2.1: Атоми, ізотопи, іони та молекули - будівельні блоки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1441

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Визначте матерію та елементи
Опишіть взаємозв'язок між протонами, нейтронами та електронами
Порівняйте способи, за допомогою яких електрони можуть бути пожертвувані або ділитися між атомами
Поясніть способи, за допомогою яких природні елементи поєднуються для створення молекул, клітин, тканин, систем органів та організмів

На самому фундаментальному рівні життя складається з матерії. Матерія - це будь-яка речовина, яка займає простір і має масу. Елементи - це унікальні форми матерії зі специфічними хімічними та фізичними властивостями, які не можуть бути розщеплені на більш дрібні речовини звичайними хімічними реакціями. Є 118 елементів, але тільки 92 зустрічаються природним шляхом. Решта елементи синтезуються в лабораторіях і є нестабільними.

Кожен елемент позначається своїм хімічним символом, який представляє собою єдину велику літеру або, коли перша буква вже «взята» іншим елементом, поєднанням двох букв. Деякі елементи слідують англійському терміну для елемента, наприклад C для вуглецю та Ca для кальцію. Хімічні символи інших елементів походять від їх латинських назв; наприклад, символом натрію є Na, посилаючись на натрій, латинське слово для натрію.

Чотири елементи, загальні для всіх живих організмів, - це кисень (O), вуглець (C), водень (H) та азот (N). У неживому світі елементи зустрічаються в різних пропорціях, а деякі загальні для живих організмів елементи відносно рідкісні на землі в цілому, як показано в табл\(\PageIndex{1}\). Наприклад, атмосфера багата азотом і киснем, але містить мало вуглецю та водню, тоді як земна кора, хоча вона містить кисень і невелику кількість водню, має мало азоту та вуглецю. Незважаючи на їх відмінності в достатку, всі елементи і хімічні реакції між ними підкоряються однаковим хімічним і фізичним законам незалежно від того, є вони частиною живого чи неживого світу.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Приблизний відсоток елементів в живих організмах (людях) порівняно з неживим світом
Елемент	Життя (Люди)	Атмосфера	земна кора
Кисень (O)	65%	21%	46%
Вуглець (C)	18%	слід	слід
Водень (Н)	10%	слід	0,1%
Азот (N)	3%	78%	слід

будова атома

Щоб зрозуміти, як елементи об'єднуються, ми повинні спочатку обговорити найменший компонент або будівельний блок елемента, атом. Атом - це найменша одиниця речовини, яка зберігає всі хімічні властивості елемента. Наприклад, один атом золота має всі властивості золота в тому, що це твердий метал при кімнатній температурі. Золота монета - це просто дуже велика кількість атомів золота, сформованих у формі монети і містять невелику кількість інших елементів, відомих як домішки. Атоми золота не можна розбити на щось менше, зберігаючи при цьому властивості золота.

Атом складається з двох областей: ядра, яке знаходиться в центрі атома і містить протони і нейтрони, і крайньої області атома, яка тримає свої електрони на орбіті навколо ядра, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\). Атоми містять протони, електрони та нейтрони, серед інших субатомних частинок. Виняток становить лише водень (Н), який складається з одного протона і одного електрона без нейтронів.

Ця ілюстрація показує, що подібно до планет, що обертаються навколо Сонця, електрони обертаються навколо ядра атома. Ядро містить два нейтрально заряджених нейтрона, і два позитивно заряджених протона, представлених сферами. Одинарна кругова орбіта, що оточує ядро, містить два негативно заряджених електронів з протилежних сторін. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Елементи, такі як гелій, зображені тут, складаються з атомів. Атоми складаються з протонів і нейтронів, розташованих всередині ядра, з електронами на орбіталі, що оточують ядро.

