Основные характеристики молекулярной структуры вещества. Молекулярная структура материи

Рассмотрим для начала два объекта - алмаз и кальцит, структура которых довольно характерна для обычного вещества:

В природе часто встречаются вещества подобного рода. Мы видим, что они имеют упорядоченную форму, и этому есть свои причины, что станет ясно при делении вещества на все более мелкие части. Отложим в сторону алмаз (наш бюджет не позволит проводить с ним эксперименты) и начнем дробить кальцит при помощи долота и молотка. Он распадется на мелкие куски, но - что самое интересное - эти куски будут повторять структуру большого куска. Не обращая внимания на размеры, можно заметить, что углы между гранями и плоскостями остаются постоянными. Раздробив минерал на мельчайшие частички и рассмотрев их под микроскопом, мы увидим все ту же, уже известную нам форму. Оказывается, такое строение имеют даже мельчайшие частички вещества.

Химики, которые называют кальцит карбонатом кальция, скажут, что его структура состоит из карбонатной группы (СО 3 , в которой атом углерода соединен с тремя атомами кислорода) и одного атома кальция. Физические наблюдения показывают, что многочисленные карбонатные группы и атомы кальция расположены в пространстве под теми же углами, что и грани большого кристалла кальцита.

Таким образом, видимая структура материала повторяет кристаллическую структуру. Это та же структура, только во много раз увеличенная.

Физические свойства вещества на макроскопическом уровне отображают закономерности на микроскопическом уровне.

Структура биологического материала также определяется его молекулярным строением. Многие биологические структуры походят на кристаллы, и под микроскопом видны их красивые, четкие формы. Мы уже видели, как упорядочены клетки внутри организма. Такое расположение зависит от структуры материалов, из которых они состоят.

Клетки и ткани всех организмов состоят из одних и тех же веществ. Прежде всего, это вода. На долю воды приходится около 70-90% всех биологических веществ, и потому физические и химические свойства воды во многом определяют свойства биологического материала. В воде растворены соли таких элементов, как натрий, калий, кальций, магний и хлор. Оставшаяся доля приходится на органические вещества, которые состоят из атомов углерода (С), связанных с атомами водорода, кислорода, азота (N) и иногда серы (S) и фосфора (Р).

Самые простые органические молекулы, которые можно встретить в природном газе или в нефти, - метан, этан и пропан.

Они называются углеводородами, поскольку состоят из атомов углерода и водорода. Эти атомы можно изобразить в виде крошечных шариков, соединенных между собой химическими связями. При химической связи два атома делят между собой пару электронов - по одному от каждого атома. На наших рисунках связь между двумя атомами изображена в виде линии. Каждый элемент характеризуется валентностью, или способностью образовывать определенное число химических связей. Валентность углерода равна четырем, поэтому каждый атом углерода может быть связан с четырьмя другими атомами; благодаря этому его свойству образуется большое число самых разных сочетаний атомов, что приводит к огромному разнообразию органических молекул (рис. 3.3). Две и три параллельные линии означают двойную и тройную связь соответственно. Связь посредством пары электронов называется ковалентной; она очень прочная, для ее разрыва требуется значительное количество энергии, потому органические молекулы довольно стабильны. Однако связи легко разрываются при сгорании (окислении), высвобождая большое количество энергии, поэтому углеводороды служат ценным видом топлива.

В самой простой органической молекуле метана атом углерода связан только с четырьмя атомами водорода. В другой молекуле атом углерода соединен одной связью с другим атомом углерода, образуя цепь С-С, на концах которой располагаются атомы водорода. Цепь С-С может достигать очень большой длины; молекулы воска, например, состоят из 30-36 атомов углерода. Цепь атомов углерода может также замыкаться в кольца различного размера. Но самое большое разнообразие получается от соединения атомов углерода с группами атомов других элементов. Например, гидроксильная группа ОН (кислород, связанный с водородом), присоединенная к углеродной цепи, образует спирт (алкоголь).

Рис. 3.3. Разнообразие органических молекул, основным элементом которых служат атомы углерода, как правило, соединенные в цепи. Каждая линия между атомами соответствует связи, то есть общей паре электронов. Двойные и тройные линии обозначают двойные и тройные связи между атомами. Более сложные молекулы, особенно те, что имеют кольцевые структуры, обычно изображаются в виде линий, в местах соединения которых атомы углерода (часто с одним или двумя атомами водорода) не обозначаются. Поскольку валентность углерода равна четырем, каждый атом углерода должен иметь четыре связи; если показаны только три связи атома углерода, то с этим атомом должен быть связан еще один атом водорода

Аминогруппа, состоящая из атома азота и двух атомов водорода (NH 2), соединенная с углеродной цепью, образует амин. В более сложных группах атом кислорода связан с атомом углерода двойной связью (С=О), и одна из таких комбинаций, карбоксильная группа СООН, образует молекулу кислоты. (Кислотой называется любое химическое соединение образующее ионы водорода; вспомним, что ионами называются положительно и отрицательно заряженные атомы или группы атомов.)

Комбинации всех видов этих групп с углеродными цепями различной длины и кольцами дает необычайно большое количество органических соединений, но в живых организмах часто встречаются лишь некоторые из них. Самые важные соединения - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

Липиды, к которым относятся всем известные жиры и масла, состоят из длинных углеродных цепей - обычно из 16-18 атомов углерода. Мы прекрасно знакомы с их свойствами: ведь это те самые вещества, что оставляют несмываемые пятна на одежде. Все знают, что вода и масло не смешиваются. Вещества, которые смешиваются с водой, называются гидрофильными (буквально «любящими воду»), а вещества, которые, подобно маслу, не смешиваются с ней, называются гидрофобными («боящимися воды»). (Жирные, маслянистые пятна на одежде следует удалять при помощи сухих очистителей, в состав которых входят такие растворители как тетрахлорид углевода, или же при помощи растворителей, содержащих бензин, который также гидрофобен.) По существу, липиды можно определить как вещества, растворяющиеся только в гидрофобных растворителях.

Другие важные биологические вещества отличаются гигантским размером своих молекул. Молекулярный вес небольших молекул, таких, как пропан, бензин или сахар (вроде глюкозы), не превышает двух сотен единиц. В отличие от них, белки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие строительные материалы клеток образованы крупными молекулами - макромолекулами, потому что их молекулярный вес исчисляется тысячами единиц и более. В том, что строительные материалы клеток бывают столь большими, ничего необычного нет, ведь и мы при строительстве используем длинные стальные балки и перекрытия из фанеры и железобетона. Твердые части клеток также состоят из больших компонентов.

Но все эти макромолекулы имеют сравнительно несложную структуру. Они представляют собой полимеры, состоящие из повторяющихся одинаковых, или идентичных, молекул, называемых мономерами:

Например, углеводороды состоят из Сахаров, которые представляют собой небольшие органические молекулы с формулой вроде С 6 Н 12 О 6 . Сахара, представляющие наибольший интерес для нас, - такие, как глюкоза, галактоза и манноза - имеют сложную структуру. Они могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи, иногда даже с ответвлениями. Когда молекулы глюкозы соединяются специфическим образом (химики называют это бета 1:4 связью), то получается целлюлоза:

Целлюлоза - прочный волокнистый материал, из которого состоят стенки растительных клеток, и как следствие это основная составляющая древесины. Но если молекулы глюкозы соединяются иначе (альфа 1:4 связь, иногда с ветвями 1:6), то получаются крахмал и гликоген - основной запасной материал растений и животных. Другие сахара в различных соединениях образуют пектины и камеди, из которых состоит сочная мякоть плодов и других частей растений. Все эти полимеры, масса которых достигает нескольких тысяч единиц, называются полисахаридами, а составляющие их мономеры (сахара) - моносахаридами. Другие полимеры также носят названия, начинающиеся на приставку «поли-», что значит «много».

Одни из самых важных полимеров, белки, состоят из длинных цепей мономеров - аминокислот. Аминокислоты названы так, потому что содержат аминогруппу (NH 2) и группу органической кислоты (СООН). Две аминокислоты сцепляются посредством соединения карбоксильной группы одной с аминогруппой другой и выделением молекулы воды:

Образовавшаяся молекула {дипептид) на одном конце по-прежнему имеет аминогруппу, а на другом - кислую группу, поэтому к ней могут присоединяться другие аминокислоты. Три аминокислоты образуют трипептид, и так далее; молекула из многих аминокислот называется полипептидом, что, собственно говоря, и есть белок. В типичном белке в одну длинную цепь соединены 200-300 аминокислот. (Когда аминокислота утрачивает аминогруппу и кислотную группу, встраиваясь в цепь, она называется остатком аминокислоты.) Поскольку у средней аминокислоты молекулярный вес равен приблизительно 100 единицам, то цепь в 300 аминокислот, или средний белок, имеет атомный вес около 3000 единиц.

Природные белки образуются из 20 видов аминокислот, отличающихся только структурой своей боковой цепи (табл. 3.1). Аминокислоты могут соединяться в любой последовательности, поэтому клетки способны производить огромное количество видов белков. Их предполагаемое разнообразие выходит за рамки человеческого представления. Если имеется 20 видов аминокислот, то 2 аминокислоты - 400 видов дипептидов (с двумя остатками). Трипептидов уже будет 8 тысяч видов, тетрапептидов - 160 тысяч, а цепей из 300 аминокислот - 20 300 видов. Такое огромное число невозможно себе представить. Все белки, когда либо производившиеся земными организмами, составляют лишь небольшую часть возможного разнообразия.

Каждый вид белка отличается уникальной последовательностью аминокислот. Например, у человека молекула гемоглобина, входящего в состав красных кровяных телец - эритроцитов, переносит кислород с кровью. Она начинается с последовательности Val-H is-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu- Lys- Ser-Ala-Val-Thr-Ala (буквенные сокращения означают ту или иную аминокислоту). У обычного человека каждая молекула гемоглобина начинается именно с этой последовательности.

