар, меченное радиоактивным углеродом (¹¹C или ¹⁴С) или тяжелым углеродом (¹³С), введенным на место обычного углерода (¹²С). Меченое вещество непосредственно вводят в организм животного или растения или же инкубируют клетки в растворе, содержащем метку, а затем выделяют и идентифицируют меченые продукты, образующиеся в изучаемом объекте в результате нормальных метаболических процессов. Таким способом можно шаг за шагом проследить цепь химических превращений, претерпеваемых тем или иным веществом, и установить, в форме какого соединения меченые атомы в конце концов выходят из клетки или организма.

При помощи радиоактивного кальция (⁴⁵Са) можно, например, исследовать скорость образования вещества кости и влияние на этот процесс витамина В и гормона паращитовидных желез. Этот метод дает возможность разрешить многие биологические проблемы, к которым не удавалось подойти никаким иным путем.

Атомы каждого элемента содержат определенное число электронов; именно от распределения и поведения электронов, особенно тех, которые находятся на внешней орбите, и зависят химические свойства атома. Простейший атом - атом водорода - содержит лишь один электрон. В своей наиболее устойчивой форме (основное состояние) атом водорода имеет один электрон, который движется вокруг ядра, не выходя за границы определенной сферы. Путем соответствующих математических вычислений можно определить наиболее вероятное расстояние его от ядра. Электрон не обращается вокруг ядра по одной определенной орбите; он описывает сложную траекторию, то приближаясь к ядру, то несколько удаляясь от него.

На рис. 46, А изображен атом водорода с расположенным в центре ядром (содержащим один протон) и круговой орбитой электрона. Если бы заряд электрона был распределен по всей области, окружающей ядро, то 90% его находилось бы внутри сферы, ограниченной этой орбитой. Область распределения электронов вокруг ядра называется атомной орбиталъю. Области распределения электронов, имеющие сферическую форму, называют s-орбиталями.

Существуют также орбиты в форме восьмерки, называемые р-орбиталями. Ближайшие к ядру электроны движутся по s-орбиталям, а более удаленные - по р-орбиталям. Для электронов, еще более удаленных от ядра, возможны и иные распределения. Форма атомной орбиты для данного электрона определяется его энергией.

В атоме углерода, играющем особую роль в органическом мире, вокруг ядра расположено 6 электронов (рис. 1 и 2). Два ближайших к ядру электрона спарены и занимают s-орбиталь; 4 наружных электрона распределяются по орбиталям, форма которых имеет промежуточный характер между орбиталями s и р, и которые называются гибридными орбиталями. Любая из этих четырех гибридных орбиталей может перекрываться с орбиталью электрона, принадлежащего другому атому, связывая два атома в одну молекулу. Перекрывание двух атомных орбиталей лежит в основе ковалентной химической связи. Примером молекулы с такой связью может служить метан (СН₄), в котором каждая гибридная орбиталь углерода перекрывается с s-орбиталью атома водорода (рис. 2). Поэтому говорят, что углерод четырехвалентен, т. е. способен к образованию четырех химических связей. Водород с его одним неспаренным электроном одновалентен.

Атом азота содержит 7 электронов (и 7 протонов, и 7 нейтронов в ядре). Первые два электрона спарены и занимают s-орбиталь, ближайшую к ядру (1s-орбиталь). Следующие два электрона занимают вторую s-орбиталь (2s-орбиталь), расположенную дальше от ядра. Спаренные электроны на 1s- и 2s-орбиталях очень стабильны и не влияют на валентность атома. Орбитали, занятые неспаренными электронами (таков, например, электрон на 1s-орбитали водорода), имеют тенденцию перекрываться с орбиталями, на которых лежат неспаренные электроны других атомов; этим обусловлена валентность. Три остальных электрона в атоме азота не спарены и занимают три различные р-орбитали, более удаленные от ядра. Именно они определяют трехвалентность атома азота. Если орбиталь каждого неспаренного электрона азота перекрывается с 1s-орбиталью водорода, то образуется молекула аммиака - газ (рис. 2, В).

Атом кислорода содержит 8 электронов; из них два спаренных электрона занимают 1s-орбиталь, два других - 2s-орбиталь. Пространственная конфигурация р-орбиталей в атоме кислорода такова, что их может быть только три. Они лежат в плоскостях, перпендикулярных друг другу, и обозначаются р_х, p_y и р_z. Три из оставшихся четырех электронов могут находиться на р_х-, р_y и р_z-орбиталях, тогда как четвертый спаривается с электроном, находящимся на одной из р-орбиталей. Таким образом, на р_х-орбитали могут находиться два спаренных электрона, а на р_y- и р_z-орбиталях - неспаренные электроны. Эти-то два неспаренных электрона и определяют двухвалентность атома кислорода. Если орбиталь каждого из двух неспаренных электронов атома кислорода перекрывается с 1s-орбиталью водорода, то образуется молекула воды - Н₂0.

Число электронов на внешней орбитали (определяющей валентность) у разных атомов различно и варьирует от 0 до 8. Если на внешней орбитали 0 или 8 электронов, то элемент химически неактивен и не вступает в соединение с другими элементами. Если электронов меньше 8, то атом обнаруживает склонность отдавать или принимать несколько электронов, с тем чтобы число их на внешней орбитали оказалось равным 8. Поскольку число протонов, т. е. положительно заряженных частиц атомного ядра, при этом не меняется, отдача или приобретение электронов приводит к образованию электрически заряженного атома, называемого ионом.

Атомы с 1, 2 или 3 электронами на внешней орбитали имеют тенденцию отдавать их другим атомам; при этом сами они становятся заряженными положительно вследствие избытка протонов в ядре.

Атомы с 5, 6 или 7 электронами на внешней орбитали склонны принимать электроны от других атомов и становятся при этом заряженными отрицательно вследствие избытка электронов, вращающихся вокруг ядра.

Атомы с 4 электронами на внешней орбитали (например, атомы углерода) не отдают и не принимают электронов, а "делят" их с соседними атомами (так что электрон принадлежит одновременно двум атомам).

Ионами называют как положительно, так и отрицательно заряженные атомы. Так как частицы, имеющие противоположные электрические заряды, взаимно притягиваются, положительные и отрицательные ионы имеют тенденцию соединяться друг с другом, образуя ионную, или электростатическую, связь.