Кислород. Молекула, изменившая мир

Беккерель первым обратил внимание на расщепление воды под действием радиации. Он начал экспериментировать с радием вскоре после того, как Мария Кюри выделила достаточное для работы количество этого элемента. В конце 1890-х гг. Беккерель классифицировал известные варианты радиоактивного излучения в соответствии с их проникающей способностью. Излучение, которое можно перекрыть листом бумаги, названо альфа-излучением (на самом деле это поток ядер гелия). Излучение, экранируемое металлической пленкой миллиметровой толщины, стало называться бета-излучением (теперь известно, что это поток быстрых электронов). А излучение, которое входит в металлическую пластину на глубину один сантиметр, — это гамма-излучение (электромагнитные лучи, близкие по энергетическому диапазону к рентгеновским лучам). Все три типа излучения способны выбивать электроны из атомов, в результате чего атомы приобретают электрический заряд. Вот почему Кюри обнаружили электрическое поле вокруг образца уранинита. Потеря или приобретение электронов атомом (с образованием положительно или отрицательно заряженных ионов) называется ионизацией, а потому это излучение называется ионизирующим излучением. Излучение сопровождается и другими процессами, такими как выделение тепла, возбуждение электронов, расщепление химических связей, а также ядерные реакции, о которых мы говорили в главе 3.

Беккерель обнаружил, что радий испускает альфа- и гамма-лучи. Под действием этого излучения вода расщепляется на водород и кислород. Сам по себе факт расщепления воды на составляющие элементы не был неожиданностью, поскольку еще Лаплас и Лавуазье в 1770-х гг. показали, что вода состоит из водорода и кислорода. Однако излучение не может сразу расщепить воду на газообразные молекулы водорода и кислорода (Н₂ и О₂) из-за «неправильного» соотношения атомов в молекуле воды (Н₂О):

H₂O → H₂ + O₂

В школе вам наверняка приходилось составлять химические уравнения. Так вот это уравнение незакончено. Мы имеем два атома кислорода в правой части и лишь один атом в левой части. Чтобы придать уравнению законченный вид, удвоим число молекул воды:

2H₂O = 2H₂ + O₂

Но когда речь идет об излучении, дело обстоит иначе. Это не химическая реакция между молекулами, а взаимодействие излучения с одной молекулой воды. Ионизирующая радиация всегда действует на вещество на уровне отдельных атомов, и поэтому в данном процессе не образуются сразу молекулы водорода и кислорода. Состав первичных продуктов этой реакции обсуждался учеными на протяжении всего ХХ в., поскольку продукты эти очень недолговечны. Даже сегодня в данном вопросе нет полной ясности. Первую стадию можно записать следующим образом:

H₂O → H⁺ + e^- + OH⁺

Здесь Н⁺ — это протон (атом водорода, потерявший электрон), е^- — растворенный (сольватированный) электрон, а ОН⁺ — свободный радикал, называемый гидроксильным радикалом. Эта безжалостная молекула относится к числу самых реакционноспособных химических частиц.

Свободными радикалами называют молекулы, которые можно выделить в виде индивидуальных частиц и которые обладают неспаренным электроном. Такие частицы характеризуются неустойчивой электронной конфигурацией. Они ищут стабильности, достичь которой могут в результате реакций с другими молекулами. Таким образом, многие свободные радикалы являются очень активными химическими частицами. Однако неправильно будет сказать, что все свободные радикалы очень реакционноспособны. Например, молекула кислорода содержит два неспаренных электрона и поэтому в принципе может быть названа свободным радикалом. Но тот факт, что в присутствии кислорода немедленно не возникает пожар, свидетельствует, что не все свободные радикалы чрезвычайно активны. Мы поговорим об этом чуть позже.

В приведенной выше реакции атом кислорода потерял один электрон, но до образования газообразной молекулы О₂ еще далеко. Для превращения молекулы воды в молекулу кислорода два атома кислорода должны отдать четыре электрона. В обратном процессе превращения кислорода в воду, как при дыхании, к двум атомам кислорода необходимо добавить четыре электрона. Электроны теряются или приобретаются по одному, через образование трех промежуточных соединений: гидроксильного радикала (ОН⁺), пероксида водорода (Н₂О₂) и супероксидного радикала (О₂^-+)[33]. Эти продукты возникают как при превращении кислорода в воду, так и при превращении воды в кислород (см. рис. 7). И именно они отвечают более чем за 90% повреждений биологических молекул, происходящих под действием некоторых форм радиации.