В простейшем организме производится по меньшей мере около 2 тысяч различных белков, а в сложных организмах, например у человека, - порядка 30-50 тысяч. (Недавние исследования определили именно такой диапазон, хотя точное количество остается неизвестным.) Каждый белок имеет структуру, подходящую для выполнения различных функций, поскольку белки - это основные «рабочие лошади» организма. Они выполняют практически все функции, которые мы отождествляем с понятием «живой организм»:

♦ белки - это ферменты, которые убыстряют и контролируют все химические реакции в организме;

♦ белки образуют видимые структуры тела: кератины служат строительным материалом волос, кожи и перьев; коллагены входят в состав хрящей и костей;

♦ белки образуют волокна, которые сокращают и растягивают мышцы и другие подвижные образования, такие как реснички и жгутики;

♦ белки составляют важный класс гормонов, которые передают сигналы от одного вида клеток в организме другому виду клеток;

♦ белки образуют рецепторы, которые получают сигналы, соединяясь с другими молекулами; клетка получает сигналы от гормонов, если молекула гормона соединяется с одним из ее
рецепторов; рецепторы, благодаря которым мы чувствуем вкус и запах, позволяют организму распознавать наличие небольших молекул во внешней среде и реагировать на них; белки переносят ионы и небольшие молекулы через клеточные мембраны, что необходимо для работы нашей нервной системы и таких
органов, как почки; белки регулируют все виды процессов и следят
за тем, чтобы они происходили с нужной скоростью.

Понять, каким образом устроены клетки и как они работают, можно, только узнав подробнее о некоторых функциях белков.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Генетика

GENETICS.. A BEGINNER S GUIDE.. B GUTTMAN A GRIFFITHS D SUZUKI AND T CULLIS..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Гуттман Б., Гриффите Э., Сузуки Д., Куллис Т
Г97 Генетика / Бартон Гуттман, Энтони Гриффите, Дэвид Сузуки, Тара Куллис. - Пер. с англ. О. Перфильева. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2004. - 448 с: ил. - (Наука & Жизнь).

Генетика: прошлое, настоящее и будущее
«Почему у Джимми рыжие волосы, как у мамы, а у его папы черные?» «Почему у людей не рождаются щенки?» «А если конь женится на корове, у них будут дети?» «Почему Мэри така

Поиски порядка и смысла
Микробиолог и генетик Франсуа Жакоб однажды заметил, что «человеческому мозгу просто необходимо найти какой-то порядок во Вселенной». Любой ребенок сразу после рождения не имеет никакой системы, с

Современный образ науки
Генетика - важнейшая область современной биологии, и для того, чтобы лучше понять ее, нужно сначала уяснить, что такое наука в целом. Наука - это разновидность человеческой деятельности, важная сос

Перспективы современной генетики
Если исходить из социокультурного контекста, понятно, почему генетика пробуждает такой интерес и почему открытия в ее области имеют такие далеко идущие последствия. В последние годы была открыта мо

Примитивный интерес к наследственности
Если заглянуть в прошлое, то свидетельства интереса к вопросам наследственности можно найти еще в период палеолита, когда люди только начали понимать, что такое размножение. Возьмем для примера рис

Одомашнивание растений и животных в зеркале мифа
В многочисленных рисунках, произведениях изобразительного искусства и мифах древние люди отразили появление каждого из культурных растений и одомашненных животных, оказавших очень важное влияние на

Научные теории наследственности
Сходство детей и их родителей отмечается всеми. Древние люди считали, что похожие люди имеют общих предков, и поэтому особое внимание уделяли родству. Помимо того, что родственные связи скрепляли д

Откуда берутся дети?
Огромная роль наследственности для общества не только с физиологической, но и с культурной точек зрения, а также заинтересованность в здоровом потомстве заставили человечество задуматься, каким же

Строение клеток
Как телескоп революционным образом преобразил астрономию, так и микроскоп помог людям понять, из чего состоят живые организмы. Можно представить, какое удивление и изумление отразилось на лицах уче

Рост и биосинтез
Одно из самых очевидных свойств живого организма - способность к росту. Рост любого организма, например человека, является результатом двух процессов: роста клеток и их деления. Челов

Ферменты
Линию сборки на заводах обслуживают люди (хотя теперь их все чаще заменяют роботы). Кто же обслуживает пути метаболизма в организме? Каким образом происходят химические реакции, превращающие один м

Синтез полимеров
При первичных метаболических процессах синтезируются все аминокислоты, сахара, липиды и другие небольшие молекулы клетки, которые идут на образование таких макромолекул, как белки и полисахариды. П

Клетки как фабрики по самовоспроизводству и самообновлению
Постараемся еще раз представить, как работает организм. Из окружающей среды он получает вещество-сырье и по различным путям метаболизма превращает его в молекулы своей структуры - делает из первичн

Революционное открытие: законы менделя
Тайна передачи признаков по наследству всегда привлекала людей. В I веке до н. э. древнеримский философ Лукреций заметил, что дети иногда походят на своих дедушек или прадедушек. Столетием спустя П

Открытия Менделя
Грегор Мендель первым приблизился к разгадке древней тайны. Он был монахом в Брюннском монастыре (ныне Брно, Чехия) и помимо преподавательской деятельности занимался на досуге опытами по скрещивани

Родословные
Кроме подсчета количества растений и животных с теми или иными признаками, полученными при случайном скрещивании, полезно исследовать механизм наследственности на примере родословных (людей или дом

Группы крови
Неплохим уроком по генетике может оказаться исследование групп крови у людей. Кровь относят к той или иной группе в зависимости от того, как она взаимодействует с иммунной системой, которая защищае

Множественные аллели и доминантность
Такие явления, как неполная доминантность и кодоминантность, доказывают, что взаимодействие аллелей одного гена может быть довольно сложным. Как мы видели, группу крови определяют три аллеля одного

Тестовые скрещивания
Организмы с доминантным фенотипом по отдельному признаку могут быть гомозиготами или гетерозиготами - АА или Аа, если пользоваться условными обозначениями. Иногда важно знать генотип.

Вероятность
Менделевский закон расщепления позволяет предсказывать вероятность наследования некоторых признаков. Г. Менделя можно назвать основоположником статистических методов в изучении генетики, потому что

Два гена и более
Эти принципы теории вероятностей важно иметь в виду, когда мы анализируем результат от скрещивания по двум генам и более одновременно. Г. Мендель проводил опыты, в которых он наблюдал за одновремен

Первый закон Менделя и определение отцовства
Опираясь на простые рассуждения Менделя, современные генетики определяют характер наследования и проявления того или иного признака в родословных. Кроме того, законы Менделя могут иногда помочь опр

Клетки и размножение
После того как клеточная теория Шлейдена и Шванна стала общепринятой, патолог Рудольф Вирхов сделал свой немаловажный вклад. Он предположил, что не только все организмы состоят из клеток, но и всяк

Митоз и клеточный цикл
Отдельная клетка растет и делится на две новые клетки, проходя через клеточный цикл. Цель такого цикла - произвести две идентичные клетки и более, которые продолжат процесс, получив от родительской

Кариотип
Зная механизм митоза, можно лучше рассмотреть хромосомы, которые свободно движутся во время этого процесса. Поместим каплю крови в пробирку с питательным раствором, в котором могут размножаться лей

Мейоз и законы Менделя
В наши дни широко известно, что гены находятся в хромосомах, хотя в следующем разделе мы постараемся это утверждение доказать. Рассмотрев процесс мейоза, мы теперь можем найти в нем обоснование зак

Местонахождение генов
Основные процессы, происходящие при мейозе и митозе, были изучены к концу XIX века. Теперь известно, что это довольно сложный механизм распределения хромосом по дочерним клеткам, но до начала XX ве

Половые хромосомы
Еще в древности люди заметили, что некоторые заболевания появляются почти исключительно у мужчин, хотя передаются по материнской линии. Самый известный пример - гемофилия, или недостаточная

Нерасхождение хромосом
Обычно мужчины и женщины имеют хорошо выраженный фенотип, определяемый их набором хромосом - XY или XX. Но иногда рождаются дети с необычным числом половых хромосом, и это происходит в результате н

Гены и нарушения метаболизма
Люди - плохой «материал» для изучения законов наследственности, потому что у них трудно получить достаточно надежные данные, но первые наблюдения, как гены осуществляют свою функцию, были сделаны и

Гены и ферменты
В 1944 году Джордж Бидл и Эдвард Тэйтем подтвердили правильность выводов Гаррода на примере хлебной плесени Neurospora (эта плесень ярко-оранжевого цвета иногда образуется на черством хлебе)

Белки и информация
Поскольку гены контролируют производство и синтез белков, то еще раз рассмотрим структуру белков. Как было сказано в гл. 3, белки - наиболее разнообразные молекулы организма. Они являются составной

Исправление наследственных нарушений
В то время как в начале XX века генетика делала первые шаги, большим вниманием пользовалась идея улучшения человеческого рода, или евгеника (см. гл. 15). Когда люди узнали механизм наследств

Бактерии
Вспомним, что бактерии отличаются от других организмов тем, что они прокариоты, то есть не имеют окруженного мембраной ядра, в отличие от эукариот, в том числе растений и животных, в клетках которы

Первые шаги
В 1928 году Фредерик Гриффит обнаружил, что вещество умерших клеток одного штамма бактерий может переносить свои характеристики живым клеткам другого штамма. Например, было известно, что штамм IIIS

Бактериофаги
В 1915 году англичанин Фредерик Творт и канадец Феликс Д"Эрелль независимо друг от друга открыли бактериофаги, которые вызывают инфекции среди бактерий. Сама идея об инфекциях среди бактерий

Эксперимент Херши-Чейз
Зная, что фаги приблизительно наполовину состоят из ДНК и наполовину из белков, Альфред Херши и Марта Чейз решили исследовать функции этих двух компонентов, пометив их, то есть включив в их

Строение ДНК
Вспомним, что основными строительными компонентами организма служат полимеры. Нуклеиновые кислоты - это тоже полимеры, хотя они сильно отличаются по своему строению от белков. Их еще называют по

Модель днк и генетика
В отличие от работы Менделя, статья Уотсона и Крика сразу же привлекла внимание научного сообщества, поскольку она объясняла механизм наследственности. Сразу становилось понятно, что последовательн

Проверка модели
Настоящая научная ценность модели измеряется тем, что можно на практике проверить все выводы, к которым она приводит. Модель Уотсона- Крика не только вобрала в себя все известные факты о ДНК и насл