Протони і нейтрони мають приблизно однакову масу, приблизно 1,67 × 10 ^-24 грами. Вчені довільно визначають цю кількість маси як одну атомну одиницю маси (аму) або одну дальтон, як показано в табл\(\PageIndex{2}\). Хоча схожі за масою, протони і нейтрони відрізняються своїм електричним зарядом. Протон позитивно заряджений, тоді як нейтрон не заряджений. Тому кількість нейтронів в атомі значно сприяє його масі, але не його заряду. Електрони набагато менше за масою, ніж протони, вагою всього 9,11 × 10 ^-28 грам, або близько 1/1800 одиниці атомної маси. Отже, вони не дуже сприяють загальній атомній масі елемента. Тому при розгляді атомної маси прийнято ігнорувати масу будь-яких електронів і розраховувати масу атома виходячи з кількості одних лише протонів і нейтронів. Незважаючи на те, що не є значними факторами маси, електрони роблять значний внесок у заряд атома, оскільки кожен електрон має негативний заряд, рівний позитивному заряду протона. У незаряджених, нейтральних атомах кількість електронів, що обертаються навколо ядра, дорівнює кількості протонів всередині ядра. У цих атомах позитивні та негативні заряди скасовують один одного, що призводить до атома без чистого заряду.

Враховуючи розміри протонів, нейтронів та електронів, більша частина об'єму атома - більше 99 відсотків - насправді є порожнім простором. З усім цим порожнім простором можна запитати, чому так звані тверді предмети не просто проходять один через одного. Причина, по якій вони цього не роблять, полягає в тому, що електрони, які оточують всі атоми, негативно заряджені, а негативні заряди відштовхують один одного.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Протони, Нейтрони та Електрони
	Заряджати	Маса (аму)	Розташування
Протон	+1	1	ядра
Нейтронний	0	1	ядра
Електрон	—1	0	орбіталі

Атомний номер і маса

Атоми кожного елемента містять характерну кількість протонів і електронів. Кількість протонів визначає атомний номер елемента і використовується для відрізнення одного елемента від іншого. Кількість нейтронів є змінною, в результаті чого утворюються ізотопи, які є різними формами одного і того ж атома, які змінюються лише кількістю нейтронів, якими вони володіють. Разом кількість протонів і кількість нейтронів визначають масове число елемента, як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\). Відзначимо, що малий внесок маси від електронів не враховується при обчисленні масового числа. Це наближення маси може бути використано для того, щоб легко обчислити, скільки нейтронів має елемент, просто віднімаючи кількість протонів з числа маси. Оскільки ізотопи елемента матимуть дещо інші масові числа, вчені також визначають атомну масу, яка є розрахунковим середнім числом маси для його природних ізотопів. Найчастіше отримане число містить дріб. Наприклад, атомна маса хлору (Cl) становить 35,45, оскільки хлор складається з декількох ізотопів, деякі (більшість) з атомною масою 35 (17 протонів і 18 нейтронів), а деякі з атомною масою 37 (17 протонів і 20 нейтронів).

Мистецтво З'єднання

Скільки нейтронів мають відповідно вуглець-12 і вуглець-13?

Ізотопи

Ізотопи - це різні форми елемента, які мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Деякі елементи, такі як вуглець, калій та уран, мають природні ізотопи. Вуглець-12 містить шість протонів, шість нейтронів і шість електронів; отже, він має масове число 12 (шість протонів і шість нейтронів). Вуглець-14 містить шість протонів, вісім нейтронів і шість електронів; його атомна маса 14 (шість протонів і вісім нейтронів). Ці дві альтернативні форми вуглецю - ізотопи. Деякі ізотопи можуть випромінювати нейтрони, протони та електрони та досягати більш стабільної атомної конфігурації (нижчий рівень потенційної енергії); це радіоактивні ізотопи або радіоізотопи. Радіоактивний розпад (вуглець-14 втрачає нейтрони, щоб згодом стати вуглецем-12) описує втрати енергії, що виникають, коли ядро нестабільного атома випускає випромінювання.

Еволюція зв'язку: Вуглецеві знайомства

Вуглець зазвичай присутній в атмосфері у вигляді газоподібних сполук, таких як вуглекислий газ і метан. Вуглець-14 (\(\ce C^{14}\)) - це природний радіоізотоп, який створюється в атмосфері з атмосфери\(\ce N^{14}\) (азоту) шляхом додавання нейтрона і втрати протона через космічних променів. Це безперервний процес, тому завжди\(\ce C^{14}\) створюється більше. Оскільки живий організм\(\ce C^{14}\) спочатку включає в себе як вуглекислий газ, зафіксований в процесі фотосинтезу, відносна кількість\(\ce C^{14}\) в його організмі дорівнює концентрації\(\ce C^{14}\) в атмосфері. Коли організм помирає, він більше не проковтує\(\ce C^{14}\), тому співвідношення між\(\ce C^{14}\) і\(\ce C^{12}\) буде зменшуватися, оскільки поступово\(\ce C^{14}\) розпадається до\(\ce N^{14}\) процесу, який називається бета-розпадом - випромінювання електронів або позитронів. Цей розпад виділяє енергію в повільному процесі.

