Особенности атомов четырех элементов таблицы Менделеева, составляющих основу всех биологических молекул: водорода, углерода, азота и кислорода.
Водород. Номер 1 в таблице Менделеева. Малое по размеру ядро несет единичный положительный заряд. Электрон находится на первой, близкой к ядру орбите. Атом водорода легко теряет электрон, образуя положительный ион Н+. Говорят, что атом водорода является хорошим донором электрона, переходящего к другим атомам. Ион Н+ играет важную роль в биохимических реакциях.
Углерод (№ 6). Заметно большее, чем у водорода ядро имеет заряд +6. Соответственно, электронов тоже 6. Два электрона, первой, ближайшей к ядру оболочки не способны участвовать в образовании химических связей. На второй, «валентной» оболочке — 4 электрона. Они могут находиться в двух состояниях. Первое — когда два электрона из четырех спарены (определенным образом связаны между собой) и потому не могут принимать участия в образовании химических («ковалентных») связей с другими атомами. В этом состоянии углерода двухвалентен, как например, в молекуле СО. В образовании связей участвуют только два не спаренных электрона второй оболочки. Ковалентную связь между двумя атомами образуют два валентных электрона — по одному от каждого из атомов. Эти электроны спариваются и обращаются по общей орбите вокруг обоих ядер. В этом «совладении» электронами и состоит химическая связь. Если электроны спарены на орбите одного из атомов, то они в химической связи участвовать не могут.
Однако, как раз у углерода спаренные электроны наружной оболочки легко разъединяются и приобретают способность участвовать в образовании ковалентных связей. В этом состоянии углерод четырехвалентен (например, COg). Четырехвалентный углерод, связываясь с четырьмя другими атомами (например, в молекуле метана СН4), образует очень устойчивую пространственную конфигурацию тетраэдра, в центре которого находится ядро углерода.
Добавим, что ядро углерода прочно удерживает все четыре валентных электрона внешней оболочки. Поэтому углерод не склонен образовывать ион.
Азот (№ 7). В нормальном состоянии имеет на внешней оболочке пять электронов, из которых два спарены. Поэтому в соединениях азот чаще- всего трехвалентен (например, в аммиаке — NH3). Однако образование тетраэдрической структуры настолько выгодно, что атом азота охотно отдает один из спаренных электронов и превращается в четырехвалентный положительно заряженный ион, который соединяется ковалентно с четырьмя другими атомами, например в ионе аммония NH3.
К взаимоотношениям нормального, трехвалентного азота и водорода стоит присмотреться внимательнее.
Во-первых, партнерство маленького водорода с более крупным азотом далеко не равноправное. Общая пара электронов должна обегать оба ядра. Но в окрестностях азота она проводит куда больше времени, чем около ядра водорода. Это означает, что атом азота получает небольшой дополнительный отрицательный заряд (его обозначают 5-), а водород оказывается в такой же мере положительно заряженным (б+). Происходит смещение заряда . Значки 5 на этом рисунке не имеют количественного смысла, а лишь обозначают малую величину, заведомо меньшую 1. ............