Распределение генов
То, что гены расположены в хромосомах, казалось бы, не соответствует тому факту, что у людей только 23 пары хромосом и вместе с тем тысячи различных признаков, которым должны соответствовать тысячи

С h/Y: 1 С H/Y: 1 с h/Y: 9 с H/Y.
Получается, что 10% сыновей, которых мы называем рекомбинантами, получили иную комбинацию генов, отличающуюся от комбинации их матерей. В профазе мейоза гомологичные пары выстраиваю

С H/Y: 1 С h/Y: 1 с H/Y: 9 с h/Y.
Этого и следовало ожидать: 90% начального расположения аллелей и 10% рекомбинаций. Определить расстояние между генами человека - достаточно сложно. У большинства организмов, скрещивать кот

A c/Y, 7 A C/Y, 8 a c/Y, 42 a C/Y.
Всего получается 15 (7 + 8) рекомбинаций из сотни, то есть 15%. Поэтому ген А можно поместить на хромосомной карте в 15 единицах от гена С. Однако три гена могут располагаться в последовател

Кроссинговер внутри генов
До середины 1940-х годов ученые полагали, что гены, скорее всего, представляют собой хромомеры, то есть крохотные комочки вдоль хромосом, благод

Генетика фагов
Макс Дельбрюк выбрал для своих исследований фаги, потому что они представляют собой очень простую биологическую систему: крохотные частички, которые могут воспроизводить себе подобных в других клет

Тонкая структура гена
Сеймур Бензер исследовал тонкую структуру гена с помощью фагов Т4, среди которых ему удалось выделить редкие внутригенные рекомбинанты. Бензер сосредоточил внимание на классе мутантов r - rII.

Комплементация и определение границ гена
Эксперименты по составлению карт показали, что область rII состоит из многих мелких участков, или сайтов, в которых могут происходить разные мутации. Но такие карты дают представление только

Что же такое ген!
Вернемся к определению гена. В классической генетике словом «ген» обозначалась единица генетического материала, выделяемая по трем критериям: по функции, мутации и рекомбинации. Изначально предпола

Рестрикционные ферменты и палиндромы
Бактерии и фаги, которые их атакуют, находятся в состоянии непрерывной химической войны. Бактерии, оказывающие сопротивление фаговой инфекции, получают преимущество в борьбе за существование, и они

Рестрикционное картирование
Сейчас известно и доступно для применения множество типов рестрикционных ферментов. Они разрезают ДНК на различные последовательности, и их можно использовать для анализа структуры ДНК и составлени

Как строятся белки?
Итак, информация, определяющая порядок аминокислот в белке, хранится в ДНК в виде ряда триплетных кодонов. Но как последовательность оснований ДНК превращается в реальный продукт? Конечно, чертежи

Молекулы РНК: инструменты для синтеза белка
В 1940-х годах, когда ученые еще недостаточно хорошо представляли строение нуклеиновых кислот, были получены доказательства того, что синтез белков всегда сопровождается синтезом рибонуклеиновой ки

РНК-транскрипция
Сейчас доказано, что РНК образуется в результате того же спаривания комплементарных оснований, с помощью которого образуется и двойная спираль ДНК из одинарной цепи (рис. 9.2). Этот процесс называе

Трансляция
Перенос информации с ДНК на РНК называется транскрипцией, а перенос этой информации с мРНК в белок - трансляцией. Обычно матричные РНК в течение некоторого времени программируют рибос

Сложные гены эукариот
Когда исследователи начали изучать гены различных белков в клетках эукариот, обнаружилось, что взаимодействие генов и белков в этих организмах более сложное, чем взаимодействие генов и белков прока

Генетический словарь
К 1962 году благодаря работам Крика и его коллег, о которых говорилось ранее, было установлено, что генетический код состоит из триплетов. После этого перед исследователями встала другая непростая

Колинеарность генов и белков
Гипотезу о колинеарности гена белку можно было подтвердить, показав, что последовательность мутаций гена соответствует изменениям последовательности аминокислот, к которым приводят эти мутации. Для

Терминирующие кодоны
Три код она из 64 не служат кодом для аминокислоты. Они означают конец синтеза белка и называются терминирующими или нонсенс-(стои-) ко-донами (stop codon). Их существование было подт

Универсальность кода
Значение кодонов было выяснено в ходе опытов на бактериях Е. coli. Но что если в генах других организмов, в том числе и человека, используется другой шифр? В таком случае мутации белков чело

Наследственностb в мире бактерий
Представители классической генетики едва ли смели мечтать о тех возможностях, какие открываются перед современными учеными, проводящими эксперименты на бактериях и вирусах бактерий. В этой главе мы

Бактерии-мутанты
Разные виды бактерий можно различать по фенотипическим признакам, таким как форма, цвет и другие характерные подробности их колоний. Но большой прогресс в генетике бактерий был достигнут в ходе исс

Пол у Е. соli
В 1946 году Джошуа Ледерберг и Эдвард Тэйтем принялись ставить генетические эксперименты на бактериях. Несколькими годами ранее Тэйтем работал в сотрудничестве с Джорджем Биллом, и они на основе оп

Плазмиды
Фактор F - пример так называемой плазмиды, то есть внехромосомного самореплицирующегося генетического элемента с кольцевой структурой. Плазмиды - это своего рода пассажиры в клетке, которые

Факторы резистентности и устойчивость к антибиотикам
В 1955 году одна жительница Японии вернулась из Гонконга с разновидностью дизентерии, вызываемой бактерией рода Shigella. Инфекцию Shigella легко лечить антибиотиками, но эти бактерии

Лизогения
Биологи, проводившие эксперименты с фагами до Второй мировой войны, часто утверждали, что некоторые штаммы бактерий переносят вирусы, которые иногда непредсказуемо проявляют себя в растущих культур

Гены, переносимые вирусом
Пытаясь определить, конъюгирует ли Salmonella подобно Е. coli, Нортон Циндер обнаружил, что фаги могут переносить гены из одной бактериальной клетки в другую. Это явление назвали т

Трансдукция и геном человека
В 1955 году Джошуа Ледерберг предположил, что трансдуцирующие вирусы можно использовать для введения генов в клетки человека. В то время такая идея казалась чистой фантазией, но сейчас она все боле

Регуляция генов и развитие организма
По мере чтения книги, как и на протяжении всей истории генетики, наше представление о генах постоянно изменялось. Если сначала мы считали ген неопределенным фактором, который каким-то образом перед

Регуляция генов у бактерий
Как и в предыдущих главах, начнем с простых биологических систем, то есть с бактерий, при изучении которых этот вопрос впервые был поставлен. Исследования велись преимущественно в 1950-х и 1960-х г

Регуляция генов эукариот
Вопрос о регуляции генов в клетках эукариот требует иной постановки, поскольку образ жизни типичных эукариот коренным образом отличается от образа жизни прокариот. Прокариоты - это протые бактерии,

Эмбриональное развитие в общих чертах
Эмбрион развивается из одной-единственной клетки - зиготы - и превращается в комплекс многих специализированных клеток. Зигота тотипотентна, то есть после многократного деления она может дат

Регуляция по времени и развитие крыла цыпленка
Прекрасный пример временного механизма - развитие крыла цыпленка (рис. 11.2). Крыло вырастает из задатка конечности, состоящего из клеток мезодермы, покрытых слоем эктодермы, включая апикальную обл

Формирование глаза мухи
Одна из самых интересных серий событий с участием нескольких генов происходит при формировании глаза мушки дрозофилы. Сложный глаз насекомого состоит приблизительно из 800 элементов. Отдельный элем

Вмешателbство в строение днк: возвращение эпиметея?
В древнегреческих мифах говорилось о титанах - расе гигантов, рожденных богами прежде расы людей. Титану Эпиметею боги поручили создать животных и растения, распределив между ними разнообразные сво

Рекомбинантная ДНК и рестриктазы
К 1972 году Анни Чанг, Поль Берг и Сеймур Коэн установили, что при помощи рестрикционных ферментов, рестриктаз, можно порезать две любые молекулы ДНК и сделать из них одну реком-бинантную

Изучение отдельных клонированных фрагментов
Часто внимание экспериментаторов сосредотачивается на отдельном донорском гене, который ученые хотят исследовать или использовать. При определенной удаче такой ген может уже содержаться в геномной

Генная терапия
Среди разнообразных способов применения трансгенных технологий особое место занимает генная терапия. Если можно модифицировать растительные и животные организмы, то что мешает применить те ж

Геномика - изучение всего генома
Последние достижения в области секвенирова-ния и развитие технических средств для обработки большого количества клонов в библиотеке генов позволили ученым исследовать сразу весь геном организма. Се

Генетик в роли доктора франкенштейна
В глазах современной общественности генетики часто ассоциируются с образом героя романа Мэри Шелли «Франкенштейн», безумно увлеченного своей работой и создавшего ужасное чудовище. Генетиков обвиняю

Контроль над исследованиями рекомбинантных ДНК
Споры о роли генетики начались задолго до современного расцвета генной инженерии. Еще в 1970-х годах не только ученое сообщество, но и широкая публика принялись обсуждать вопросы, связанные с проти

Генетически модифицированные организмы
Вопросы общественного влияния на генетику и регулирования научных исследований в этой области, во многом не решены до сих пор. По мере совершенствования микробиологических технологий и методов появ

Технологии в контексте
Одна из сторон возникшей проблемы - научное просвещение. Как шутят агенты по продаже недвижимости, три ключевых элемента, помогающих продать дом, - это его место, место и еще раз место. Точно так ж

Аргументы против генетически модифицированных продуктов
В ходе споров по поводу генетически модифицированных продуктов был выдвинут ряд аргументов против их использования. Мы перечислим здесь основные доводы противников, лежащие в основе их рассуждений.

