Атомы и молекулы

Цитология с основами естественных наук

(введение в современную биологию " с нуля")

Обратите внимание на знаки

"! " -полезная дополнительная информация, необязательная для понимания основной части курса.

"? " -вопросы, размышление над которыми позволит углубить Ваше понимание материала курса.

Жирным шрифтом выделены новые для Вас термины.

Глава 1.

Атомы и молекулы

Рис. 1. Рисунки и графические формулы нескольких молекул. В графических формулах атомы обозначены буквами, а химические связи между ними – палочками. Видно, что химические связи бывают одинарными, двойными и тройными

Как Вы уже, наверное, слышали, большинство окружающих нас предметов состоит из очень мелких, невидимых простым глазом частиц - молекул. Молекулы, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц – атомов, соединённых друг с другом химическими связями. На рис. 1 – молекулы воды, кислорода и еще нескольких веществ. Обратите внимание: атомы и состоящие из них молекулы часто называются одинаково. Слово «кислород» может означать атом кислорода, молекулу кислорода (она состоит из двух атомов кислорода, соединённых двойной связью) и даже газ кислород, состоящий из большого числа молекул кислорода. Большую группу одинаковых молекул называют веществом.

Любые молекулы непрерывно двигаются (это движение называется тепловым движением). В жидкостях и газах молекулы летают по всей толще жидкости (по всему объему сосуда с газом), сталкиваясь и отскакивая друг от друга, как бильярдные шары. При повышении температуры жидкости (газа) они двигаются все быстрее и быстрее. Если понижать температуру, то скорость движения молекул будет уменьшаться, и наступит момент (при температуре -273°С), когда молекулы остановятся.

? Как, по-Вашему, должны двигаться молекулы твердых веществ? Почему Вы так думаете?

? На столе стоит стакан с водой. Что находится в пространстве между молекулами воды? Пожалуйста, выберите из следующих вариантов: вода, воздух, вакуум, стекло. Обсудите этот вопрос с учителем.

Рис. 2. Тепловое движение молекул

Любая группа молекул в пустоте (вакууме) самопроизвольно рассеивается (см. рис. 2: молекулам на периферии скопления ничто не может помешать улететь от него сколь угодно далеко). Если рядом оказывается несколько скоплений различных молекул, они, рассеиваясь, проникают друг в друга, и разные молекулы перемешиваются (пример - растворение куска сахара в стакане с водой. Даже если воду не перемешивать, молекулы сахара за несколько дней рассеются по всему объему стакана, и раствор станет одинаково сладким в любой точке). Любой подобный процесс называют диффузией.

Для описания диффузии удобно пользоваться словом " концентрация ". Оно имеет несколько похожих, но все-таки разных значений. Вот самое простое из них. Концентрация - это количество частиц данного вещества в единичном объеме (то есть в одном кубическом миллиметре, сантиметре или метре). Тогда диффузия - это процесс рассеивания вещества из области пространства с его высокой концентрацией в области пространства с его низкой концентрацией.

Осмос

Рис. 3. Осмос. Вода постепенно диффундирует сквозь целлофановую плёнку внутрь мешочка

Давайте проделаем такой опыт. Возьмем кусочек целлофановой пленки и привяжем его ниткой к стеклянной трубочке (рис. 3). Через эту трубочку наполним получившийся целлофановый мешочек сладкой водой (раствором обычного сахара). Теперь опустим трубочку с мешочком на конце в чистую воду так, чтобы уровни воды в трубке и в стакане сравнялись, и подождем некоторое время. Вода в трубке начнет подниматься все выше и выше над уровнем воды в стакане и, наконец, остановится.

Рис. 4. Механизм осмоса. Видны молекулы воды, сахара и целлофановая плёнка с дырочками. Осмос происходит, если молекулы воды свободно проходят сквозь дырочки, а молекулы сахара – нет.

Что произошло? Как Вы уже догадались, в целлофановой пленке имеются маленькие дырочки такого размера, что молекулы воды свободно через них проходят, а молекулы сахара " не пролезают" (рис. 4). Молекулы воды могут пролетать сквозь каждую дырочку как внутрь мешочка, так и наружу. Однако внутри мешочка часть объема занята молекулами сахара. Поэтому в непосредственной близости от дырочки внутри мешочка молекул воды всегда меньше, чем снаружи. Это значит, что число молекул, влетающих внутрь мешочка, всегда больше числа вылетающих из него, и постепенно в мешочке молекул воды становится все больше и больше. Вода заполняет мешочек и начинает вытесняться из него в стеклянную трубочку. Подобные явления называют осмосом.

Можно вспомнить о концентрации и сказать, что суть осмоса в том, что вода проникает сквозь целлофановую пленку из области своей высокой концентрации в область своей низкой концентрации, т.е. диффундирует. Иначе говоря, осмос - это диффузия воды сквозь полупроницаемую перегородку (перегородку называют полупроницаемой, если сквозь нее не проходит хотя бы одно из разделенных ею веществ).