Начало — здесь.
В этот раз мы собирались поговорить об обмене веществ. Однако для того чтобы разобраться в этом сложном процессе, необходимо вспомнить основные понятия школьного курса химии и физики.

молекула водыНачнем с молекул. Молекула, как нам твердили в школе, – наименьшая частица вещества, сохраняющая все его свойства. Она может быть разделена на части, которые свойствами данного вещества не обладают. Например, молекула воды – это минимальное ее количество, которое еще является водой по своим химическим свойствам. Но если молекулу воды разделить на составляющие части (например, пропустив через подкисленную воду электрический ток), получатся водород и кислород, которые совсем никакая и не вода.

Молекулы состоят из атомов. Атом – это наименьшая частица химического элемента, а элементы в свою очередь – простейшие кирпичики, из которых состоит окружающий мир.

Атомы постоянно занимаются тем, что объединяются в молекулы, а помогает им в этом деле электрический заряд.
Надеюсь, все помнят, что заряд – это способность одного объекта притягивать или отталкивать другие. Причём притягиваются заряды разных типов, а отталкиваются — одного. Поэтому их так и называют — положительные и отрицательные.
В любом атоме есть ядро с положительным зарядом. Отрицательно заряженными частицами в атоме являются электроны (те самые, чье движение в проводах называется электрическим током).

Атом может потерять электрон или, наоборот, хапнуть лишний, и тогда он приобретает заряд. У «растеряхи» он положительный, у «жадины» – отрицательный. Такие атомы называются ионами. Причин образования ионов множество: сильный нагрев, воздействие высокого электрического напряжения или простое растворение вещества в воде или другом растворителе и т.п.

А зачем это нам нужно знать? Затем, что ионы активнее атомов и легче вступают в реакции. Химическая реакция – это превращение одного вещества (нескольких веществ) в другое (другие). Например, если в раствор соды добавить лимонную кислоту, в результате не останется ни того, ни другого (при правильно подобранном количестве обоих веществ), а получатся лимоннокислый натрий, углекислый газ и вода. Именно на этом основан шипучий эффект некоторых таблеток. Кроме лекарства в их состав входят лимонная кислота и сода; выделяющийся при их взаимодействии в растворе углекислый газ делает воду шипучей.

Электроны в атоме организованы в оболочки. Внешняя оболочка (ее еще называют валентной) играет важную роль в химических реакциях с участием атома.

Максимальное число электронов внешней оболочки равно восьми (у водорода и гелия – двум). Если их число меньше или равно четырем (половине максимума), атом отдает электроны, если больше – забирает, восполняя собственную внешнюю оболочку до заветной восьмерки. При этом число электронов начинает отличаться от величины заряда ядра, и отдавший электроны атом приобретает положительный заряд, а получивший – отрицательный. Поскольку разные заряды притягиваются друг к другу, это удерживает атомы в молекуле вместе.
Вспомним пример с поваренной солью, растворенной в воде. У атома хлора на внешней оболочке 7 электронов, у натрия – 1. Хлор отбирает этот единственный электрон у натрия, поэтому в растворе его ион имеет отрицательный заряд, а натрия – положительный.

Получение электронов называется восстановлением, а отдающий их атом – восстановителем. В ходе реакции восстановитель окисляется, а окислитель, напротив, восстанавливается. Окислители и восстановители бывают разной силы.
Так сера, имеющая 6 электронов на валентной оболочке, охотно отбирает их у металлов, но при взаимодействии с кислородом, обладающим более маленьким атомом и таким же числом электронов внешней оболочки, сама их отдает ему… Поскольку то и другое происходит одновременно, реакция называется окислительно-восстановительной. Окислительно-восстановительные реакции имеют крайнюю важность, ибо в ходе их протекания высвобождается энергия – хоть в газовой плитке, хоть в нашем организме.

электронА что это за зверь такой – энергия? Вкратце, это способность одного объекта изменять состояние другого: перемещать его в пространстве, повышать его температуру, изменять его форму или свойства. Например, при ковке молот меняет форму изделия. Это – механическая энергия. Или, скажем, выстрел из артиллерийского орудия – это химическая энергия пороха, преобразуясь в механическую энергию сжатых горячих газов, выталкивает снаряд из ствола. Электрическая энергия позволяет вскипятить чайник.

При некоторых химических реакциях энергия выделяется, некоторые, напротив, требуют притока энергии извне. Примером первых служит горение, скажем, газа в конфорке. Углерод и водород газа окисляются кислородом воздуха и при этом разогреваются за счет выделяющейся энергии. Выделяется энергия и при усвоении питательных веществ в организме, процесс аналогичен горению, но идет намного медленнее, а выделившаяся энергия запасается в химической форме в определенном веществе (АТФ, речь о нем пойдет позже), которое при необходимости отдает ее для поддержания жизненных процессов.

А бывают и такие реакции, для запуска которых необходим однократный приток энергии извне. Например, для того чтобы газ начал «общаться» с кислородом, его надо поджечь, то есть нагреть за счет внешнего источника энергии до необходимой температуры. Но энергия для запуска этих реакций может получаться не только от спички или зажигалки, но и от другого вещества. Само оно в реакции не участвует и остается неизменным, но предоставляет энергию, необходимую для запуска и поддержания реакции. Такие вещества называются катализаторами. Простейший пример катализатора – обычная вода. Помните шипучую таблетку? Сухие сода и лимонная кислота в ее составе мирно сосуществуют годами. Но если смешать их в воде, то она даст энергию, разделяющую оба вещества на ионы, между которыми и происходит реакция…