Этические аспекты клонирования
Клонирование животных, хотя и не имеет непосредственного отношения к трансгенным технологиям, также ставит подобные этические вопросы. Прежде всего, это касается млекопитающих. Известно давно о кло

Ответственность ученых
Современные генетические технологии способны причинить человечеству заметный вред, и поэтому общество должно постоянно быть начеку. В наши цели не входит защита генетических технологий или их осужд

Частота мутаций
Мутации всегда происходят естественно, случайно и без очевидной причины. Мы не можем заранее предсказать, какая именно мутация произойдет и где, поэтому при их изучении применяют статистические мет

Мутации у людей
Частоту мутаций у людей можно определить при помощи родословных, в которых проявляются доминантные черты. Дефект, неожиданно появившийся у одного представителя поколения и переданный потомству, дол

Излучение
Спонтанные мутации довольно редки. Частоту мутаций увеличивают мутагены. К самым мощным мутагенам относятся некоторые виды излучений. В 1927 году Герман Мюллер, экспериментировавший с дрозофилой, и

Что представляют собой мутации?
Мутация - это изменение в ДНК. Некоторые изменения происходят спонтанно, со временем. Например, молекулы ДНК теряют пуриновые основания гуанин и аденин (депуринизация) с относительно высокой скорос

Система восстановления ДНК
По мере развития жизни на нашей планете клетки постоянно встречались с различными мутагенами как в виде излучения, так и в виде химических веществ. Частота мутации должна находиться в пределах каки

Генетические последствия радиации
Ионизирующее излучение вызывает мутации любого рода - от точечных замен до хромосомных аберраций и разрывов. Поместив источники невысокой радиации в лесу, исследователи доказали, что постоянное изл

Хромосомные аберрации
Хромосомы содержат гены, расположенные в определенной последовательности. Фенотип организма зависит не только от тех или иных генов, но и от того, как они расположены относительно других генов. На

Хромосомы человека
Под электронным микроскопом хромосомы человека выглядят как свитые в многочисленные петли куски толстой веревки. Каждая хромосома представляет собой длинную, непрерывную цепь ДНК, в скрученном виде

Анеуплоидия
Богатый источник материала для исследований хромосомных аберраций - выкидыши в течение первых недель развития, так как у них насчитывается в 50-100 раз больше хромосомных нарушений, чем у новорожде

Дупликация и делеция
Дупликации и делеции больших участков хромосом почти всегда летальны, как и большинство мутаций. Если плод и выживает, то он характеризуется серьезными нарушениями в развитии. Самый известный приме

Инверсии
Многие из нас слышали о супругах, которым никак не удается завести детей из-за прерванных беременностей и выкидышей. Это происходит, если один из партнеров гетерозиготен по инверсии или транслокаци

Транслокации
Транслокации - частая причина наследственных нарушений, которую можно заметить в кариотипе. Обычно их переносят гетерозиготы, имеющие одну нормальную хромосому и одну хромосому с транслокацией.

Доказательства эволюции
Доказательства того, что разные организмы действительно произошли от общего предка посредством постепенного изменения, поступают из разных источников. Пожалуй, одно из самых сильных доказательств -

Эволюция как процесс
В широком плане эволюция охватывает три процесса: макроэволюцию, специализацию и микроэволюцию. Макроэволюция подразумевает совокупность всех процессов, благодаря которым в прошлом существов

Популяционная генетика
Делить аллели генов на дикие и мутантные, как мы это делали, знакомясь с основами генетики, не совсем правильно, и такое деление может привести к неправильному представлению об эволюции. Исследован

Эволюция человека
Наиболее противоречивый вывод из теории эволюции Дарвина заключался в предположении, что человек произошел от обезьяны. Представители христианской религии приняли эту идею с неодобрением, потому чт

Миграция и разнообразие Homo sapiens
Благодаря секвенированию ДНК людей по всему миру удалось построить филогенетическое дерево человечества. Корни этого дерева, как свидетельствуют окаменелые останки, уходят в Африку. Большинство био

Цвет кожи
Средний оттенок кожи популяции находится почти в прямой зависимости от долготы: самый темный встречается близ экватора, а самый светлый - ближе к полюсам. Темная кожа лучше защищает от ультрафиолет

Евгеника
Как уже говорилось в гл. 1, мысль об улучшении человеческого рода зародилась давно, по крайней мере, в древнегреческом обществе классического периода. Но особое внимание она привлекла в последние д

Словарb
Авторадиография- метод получения снимка радиоактивных материалов посредством их воздействия на фотографический раствор; там, где раствор проявляется, образуется темное пятно.

Карбоксильная группа- химическое соединение СООН, называемое еще кислотной группой, потому что атом водорода стремится отделиться в виде иона Н+
Карбоксильный конец- конец полипептидной цепи со свободной карбоксильной группой. Кариотип- схема хромосомного набора организма, получаемая в результате с

Цитозин - одно из пиримидиновых оснований ДНК или РНК
Частота аллелей- в популяционной генетике соотношение нескольких аллелей одного гена (или типа хромосом). Частота мутаций- мера вероятности того, что прои

Молекулярное строение, т.е. химический состав и способ соединения атомов в молекулу, однозначно не определяет поведение полимерного материала, построенного из макромолекул. Свойства полимеров, особенно в кристаллическом фазовом состоянии, зависят от их надмолекулярной структуры, т.е. способа упаковки макромолекул в пространственно выделенных элементах, размера и формы таких элементов и их взаимного расположения в пространстве. Другими словами, под надмолекулярной структурой понимают сложные агрегаты из большого числа макромолекул, образующиеся в результате действия межмолекулярных сил.

Для полимеров типичны твердое и жидкое агрегатные состояния, характеризующиеся колебательным и вращательным движением частиц и небольшими расстояниями между частицами. В газообразном состоянии полимеры не бывают, т.к. для того, чтобы раздвинуть макромолекулы на большие расстояния, необходимо преодолеть сильные межмолекулярные взаимодействия цепных макромолекул, требующие энергий, сравнимых с энергиями химических связей в полимерной цепи, т.е. произойдет деструкция полимера.

Фазовое состояние определяется порядком в расположении молекул. Различают два вида фазового состояния: аморфное и кристаллическое. Аморфное фазовое состояние характеризуется ближним порядком на расстояниях 10-15Ǻ. Термодинамически устойчивое состояние отличается изотропностью, хотя в аморфных полимерах возможны локальные упорядоченные образования флуктуационного характера. Одна из первых моделей структуры аморфного состояния полимеров «пачечная» модель Каргина. Предполагалось, что для оптимальной упаковки длинных цепных молекул в аморфных полимерах существуют упорядоченные области в виде межмолекулярных пачек (ММП), образованных параллельно ориентированными соседними макромолекулами развернутой вытянутой конформации. Следовательно, основным структурным элементом линейных гибкоцепных полимеров в аморфном состоянии является не собственно макромолекула, а ММП или другая надмолекулярная структура, в составе которой отдельные макромолекулы теряют свою индивидуальность.

Кристаллическое фазовое состояние характеризуется дальним трехмерным порядком на расстояниях 1000Ǻ. Это состояние отличается анизотропией свойств, скачками свойств на границе раздела фаз. В кристаллических полимерах практически всегда имеется доля аморфной фазы, часто встречаются дефекты, дислокации. Трудности в получении кристаллов полимеров и особенности кристаллического состояния макромолекул связаны с разнообразием надмолекуляных структур, существующих еще в аморфном состоянии.

Кроме аморфного и кристаллического, известно также мезофазное промежуточное жидкокристаллическое состояние полимеров. Оно отличается постоянной устойчивой анизотропией некоторых физических свойств. В обычных изотропных жидкостях может возникать временная «наведенная» анизотропия под влиянием электрического поля, механических воздействий и т. д. В отличие от этого у полимеров вследствие малой подвижности макромолекул и больших времен релаксации «наведенная» анизотропия сохраняется бесконечно долго, т.е. является устойчивой.

Надмолекулярная структура аморфных полимеров

Наиболее полное представление о процессах образования надмолекулярных структур и их типичных форм можно получить в том случае, если проследить весь процесс структурообразования. Существуют два пути образования структур. Если макромолекулы достаточны гибкие, то они могут сворачивать сферические частицы (клубки), так называемые глобулы.

Взаимное расположение отдельных участков цепной макромолекулы внутри такой глобулы, как правило беспорядочно, и почти любой полимер, переведенный в форму глобул, находится в аморфном состоянии. Например, полиэтилен, полиамиды.

В очень разбавленных растворах подавляющее большинство полимеров находится в виде таких клубков. Наиболее общим способом получения полимеров в глобулярном состоянии является испарение растворителей из растворов при возможно низких температурах. В глобулярном состоянии находятся и макромолекулы ряда белков. Глобулярное строение выгодно только для переноса полимерного вещества в растворенном состоянии, это очень важно для биологических процессов. Для всех остальных случаев оно означает потерю основных свойств, связанных с линейным цепным строением макромолекулы.

Способность глобулярных полимеров к образованию более сложных структур весьма ограничена. Если полимер монодисперсен, т.е. все его макромолекулы одинаковы, то глобулы укладываются с образованием структуры с плотной упаковкой шаров. Так образуются одиночные кристалы глобулярных белков. Например, вирус табачной мозаики.

Глобулы образуются в результате превышения силы внутримолекулярного взаимодействия над силами межмолекулярного взаимодействия.

Кроме того, для перехода от вытянутой формы к глобулярной, молекулярная цепь должна обладать достаточно высокой гибкостью для того, чтобы она могла свернуться.

Рис. 1. Молекула суперклея

Если полимер находится в высокоэластичном состоянии, то отдельные глобумерные частицы могут сливаться в одну частицу большего размера. Возникают глобулы, содержащие больше (десяти, сотни, тысячи) частиц. Этот процесс заканчивается или расслоением системы, или стабилизацией образовавшихся больших глобул, вследствие покрытия их поверхности примесями или перестройкой их в линейные структуры. Аналогичные процессы происходят и при полимеризации. В зависимости от условий проведения полимеризации могут быть термодинамически более выгодными те или иные конформации. Поэтому из одного и того же полимера можно получить множество различных по физическим структурам полимеров, крайними типами которых будут глобулярный и фибриллярный.

Известно, что существуют отдельные развернутые линейные цепи полимерных веществ. Развернутые макромолекулярные цепи образуют линейные агрегаты - пачки цепей. Типичной особенностью этих образований является то, что длины их значительно превосходят длину отдельных цепей. В каждую из таких пачек входят десятки, сотни отдельных макромолекул. Эти пачки цепей являются независимые структурными элементами, из которых строятся затем более сложные структуры.