Приблизно через 5,730 років половина початкової концентрації\(\ce C^{14}\) буде перетворена назад\(\ce N^{14}\). Час, необхідний для половини початкової концентрації ізотопу розпаду назад до більш стабільної форми називається його період напіврозпаду. Оскільки період напіврозпаду\(\ce C^{14}\) є довгим, він використовується на сьогоднішній день раніше живих об'єктів, таких як старі кістки або дерево. Порівнюючи відношення виявленої в об'єкті\(\ce C^{14}\) концентрації до кількості\(\ce C^{14}\) виявленої в атмосфері, можна визначити кількість ізотопу, який ще не розпався. Виходячи з цієї кількості, вік матеріалу, наприклад, карликового мамонта, показаного на малюнку\(\PageIndex{3}\), можна з точністю розрахувати, якщо він не набагато старше приблизно 50 000 років. Інші елементи мають ізотопи з різним терміном напіврозпаду. Наприклад,\(\ce K^{40}\) (калій-40) має період напіввиведення 1,25 мільярда років, а\(\ce U^{235}\) (Уран 235) має період напіврозпаду близько 700 мільйонів років. Використовуючи радіометричні датування, вчені можуть вивчити вік скам'янілостей або інших залишків вимерлих організмів, щоб зрозуміти, як організми еволюціонували з більш ранніх видів.

Фото показує, як вчені розкопують скелет мамонта. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вік вуглецевих залишків менше близько 50 000 років, таких як цей карликовий мамонт, можна визначити за допомогою вуглецевого датування. (кредит: Білл Фолкнер, NPS)

Посилання на навчання

Відео: Щоб дізнатися більше про атоми, ізотопи та про те, як відрізнити один ізотоп від іншого, відвідайте цей сайт та запустіть моделювання.

Періодична таблиця

Різні елементи організовані і відображаються в таблиці Менделєєва. Розроблена російським хіміком Дмитром Менделєєвим (1834—1907) у 1869 році, таблиця групує елементи, які хоч і унікальні, але поділяють певні хімічні властивості з іншими елементами. Властивості елементів відповідають за їх фізичний стан при кімнатній температурі: це можуть бути гази, тверді речовини або рідини. Елементи також мають специфічну хімічну реакційну здатність, здатність комбінуватися і хімічно зв'язуватися один з одним.

У таблиці Менделєєва, показаної на малюнку

Відео: Перегляньте цю візуальну анімацію, щоб побачити просторове розташування орбіталів p та s.

Хімічні реакції та молекули

Всі елементи найбільш стійкі, коли їх зовнішня оболонка заповнена електронами згідно з правилом октета. Це тому, що енергетично сприятливо для атомів перебувати в такій конфігурації, і це робить їх стабільними. Однак, оскільки не всі елементи мають достатньо електронів, щоб заповнити свої зовнішні оболонки, атоми утворюють хімічні зв'язки з іншими атомами, тим самим отримуючи електрони, необхідні для досягнення стабільної електронної конфігурації. Коли два або більше атомів хімічно зв'язуються один з одним, результуюча хімічна структура являє собою молекулу. Звична молекула води, H ₂ O, складається з двох атомів водню та одного атома кисню; вони зв'язуються разом, утворюючи воду, як показано на малюнку\(\PageIndex{8}\). Атоми можуть утворювати молекули, даруючи, приймаючи або обмінюючись електронами, щоб заповнити свої зовнішні оболонки.

На першому зображенні зображений атом кисню з шістьма валентними електронами. Чотири з цих валентних електронів утворюють пари у верхній і правій стороні валентної оболонки. Два інших електрона знаходяться поодинці на нижній і лівій стороні. Атом водню сидить поруч з кожним одиноким електроном кисню. Кожен водень має тільки один валентний електрон. Стрілка вказує на те, що відбувається реакція. Після реакції, на другому зображенні, кожен непарний електрон в кисні приєднується до електрона з одного з атомів водню так, що валентні кільця тепер з'єднані між собою. Зв'язок, який утворюється між киснем і воднем, також може бути представлений тире. — Малюнок\(\PageIndex{8}\): Два або більше атомів можуть зв'язуватися один з одним, утворюючи молекулу. Коли два водню і кисень поділяють електрони через ковалентні зв'язки, утворюється молекула води.