Пачечную модель в последнее время подверглась критическому пересмотру. Вайнштейн, изучил дифракцию рентгеновских лучей на аморфном полимере, пришел к выводу, что структура такого полимера не может быть пачечной. Длина участков параллельности полимерных молекул, по его мнению, не велика и примерно равна их ширине. Эти участки постепенно переходят друг в друга, внутри них и в переходных зонах между ними образуются "косые" контакты молекул. Кроме того, пачечная модель находится в противоречии с основными положениями кинетической теории высокоэластичности, которая хорошо подтверждается экспериментом.

Йех предложил другую модель надмолекулярной организаци аморфного полимера. Он предположил, что аморфное состояние полимеров характеризуется наличием упорядоченных областей - доменов («зерен»), образованных макромолекулами, имеющие складчатые конформации.

Домены соединяются между собой с помощью проходных цепей. Междоменные области состоят из звеньев неупорядоченно расположенных цепей, а также включают в себя проходные цепи и свободные концы цепей, не вошедшие в домены.

Различают три возможных вида доменов: складчатые (гофрированные), снопообразные (мицеллорные) и глобулярные. Последние два вида хорошо согласуются с пачечной и глобулярной теориями. В этом проявляется достоинство доменной теории, как более общей и объединяющей.

Существование доменов в расплавах полимеров носит флуктуационный характер. Домены - совокупность межмолякулярных связей, возникают и разрушаются под действием теплового движения. Чем выше температура, тем короче время жизни домена и меньше его размеры. С уменьшением гибкости цепей, их регулярности, тенденция к формированию доменов снижается.

В расплавах полимеров с жесткими нерегулярными цепями не всегда удается обнаружить домены. Считается, что в подобных условиях они не образуются, а цепи имеют форму статистических клубков-глобул. Клубки проникают друг в друга, образуя прямые контакты.

В отличие от Йеха, Арисаков, Бакеев и Кабанов, используя модели Йеха, считают, что аморфный полимер состоит из плотно упакованных фибрилл. Каждая фибрилла состоит из складчатых доменов, соединенных проходными цепями. Но экспериментальные данные не позволяют рассматривать фибриллу, как основную форму надмолекулярной организации аморфного полимера.

Для объяснения надмолекулярной организации аморфных полимеров была предложена также кластерная модель.

Кластеры-области, в которых имеет место более плотная упаковка молекул или частиц, а также более упорядоченное их расположение по сравнению с основной, более рыхлой и разупорядоченной массой вещества. Поэтому плотность кластера несколько превышает среднюю плотность полимера в целом. Но по сравнению с кристаллами, кластеры являются менее упорядоченными и менее плотно упакованными областями. В связи с этим выделяют два вида кластеров:

1. Кристаллические - кластеры, в которых при определенных условиях может достигаться более упорядоченное расположение макромолекул. Они способны кристаллизоваться.

2. Антикристаллические - кластеры, которые принципиально не кристаллизуются.

Аморфный полимер является совокупностью антикристаллических кластеров, окруженных менее упорядоченными и более рыхлыми областями. Следовательно, плотность аморфных полимеров прямо пропорциональна объемной доле кластеров. Это совпадает с таким опытным фактом, как увеличение плотности аморфных полимеров при их отжиге. Отжиг приводит к увеличению числа антикристаллических кластеров, росту средних размеров этих образований и более упорядоченному расположению полимерных цепей в них.

Аморфные полимеры имеют случайную ориентацию их полимерных цепей, в то время как кристаллические полимеры образуют высоко упорядоченной кристаллической структуры в аморфной матрице (рис. 2). Термин полу-кристаллические полимеры используются для полимеров, содержащих как кристаллических и аморфных областей.

Рис. 2. Аморфные полимеры

Отличительной чертой кластерной модели является то, что в ней отсутствует регламентированный характер расположения цепей внутри кластера (Он определяется химическим строением полимера, его молекулярной массой). Кластер может состоять как из макромолекул, имеющих складчатую конформацию, так и из развернутых элементов полимерных цепей, не образующих складок. Еще одна особенность - флуктуационный характер кластеров.

Описанные выше организации макромолекул в аморфных полимерах являются лишь простейшими представлениями форм упорядочивания макромолекул. Они важны тем, что являются первым этапом процессов организации макромолекул, без которых невозможны разнообразные надмолекулярные структуры кристаллических полимеров

Надмолекуляная структура кристаллических полимеров

Фазовое состояние полимеров или способности полимеров к кристаллизации зависит от множества условий: температуры и скорости кристаллизации, термической предыстории, присутствие посторонних веществ. В зависимости от условий кристаллизации может быть получено множество морфологических форм кристаллических структур даже для одного и того же полимера. Разнообразие надмолекулярных структур в кристаллических полимерах обусловлено гибкостью и длинно-цепочным строением полимеров.

Одной из особенностей кристаллического состояния полимеров является наличие в них значительной доли неупорядоченности - «доля аморфной фазы». Поэтому и уделяется особенное внимание процессам кристаллизации.

При удалении растворителя из разбавленного раствора полимера в случае достаточно сильного межмолекулярного взаимодействия макромолекулы могут ассоциироваться в пачке. Пачка - первичная надмолекулярная структура.

Если пачка образована регулярными гибкими макромолекулами, то при соответствующих термодинамических условиях в ней произойдет кристаллизация, т. е. макромолекулы расположатся так, чтобы образовать пространственную решётку. Закристаллизовавшаяся пачка обладает границей раздела и характерным для кристаллического вещества поверхностным натяжением. Однако появление избыточной поверхностной энергии должно быть существенным в таких тонких и длинных образованиях.

В результате кристаллическая пачка приобретает способность складываться в ленты, обладающие меньшей плотностью поверхности. Лента - энергетически более выгодная форма. Складывание пачки в ленты происходит самопроизвольно в направлении уменьшения свободной энергии F<О путем многократного поворота пачки на 180°. Лента - вторичная надмолекулярная структура при пластинчатом механизме кристаллизации. Существование складчатых структур было впервые обнаружено и детально исследовано Келлером на примере полиэтилена и полиамидов.

Образование вторичных структур в кристаллическом полимере не прекращается на образовании лент. Требование уменьшения поверхностного натяжения приводит к складыванию «лент» в плоские образования, т.е. в пластины-ламели. Такие пластины образуются путем примыкания отдельных «лент» своими плоскими сторонами, что приводит к дальнейшему уменьшению поверхности. Для линейных полимеров из сложных цепей типичны ламелирные кристаллы, которые получаются достаточно совершенными при низких скоростях кристаллизации (монокристаллы полиэтилена).

Рис. 3. Полоски показывают рост кристаллов полиэтилена

Кроме пластинчатого механизма образования единичных кристаллов существует другой тип структур, который характеризуется наличием фибриллярных элементов.

Наиболее важным практическим примером получения кристаллов, в которых цепи в значительной степени сохраняют выпрямленные конформации, является кристаллизация при охлаждении расплава с одновременным наложением больших напряжений. Возникающие при этом структурные формы, получившие название «шиш-кебаб», характеризуются наличием длинного фибриллярного центрального ствола. На этом стержне растут в поперечном направлении ламели, в которых цепи находятся в складчатых конформациях.

Вместе с пластинчатым механизмом образования единичных кристаллов существует другой тип возникновения ряда высших надмолекулярных структур. Для пластинчатого типа простейшим структурным элементом является пластина из лент, а для фибриллярного типа такая складчатость отсутствует и пачки расположены вдоль фибриллы. Один и тот же полимер может кристаллизоваться и по пластинчатому, и по фибриллярному типу.

Картина образования единичных кристаллов является предельной картиной процесса кристаллизации. Отсюда вытекают неограниченные возможности возникновения неравновесных состояний кристаллических полимеров. Когда кристаллизация задерживается на стадиях образования лент, пластин и фибрилл, это ведет к образованию сферолитных структур - наиболее распространенный элемент крупных структур.

Это агрегаты кристаллов, обладающие одним центром и радиальной ориентацией кристаллов относительно центра.

Представляют собой типичные полукристаллические образования, получающиеся в реальных условиях формирования отливок, пленок и других полимерных изделий на основе кристаллизирующихся высокомолекулярных соединений практически всех классов.

Продукция из полистирола. Фото: Pat Hayes

Сферолиты не являются выгодными с точки зрения термодинамики, но они кинетически предпочтительнее. Размеры сферолитов могут колебаться в широких пределах - от десятков микрон до нескольких миллиметров и более. Мелкие сферолиты обнаруживают способность к агрегации с образованием очень длинных лентоподобных частиц.

Лентам из сферолитов присуща анизотропия оптических свойств из-за радиальной асимметрии их строения. Изменение ориентации происходит в каждом радиальном направлении, что проявляется возникновением картины чередующихся светлых и темных колец.

Сферолиты графита видно под электронным микроскопом

Кроме радиальных существуют также кольцевые сферолиты, характеризующиеся тем, что на картину мальтийского креста накладывается ярко выраженная система чередующихся темных и светлых колец.

В процессе кристаллизации при последовательно понижающейся температуре можно получить различные промежуточные стадии от многогранных ламелей до сильно разветвленных дендритов.

Дендриты - разветвленные кристаллы, иногда похожие на дерево (от греческого «дерево»). Все ветви дендрита кристаллографически связаны друг с другом.

Надмолекулярные структуры в полимерах исследуются методами электронной микроскопии, нейтронографии, рентгеновской дифракции, светорассеяния, двойного лучепреломления и др. В частности, методом малолучевой дифракции нейтронов были определены радиусы инерции макромолекул, совпадающие с невозмущенными размерами гауссовых клубков, а невытянутых «пачек». В настоящее время известны альтернативные структурные модели: перекрывающиеся статистические клубки (ПСК); статистически сложные макромолекулы (домены) и др. В частности, предложенная Флори модель ПСК позволила теоретически обосновать концепцию зацеплений, стала основой для статистических теорий течений и термодинамических свойств концентрированных растворов полимеров. Результаты компьютерного моделирования конформаций методом Монте-Карло также подтверждали ПСК, которая характеризуется достаточно плотной упаковкой.

Методы исследования структуры полимеров можно разделить на две группы. К первой относятся визуальные методы: оптическая и электронная микроскопия, в которых используемая длина волны (источника света или пучка электронов) гораздо меньше размеров структурных элементов (макромолекул или их агрегатов).

Ко второй группе относятся интерференционно-дифракционные методы: дифракция рентгеновских лучей, дифракция электронов, нейтронов, светорассеяние. В этих методах используются электромагнитные колебания с длиной волны, сравнимой с размером исследуемых структурных элементов. Например, один из самых распространенных методов - рентгеноструктурный анализ - основан на явлении дифракции рентгеновских лучей с l=0,5-2,5Å. Если пучок рентгеновских лучей падает на кристаллы, линейные размеры которых сравнимы с, то можно оценить период идентичности, установить относительное расположение различных плоскостей кристаллической решетки, оценить степень кристалличности, размеры кристаллов, их ориентацию.

С помощью электронной микроскопии можно наблюдать отдельные макромолекулы и их агрегаты. Именно этим методом были получены представленные выше на рисунках основные типы надмолекулярных структур: фибриллярные кристаллы, монокристаллы и сферолиты. Тонкие детали строения сферолитов удается исследовать только при помощи электронного микроскопа.

Присутствие сферолитов оказывает влияние на механические (прочность) и другие свойства полимеров. Например, непрозрачность полиэтилена, нейлона и других кристаллических полимеров объясняется наличием сферолитов. Разнообразие надмолекулярных структур - основная причина особенных свойств кристаллических полимеров.

Одна из основных причин интереса к физике макромолекул заключается в том, чтобы с ее помощью постичь тайны живой природы, понять молекулярные основы поведения биологических систем. Прогресс в понимании механизма жизненных процессов невозможен без применения физических и химических идей и методов к изучению биологических процессов на молекулярном уровне.

Большинство пленкообразующих веществ относится к олигомерам и полимерам.

Олигомеры – полимеры низкой молекулярной массы (обычно не более нескольких тысяч). Олигомерами часто называют полимеры со степенью полимеризации меньше той, при которой начинают проявляться специфические свойства полимера, связанные с гибкостью его макромолекул. Важное значение имеют олигомеры, которые содержат функциональные группы, обуславливающие способность молекул олигомера соединяться друг с другом с образованием длинных молекулярных цепей или трехмерных сетчатых структур (феноло-формальдегидные смолы в стадии резола, смолы эпоксидные, полиэфиракрилаты, которые полимеризуются за счет концевых двойных связей, и др.).

Полимеры – высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев с молекулярной массой, составляющей величину от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В состав молекул высокомолекулярных соединений (макромолекул) входят сотни и тысячи атомов, связанных друг с другом силами главных валентностей.

Говоря о структурной формуле макромолекул, отметим, что атомы или атомные группировки в молекуле высокомолекулярного соединения могут располагаться либо в виде длинной цепи (линейные, например целлюлоза), либо в виде длинной цепи с разветвлениями (разветвленные, например амилопектин), либо, наконец, в виде трехмерной сетки, состоящей из отрезков цепного строения (сшитые). Примером сшитых высокомолекулярных соединений являются фенолоальдегидные смолы.

Если молекулярные цепи макромолекул состоят из большого числа повторяющихся группировок – звеньев, имеющих одинаковое строение, то такие высокомолекулярные соединения называют полимерами; если содержат несколько типов повторяющихся группировок – сополимерами - А – Б – А – Б -.

В зависимости от химического состава основной цепи высокомолекулярные соединения делятся на гетероцепные, в основной цепи макромолекул которых содержатся атомы различных элементов (углерода, азота, кремния, фосфора), и гомоцепные, макромолекулярные цепи которых построены из одинаковых атомов, основное место среди них занимают карбоцепные полимеры (главные цепи макромолекул состоят только из атомов углерода). Если макромолекулы полимера наряду с атомами углерода содержат атомы неорганических элементов, то они называются элементоорганическими.

Химическое строение некоторых представителей полимеров выглядит так:

… -
СН2 – СН2 – СН2 – СН2 - …

фрагмент карбоцепного полимера (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полиметилметакрилат, поливиниловый спирт и др.).

К полимерам гетероцепного класса относятся многочисленные простые и сложные полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, природные белки и т. д., а также большая группа элементоорганических полимеров:

… -
СН2 – СН2 – О – СН2 – СН2 – О – СН2 – СН2 – О -

полиэтиленоксид (простой эфир)

полиэтилентерефталат (сложный полиэфир)

полиамид

полидиметилсилоксан (элементоорганический полимер)

полифосфонитрилхлорид (неорганический полимер).

Еще один класс полимеров – это высокомолекулярные соединения с сопряженной системой связей: различные полиацетилены, полинитрилы, полифенилены, полиоксадиазолы и многие другие соединения. Например,

… - СН = СН – СН = СН – СН = СН -…

полиацетилен

полифенилен

полиоксадиазол

К этому же классу относится группа хелатных полимеров, в состав которых входят различные элементы, способные к образованию координационных связей (они обычно обозначаются стрелками). Элементарное звено таких полимеров часто имеет сложное строение:

Свойства хелатных полимеров изучены еще недостаточно, но, несомненно, они очень интересны с многих точек зрения.

В зависимости от формы макромолекул высокомолекулярные соединения делятся на фибриллярные и глобулярные. У фибриллярных полимеров молекулы по форме представляют собой линейные или слабо разветвленные цепи. Фибриллярные высокомолекулярные соединения легко образуют надмолекулярные структуры в виде асимметричных пачек молекул – фибрилл. Цепи молекул внутри каждой фибриллы ориентированы в одном и том же направлении (целлюлозные волокна, полиамиды и др.).

Глобулярными называют высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых имеют форму более или менее шарообразных клубков, глобул, последней может быть сильно разветвленная макромолекула. Разрушение такой глобулы невозможно без химической деструкции макромолекулы. Возможно также образование глобул у фибриллярных высокомолекулярных соединений, связанное с изменением формы их молекул.

Отдельная глобула может быть образована гибкой линейной макромолекулой, свернувшейся в клубок под влиянием сил внутримолекулярного взаимодействия.

Строение полимеров в виде длинных макромолекул, звенья которых связаны химическими связями вдоль цепи макромолекул, доказано различными способами. Одним из мощных методов анализа химического строения молекул является метод рентгеноструктурного анализа. С помощью этого метода можно определять расстояние между центрами масс соседних атомов, связанных как химически, так и межмолекулярными (физическими) связями. Поскольку длины химических связей в низкомолекулярных кристаллических веществах хорошо известны, можно, проведя рентгеноструктурный анализ ориентированных полимерных систем, находящихся в кристаллическом состоянии, определить, какие из атомов расположены на расстоянии друг от друга, равном длине химической связи, а какие – на большем расстоянии, т. е. химически не связаны. Этим путем и было установлено наличие химических связей вдоль цепи макромолекулы и межмолекулярных связей у соседних атомов как внутри цепи, так и между соседними цепями.

Следует отметить, что наличие множества звеньев в макромолекуле обуславливает разнообразие химического строения полимеров. Например, каждое звено в процессе элементарного акта роста цепи может присоединяться к соседнему звену по-разному – «голова к голове», «хвост к хвосту» или «голова к хвосту». Различные варианты присоединения звена к растущей макромолекуле возможны для несимметричных мономеров типа

У таких мономеров возможны варианты «голова к голове»:

и «голова к хвосту»:

Возможно и чередование типов присоединения. Таким образом, полимер содержит не макромолекулы строго одинакового химического строения, а смесь изомерных макромолекул, что и отличает его от чистых низкомолекулярных веществ, построенных из одинаковых молекул.

В ряду замещенных предельных углеводородов с возрастанием числа углеродных атомов количество возможных изомеров быстро увеличивается. А когда число звеньев достигает десятков или сотен тысяч, то количество возможных изомеров будет выражаться астрономическими числами.

Полимеры, построенные из звеньев с регулярно чередующимся направлением заместителей, получили название стереорегулярных.

Если заместители расположены по одну сторону плоскости главных связей, стереорегулярные полимеры называются изотактическими, если по обе стороны – синдиотактическими.

Если заместители располагаются беспорядочно по обе стороны плоскости главных связей, их называют нерегулярными или атактическими:

Еще сложнее строение полимеров, полученных из дизамещенных мономеров, поскольку уже в самом мономере заместители могут располагаться по одну сторону первичных связей (цис-изомер) или по обе стороны (транс-изомер):

цис- транс-

Синтез макромолекул из цис-изомеров приводит к получению эритродиизотактических полимеров:

а из транс-изомеров – треодиизотактических полимеров:

Все изменения в химическом строении полимера влекут за собой изменение свойств материалов на их основе.

Вопросы, связанные со стереорегулярностью построения макромолекулярных цепей, очень интересны, но и не менее сложны, привлекают внимание исследователей многие годы. Материалы на основе стереорегулярных полимеров по свойствам сильно отличаются от материалов, созданных из нерегулярных полимеров. Они легко кристаллизуются, обеспечивая регулирование их физической структуры и свойств, а также расширяются температурные границы работоспособности. Классический пример «сшитого» полимера – отвержденные эпоксидные смолы:

Если все главные цепи в блоке полимерного материала связаны между собой пространственными связями или цепочками, блок можно рассматривать как одну гигантскую макромолекулу.

Сейчас установлено, что структурированные полимеры типа фенолоформальдегидных и эпоксидных смол вовсе не образуют правильную пространственную сетку с последовательным чередованием звеньев и сшивок. Блок такого пространственно-структурированного полимера часто построен из глобул, образующихся уже в процессе синтеза смол. Возникающие на первой стадии синтеза глобулярные образования растворяют мономер, и дальнейший процесс конденсации состоит в наращивании размеров глобул. На конечной стадии процесса глобулы содержат большое количество макромолекул. Это не мешает последующей химической связи между отдельными скрученными цепями.