Хімічні реакції відбуваються, коли два або більше атомів зв'язуються між собою, утворюючи молекули або коли пов'язані атоми розщеплюються. Речовини, що використовуються на початку хімічної реакції, називаються реагентами (зазвичай знаходяться в лівій частині хімічного рівняння), а речовини, знайдені в кінці реакції, відомі як продукти (зазвичай знаходяться на правій стороні хімічного рівняння). Стрілка зазвичай малюється між реагентами та продуктами, щоб вказати напрямок хімічної реакції; цей напрямок не завжди є «вулицею з одностороннім рухом». Для створення молекули води, показаної вище, хімічне рівняння буде таким:

\[\ce{2H + O \rightarrow H_2O} \nonumber\]

Прикладом простої хімічної реакції є руйнування молекул пероксиду водню, кожна з яких складається з двох атомів водню, пов'язаних з двома атомами кисню (H ₂ O ₂). Реагент перекис водню розщеплюється на воду, що містить один атом кисню, пов'язаний з двома атомами водню (Н ₂ О), і кисень, який складається з двох зв'язаних атомів кисню (O ₂). У рівнянні нижче реакція включає дві молекули пероксиду водню і дві молекули води. Це приклад збалансованого хімічного рівняння, в якому кількість атомів кожного елемента однакова з кожного боку рівняння. Згідно із законом збереження речовини, кількість атомів до і після хімічної реакції має бути рівним, таким, щоб жоден атом при звичайних обставин не створювався або не руйнувався.

\[\ce{2H_2O_2\: (hydrogen\: peroxide) \rightarrow 2H_2O\: (water) + O_2\: (oxygen)} \nonumber\]

Навіть незважаючи на те, що всі реагенти і продукти цієї реакції є молекулами (кожен атом залишається зв'язаним хоча б з одним іншим атомом), в цій реакції тільки перекис водню і вода є представниками сполук: вони містять атоми більш ніж одного типу елемента. Молекулярний кисень, з іншого боку, як показано на малюнку\(\PageIndex{9}\), складається з двох подвійно зв'язаних атомів кисню і класифікується не як сполука, а як мононуклеарна молекула.

Два атоми кисню показані пліч-о-пліч. Кожен має шість валентних електронів, два, які є парними, і два непарних. Стрілка вказує на те, що відбувається реакція. Після реакції чотири непарні електрони приєднуються, утворюючи подвійний зв'язок. Ця подвійна зв'язок також може бути зображена знаком рівності між двома Ос. — Малюнок\(\PageIndex{9}\): Атоми кисню в молекулі O ₂ з'єднані подвійним зв'язком.

Деякі хімічні реакції, такі як показана вище, можуть протікати в одному напрямку, поки всі реагенти не будуть витрачені. Рівняння, що описують ці реакції, містять односпрямовану стрілку і є незворотними. Оборотні реакції - це ті, які можуть йти в будь-якому напрямку. У оборотних реакціях реагенти перетворюються в продукти, але коли концентрація продукту виходить за певний поріг (характерний для конкретної реакції), деякі з цих продуктів будуть перетворені назад в реагенти; в цей момент позначення продуктів і реагентів змінюються. Це вперед і назад триває до тих пір, поки не відбудеться певний відносний баланс між реагентами та продуктами - стан, який називається рівновагою. Ці ситуації оборотних реакцій часто позначаються хімічним рівнянням з подвійною стрілкою, що вказує як на реагенти, так і продукти.