Существует несколько основных способов получения сетчатых полимеров:

1. Проведение химической реакции между двумя (или более) различными функциональными концевыми группами, присоединенными к цепи небольшой молекулярной массы. В результате формируется частая сетка с короткими цепями между узлами сшивки.

2. Химическое связывание высокомолекулярных соединений по концевым группам с помощью низкомолекулярного сшивающего агента. В результате формируется редкая сетка с протяженными линейными фрагментами между узлами сшивки.

3. Образование сетки за счет сополимеризации двух - и полифункциональных мономеров. Примером такой сетки является система стирол - дивинилбензол:

4. Вулканизация полимерных цепей путем вовлечения в реакцию функциональных групп, расположенных вдоль основной цепи. Реакция проводится либо при использовании низкомолекулярного сшивающего агента, либо за счет радиации и других типов воздействия на функциональные группы.

5. Образование сеток за счет реакции двух (или более) разнородных полимеров по функциональным группам, расположенным вдоль цепи каждого из полимеров (т. е. в повторяющихся звеньях, а не по концам).

6. Синтез полимерных сеток с помощью реакции полициклотримеризации. Для этого используются олигомеры с концевыми группами, способными к образованию циклов в ходе реакции. Например, тримеризация бифункциональных олигомеров (или мономеров), содержащих цианатные концевые группы:

Возможны и другие пути получения полимерных сеток.

Относительно новым типом полимеров являются «интерполимеры», под которыми подразумевают систему, построенную из двух (или более) разнородных по химическому строению макромолекул, химически связанных между собой за счет функциональных групп, расположенных в повторяющихся звеньях каждой макромолекулы. Схематически это показано на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое изображение макромолекулы интерполимера

Конкретный пример такой системы – продукт взаимодействия полистирола с политрихлорбутадиеном:

Получение интерполимеров позволяет открывать возможности модификации структуры и свойств полимеров.

Таким образом, согласно современным представлениям о структуре и свойствах полимеров, структура полимера начинается уже с формы макромолекулы и ее расположения в пространстве. Макромолекула всегда является первичным элементом любой структуры (так же, как элементарное звено – первичный элемент химического строения цепи).

В лакокрасочной технологии химические процессы, приводящие к образованию пространственных полимеров, занимают особое место и являются важным приемом получения покрытий с заданными свойствами. Так, химическому отверждению при пленкообразовании подвергаются алкидные, феноло - и аминоформальдегидные, эпоксидные, полиуретановые и другие по молекулярной массе и свойствам пленкообразователи.

Перевод пленкообразователей в состояние «сетчатого» полимера пространственного строения приводит к улучшению атмосферо-, водо-, масло - и теплостойкости, твердости и прочности, адгезии и др.

Все термореактивные пленкообразователи содержат реакционноспособные группы, но в некоторых случаях для образования пространственного полимера необходим дополнительный реагент - отвердитель, как бы «сшивающий» макромолекулы между собой.

Чрезмерная частота межмолекулярных связей приводит к увеличению хрупкости и склонности пленки к растрескиванию, обусловленной возрастанием внутренних напряжений. Поэтому частоту связей регулируют путем изменения режима отверждения (температуры, длительности), числа функциональных групп пленкообразователя, а также природы и содержания отвердителя.

Довольно длительное время ученые создавали теории и модели, которые бы помогали объяснить основные свойства веществ и материй, из которых состоит окружающий мир.

В ходе истории было проведено множество опытов, экспериментов; были открыты новые законы и физико-химические свойства материалов. Во многом это происходило благодаря открытию понятий «молекула» и «атомно-молекулярное строение вещества». Поговорим о них подробнее в данной статье.

Появление понятия «атомно-молекулярное строение вещества»

Еще во времена Древней Греции появилась мысль о том, что всё на свете состоит из мельчайших частей. Эти частицы греки называли молекулами и атомами. Автором данной гипотезы был Демокрит, который впоследствии стал родоначальником атомистической теории. Но эти знания в те времена особо не развивались вплоть до 17 столетия. Все исследования материалов снова приводили к тому, что многие вещества состоят из молекул, структурной единицей которых являются атомы.

Позднее ученые стали приходить к выводам, что один тип минерала состоит, например, из железа на 38 % и из кислорода на 62 %, и каждый из образцов покажет такой химический состав. А вот если взять другое тело, с отличными свойствами, то анализ атомно-молекулярного строения вещества покажет, что оно состоит на 60 % из железа и на 40 % из кислорода.

Таким образом, несмотря на то что определенной концепции всё же не было, в ходе исследований начала появляться теория о том, что каждое вещество является разным набором молекул и атомов, которые определяют его основные свойства.

Развитие понятия «молекулярное строение вещества»

Впервые термин «молекула» был введен в 1811 году итальянским физико-химиком Амадео Авогадро. Именно он стал зачинателем теории атомно-молекулярного строения.

Подтверждения этой теории появились только в 1860-е годы, когда русский химик Бутлеров А. М. сформировал и сумел объяснить молекулярную теорию строения вещества. В соответствии с его работами свойства любого вещества определяются тем, как связаны между собой атомы в молекулах, их взаимодействием. Ученый выдвинул гипотезу относительно того, что молекула - это микрочастица материала, состоящая из атомов, которая способна существовать самостоятельно.

Закрепилось понятие молекулы благодаря трудам еще одного русского ученого. Речь идет о М. В. Ломоносове.

В развитии атомистического учения участвовало множество ученых со всего мира: Дж. Максвелл, Л. Больцман, Дж. Гиббс, Р. Клаузиус, Дж. Дальтон, Д. И. Менделеев, В. Рентген, А. Беккерель, Дж. Томсон, М. Планк и многие другие. Вклад этих людей в молекулярную физику и химию бесценен.

Суть молекулярной теории строения вещества

На основании комплекса учений за долгие годы была выведена молекулярная теория строения вещества. Существует несколько основных положений этой теории, а именно три базовых утверждения, которые были доказаны неоднократно путем проведения лабораторных исследований:

1. Любое тело состоит из самых мелких частиц - молекул и атомов, которые также состоят из более мелких элементов. Структура всех веществ прерывиста.
2. Атомы и молекулы находятся в непрестанном движении хаотической природы.
3. Все вещества взаимодействуют между собой на основании электромагнитных сил притяжения и отталкивания.

Обоснование тез молекулярно-кинетической теории

Первым подтверждением положений теории является броуновское движение, что было открыто в 1827 году известным ботаником Р. Броуном. Причина такого явления - хаотический ход молекул в разных направлениях, который происходит вследствие ударов их между собой.

Вторым подтверждением этой теории будут бессчётные опыты с процессом диффузии, то есть способности одного вещества проникать во второе. Ярким примером такого опыта из повседневной жизни являются духи или любое ароматное вещество. Если в помещении поместить такое вещество, через некоторый период аромат рассеется по всей его площади.

Атом и молекула

Сегодня эти термины уже обоснованы и выведены точно и аргументированно. Простым языком, атом - это химически неделимая частица любого вещества или материала, составляющая молекулы. А молекула - это также мельчайшая частичка чего-либо, но важно то, что именно она задает основные свойства тела. Молекулярное строение вещества является каркасом определенного материала, в соединениях которого находятся молекулы.

Если для материала характерна молекулярная кристаллическая решетка, то он, как правило, обладает невысокой твердостью, его легко расплавить; такое вещество будет летучим или растворимым в воде, электричество не проводит.

Наука, изучающая силу взаимодействия этих частиц и молекулярное строение тел, называется молекулярной физикой. Тут исследуются многообразные свойства тел в разных агрегатных состояниях.

Какие вещества имеют молекулярное строение?

Молекулярная связь, как правило, слабая и преобладает в органических веществах. Молекулярное строение имеют многие известные нам вещества. Например, вода (Н 2 О), водород (Н 2), хлор (Cl 2), углекислый газ (СО 2), кислород (О 2), этанол, или спирт этиловый (С 2 Н 5 ОН), органические полимеры и многие другие.

Другими словами, вещества, имеющие молекулярное строение, - это в основном газы. В них молекулы находятся далеко друг от друга и взаимодействуют слабо. Тесная связь между частницами того или иного вещества образует твердые тела. Единственная жидкость, которая имеет молекулярное строение, - это Br 2 . Это вещество обладает высокой летучестью.

К неметаллам с молекулярным строением относятся такие твердые вещества, как I 2 , P 4 , S 8 . Эти материалы легкоплавки и могут сублимироваться.

Все тела, которые нас окружают, состоят из атомов. Атомы, в свою очередь, собираются в молекулу. Именно благодаря различию в молекулярном строении, можно говорить об отличных друг от друга веществах, опираясь на их свойства и параметры. Молекулы и атомы всегда находятся в состоянии динамики. Двигаясь, они все же не разбегаются в разные стороны, а удерживаются в определенной структуре, чем мы обязаны существованию такого огромного разнообразия веществ во всем окружающем нас мире. Что же это за частички и каковы их свойства?

Общие понятия

Если отталкиваться от теории квантовой механики, то молекула состоит не из атомов, а их ядер и электронов, которые постоянно взаимодействуют между собой.

Для некоторых веществ молекула - это наименьшая частица, имеющая состав и химические свойства самой субстанции. Так, свойства молекул с точки зрения химии определяются ее и составом. Но только для веществ с молекулярным строением работает правило: химические и молекул одинаковы. Для некоторых полимеров, например, этилена и полиэтилена, состав не соответствует молекулярному.

Известно, что свойства молекул определяются не только количеством атомов, их типом, но и конфигурацией, порядком соединения. Молекула - это сложная архитектурная постройка, где каждый элемент стоит на своем месте и имеет своих конкретных соседей. Атомная структура может быть более или менее жесткой. Каждый атом совершает колебание относительно своего равновесного положения.

Конфигурация и параметры

Бывает, что некоторые части молекулы совершают вращение по отношению к другим частям. Так, в процессе теплового движения свободная молекула обретает причудливые формы (конфигурации).

В основном свойства молекул определяются связью (ее типом) между атомами и архитектурой самой молекулы (структурой, формой). Таким образом, в первую очередь общая химическая теория рассматривает химические связи и основывается на свойствах атомов.

При сильно выраженной полярности свойства молекул трудно описать двух- или трехконстантными корреляциями, которые отлично подходят для неполярных молекул. Поэтому был введен дополнительный параметр с дипольным моментом. Но такой способ не всегда успешен, так как полярные молекулы имеют индивидуальные характеристики. Также были предложены параметры для учета квантовых эффектов, имеющие важность при низких температурах.

Что мы знаем о молекуле самого распространенного вещества на Земле?

Из всех веществ на нашей планете, самое распространенное - это вода. Она, в прямом смысле, обеспечивает жизнь всему сущему на Земле. Только вирусы могут без нее обойтись, остальные живые структуры в своем составе по большей части имеют воду. Какие свойства молекулы воды, характерные только ей, используются в хозяйственной жизни человека и живой природе Земли?

Ведь это поистине уникальная субстанция! Набором свойств, присущих воде, не может похвастаться больше ни одно вещество.

Вода — это основной растворитель в природе. Все реакции, протекающие в живых организмах, так или иначе происходят в водной среде. То есть вещества вступают в реакции, находясь в растворенном состоянии.

Вода обладает отличной теплоемкостью, но низкой теплопроводностью. Благодаря таким свойствам мы можем использовать ее в качестве транспортировки тепла. Этот принцип входит в механизм охлаждения большого числа организмов. В атомной энергетике свойства молекулы воды послужили поводом для использования этого вещества в качестве теплоносителя. Помимо возможности быть реактивной средой для других веществ, вода сама может вступать в реакции: фотолиз, гидратацию и другие.

Природная чистая вода - это жидкость, не имеющая запаха, цвета и вкуса. Но на толщине слоя, большем чем 2 метра, цвет становится голубоватым.

Вся молекула воды - это диполь (два разноименных полюса). Именно дипольная структура в основном определяет необычные свойства этого вещества. Молекула воды является диамагнетиком.

Еще одним интересным свойством обладает талая вода: ее молекула приобретает строение золотой пропорции, а структура вещества - пропорции золотого сечения. Многие свойства, которыми обладает молекула воды, установлены с помощью анализа поглощения и испускания полосатых спектров в газовой фазе.

Естествознание и молекулярные свойства

Все вещества, кроме химических, имеют физические свойства молекул, входящих в их структуру.

В физической науке понятие молекул используют для объяснения свойств твердых тел, жидкостей и газов. Способность всех веществ к диффузии, их вязкость, теплопроводность и другие свойства определяются подвижностью молекул. Когда французский ученый-физик Жан Перрен изучал броуновское движение, он экспериментально доказал существование молекул. Все живые организмы существуют благодаря тонко сбалансированному внутреннему взаимодействию в структуре. Все химические и физические свойства веществ имеют фундаментальное значение для естествознания. Развитие физики, химии, биологии и молекулярной физики послужило возникновению такой науки, как молекулярная биология, исследующая основные явления в жизни.

Используя статистическую термодинамику, физические свойства молекул, которые определяют методами молекулярной спектроскопии, в физической химии определяют веществ, необходимые для расчета химических равновесий и скоростей его установления.

Чем отличаются свойства атомов и молекул между собой?

Прежде всего, атомы не встречаются в свободном состоянии.

У молекул оптические спектры более богаты. Это связано с меньшей симметрией системы и с появлением возможности новых вращений и колебаний ядер. У молекулы суммарная энергия складывается из трех энергий, отличных по порядку величин составляющих:

• электронной оболочки (оптическое или ультрафиолетовое излучение);
• колебания ядер (инфракрасная часть спектра);
• вращения молекулы в целом (радиочастотный диапазон).

Атомы излучают характерные а молекулы - полосатые, состоящие из множества близко расположенных линий.

Спектральный анализ

Оптические, электрические, магнитные и другие свойства молекулы определяются еще и связью с Данные о состояниях молекул и вероятном переходе между ними показывают молекулярные спектры.

Переходы (электронные) в молекулах показывают химические связи и структуру их электронных оболочек. Спектры, имеющие большее количество связей, имеют длинноволновые полосы поглощения, попадающие в видимую область. Если вещество построено из таких молекул, оно имеет характерную окраску. Это все

Свойства молекул одной и той же субстанции являются одинаковыми во всех агрегатных состояниях. Это значит, что у одних и тех же веществ свойства молекул жидких, газообразных субстанций не отличаются от свойств твердого. Молекула одного вещества всегда имеет одинаковую структуру, независимо от агрегатного состояния самого вещества.

Электрические характеристики

То, как вещество ведет себя в электрическом поле, определяется электрическими характеристиками молекул: поляризуемостью и постоянным дипольным моментом.

Дипольный момент - это электрическая асимметрия молекулы. У молекул, которые имеют центр симметрии, как H 2 , нет постоянного дипольного момента. Способность электронной оболочки молекулы перемещаться под воздействием электрического поля, в результате которого в ней образуется наведенный дипольный момент, - это поляризуемость. Чтобы найти значение поляризуемости и дипольного момента, необходимо измерить диэлектрическую проницаемость.

Поведение в переменном электрическом поле световой волны характеризуют оптические свойства вещества, которые определяются поляризуемостью молекулы этой субстанции. Непосредственно с поляризуемостью связаны: рассеяние, преломление, оптическая активность и другие явления молекулярной оптики.

Часто можно услышать вопрос: «От чего, кроме молекул, зависят свойства вещества?» Ответ на него достаточно прост.

Свойства веществ, кроме изометрии и кристаллической структуры, определяются температурой окружающей среды, самой субстанции, давлением, наличием примесей.

Химия молекул

До формирования такой науки, как квантовая механика, природа химических связей в молекулах была нераскрытой тайной. Классическая физика объяснить направленность и насыщаемость валентных связей не могла. После создания базовых теоретических сведений о химической связи (1927 г.) на примере простейшей молекулы Н2, теория и методы расчёта стали постепенно совершенствоваться. К примеру, на основе широкого применения метода молекулярных орбиталей, квантовой химии, стало возможным вычислять межатомные расстояния, энергию молекул и химических связей, распределение электронной плотности и других данных, которые вполне совпадали с экспериментальными.

Вещества с одинаковым составом, но разным химическим строением и разными свойствами, называются структурными изомерами. У них разные структурные формулы, но одинаковые молекулярные.

Известны различные типы структурной изомерии. Различия заключаются в строении углеродного скелета, положении функциональной группы или положении кратной связи. Кроме того, еще существуют пространственные изомеры, у которых свойства молекулы вещества характеризуются одинаковым составом и химическим строением. Поэтому и структурные, и молекулярные формулы у них одинаковые. Отличия заключаются в пространственной форме молекулы. Для изображения разных пространственных изомеров используют специальные формулы.

Есть соединения, которые называются гомологами. Они похожи по строению и свойствам, но отличаются по составу на одну или несколько групп СН2. Все вещества, похожие по строению и свойствам, объединены в гомологические ряды. Изучив свойства одного гомолога, можно рассуждать о любом другом из них. Совокупность гомологов - это гомологический ряд.

При преобразованиях структур вещества химические свойства молекул резко меняются. Примером служат даже простейшие соединения: метан, соединяясь даже с одним атомом кислорода, становится ядовитой жидкостью с названием метанол (метиловый спирт - СН3ОН). Соответственно, его химическая комплементарность и действие на живые организмы становятся другими. Аналогичные, но более сложные изменения, происходят при модификации структур биомолекул.

Химические молекулярные свойства сильно зависят от строения и свойств молекул: от энергетических связей в ней и геометрии самой молекулы. Особенно это работает в биологически активных соединениях. Какая конкурирующая реакция окажется преобладающей, часто определяется только пространственными факторами, зависящими, в свою очередь, от исходных молекул (их конфигурации). Одна молекула, имеющая «неудобную» конфигурацию, вообще не вступит в реакцию, а другая, с таким же химическим составом, но другой геометрией, может среагировать на реакцию мгновенно.

Большое число биологических процессов, наблюдающихся при росте и размножении, связано с геометрическими соотношениями между продуктами реакции и исходными веществами. К сведению: действие немалого количества новых лекарств основывается на аналогичном строении молекул какого-либо соединения, вредного с биологической точки зрения для человеческого организма. Лекарство занимает место вредоносной молекулы и затрудняет ее действие.

С помощью химических формул выражают состав и свойства молекул разных веществ. На основании молекулярной массы, устанавливается атомное соотношение и составляется эмпирическая формула.

Геометрия

Определение геометрической структуры молекулы производится с учетом равновесного расположения атомных ядер. От расстояния между ядрами атомов зависит энергия взаимодействия атомов. При очень больших расстояниях эта энергия нулевая. При сближении атомов начинает формироваться химическая связь. Тогда атомы сильно притягиваются друг к другу.

Если наблюдается слабое притяжение, то образование химической связи при этом не обязательно. Если атомы начинают сближаться на более близкие расстояния, между ядрами начинают действовать электростатические силы отталкивания. Препятствием для сильного сближения атомов является несовместимость их внутренних электронных оболочек.

Размеры

Невооруженным глазом увидеть молекулы невозможно. Они так малы, что даже микроскоп с 1000-кратным увеличением нам не поможет их разглядеть. Биологи наблюдают бактерии размером 0,001 мм. Но молекулы в сотни и тысячи раз меньше их.

Сегодня строение молекул некой субстанции определяют дифракционными методами: дифракцией нейтронов, рентгеноструктурным анализом. Также существует колебательная спектроскопия и электронный парамагнитный метод. Выбор метода зависит от типа вещества и его состояния.

Размер молекулы - это условная величина, если учитывать электронную оболочку. Дело в расстояниях электронов от атомных ядер. Чем они больше, тем вероятность найти электроны молекулы меньше. На практике размер молекул можно определить, учитывая равновесное расстояние. Это тот промежуток, на который сами молекулы могут сблизиться при плотной упаковке в молекулярном кристалле и в жидкости.

Большие расстояния располагают молекулы к притяжению, а малые, наоборот, к отталкиванию. Поэтому рентгеноструктурный анализ молекулярных кристаллов помогает найти размеры молекулы. Используя коэффициент диффузии, теплопроводности и вязкости газов, а также плотности вещества в конденсированном состоянии, можно определить порядок величины молекулярных размеров.