Наприклад, в крові людини надлишкові іони водню (Н ⁺) зв'язуються з іонами бікарбонату (HCO ₃ ^-), утворюючи рівноважний стан з вугільною кислотою (Н ₂ СО ₃). Якби в цю систему додавали вугільну кислоту, частина її перетворилася б на бікарбонат і іони водню.

\[\ce{HCO^{-}_3 + H^+ \leftrightarrow H_2CO_3} \nonumber\]

Однак у біологічних реакціях рівновагу рідко отримують, оскільки концентрації реагентів або продуктів або обох постійно змінюються, часто при цьому продукт однієї реакції є реагентом для іншої. Щоб повернутися до прикладу надлишку іонів водню в крові, основним напрямком реакції буде утворення вугільної кислоти. Однак вугільна кислота також може залишити організм як газ вуглекислого газу (через видих) замість того, щоб перетворюватися назад в бікарбонатний іон, тим самим керуючи реакцією праворуч хімічним законом, відомим як закон масової дії. Ці реакції важливі для підтримки гомеостазу нашої крові.

\[\ce{HCO_3^- + H^+ \leftrightarrow H_2CO_3 \leftrightarrow CO_2 + H_2O} \nonumber\]

Іони та іонні зв'язки

Деякі атоми є більш стабільними, коли вони отримують або втрачають електрон (або, можливо, два) і утворюють іони. Це заповнює їх зовнішню електронну оболонку і робить їх енергетично більш стабільними. Оскільки кількість електронів не дорівнює кількості протонів, кожен іон має чистий заряд. Катіони - це позитивні іони, які утворюються при втраті електронів. Негативні іони утворюються при отриманні електронів і називаються аніонами. Аніони позначаються їх елементарною назвою, що змінюється, щоб закінчуватися «-ide»: аніон хлору називається хлоридом, а аніон сірки називається, наприклад, сульфідом.

Це рух електронів від одного елемента до іншого іменується перенесенням електронів. Як\(\PageIndex{10}\) показано на малюнку, натрій (Na) має лише один електрон у зовнішній електронній оболонці. Для пожертвування цього електрона натрію потрібно менше енергії, ніж для того, щоб прийняти ще сім електронів, щоб заповнити зовнішню оболонку. Якщо натрій втрачає електрон, він тепер має 11 протонів, 11 нейтронів і всього 10 електронів, залишаючи його із загальним зарядом +1. Зараз його називають іоном натрію. Хлор (Cl) у своєму найнижчому енергетичному стані (званому наземним станом) має сім електронів у своїй зовнішній оболонці. Знову ж таки, хлор більш енергоефективний, щоб отримати один електрон, ніж втратити сім. Тому він прагне отримати електрон для створення іона з 17 протонами, 17 нейтронами та 18 електронами, даючи йому чистий негативний (—1) заряд. Зараз його називають хлорид-іоном. У цьому прикладі натрій пожертвує свій один електрон, щоб спорожнити його оболонку, а хлор прийме цей електрон, щоб заповнити його оболонку. Обидва іони тепер задовольняють правилу октету і мають повні зовнішні оболонки. Оскільки кількість електронів більше не дорівнює кількості протонів, кожен тепер є іоном і має +1 (катіон натрію) або —1 (хлоридний аніон) заряд. Зверніть увагу, що ці операції зазвичай можуть відбуватися лише одночасно: для того, щоб атом натрію втратив електрон, він повинен бути у присутності відповідного одержувача, такого як атом хлору.

Атом натрію і хлору сидять поруч. Атом натрію має один валентний електрон, а атом хлору - сім. Шість електронів хлору утворюють пари у верхній, нижній і правій стороні валентної оболонки. Сьомий електрон сидить один з лівого боку. Атом натрію переносить свій валентний електрон до валентної оболонки хлору, де він з'єднується з непарним лівим електроном. Стрілка вказує на те, що відбувається реакція. Після того як відбувається реакція, натрій стає катіоном із зарядом плюс один і порожньою валентною оболонкою, тоді як хлор стає аніоном із зарядом мінус один і повної валентної оболонкою, що містить вісім електронів. — Малюнок\(\PageIndex{10}\): При утворенні іонної сполуки метали втрачають електрони, а неметали отримують електрони для досягнення октету.

Іонні зв'язки утворюються між іонами з протилежними зарядами. Наприклад, позитивно заряджені іони натрію і негативно заряджені іони хлориду зв'язуються між собою, утворюючи кристали хлориду натрію або кухонної солі, створюючи кристалічну молекулу з нульовим чистим зарядом.

Деякі солі називаються в фізіології як електроліти (включаючи натрій, калій і кальцій), іони, необхідні для проведення нервових імпульсів, м'язових скорочень і водного балансу. Багато спортивних напоїв та дієтичних добавок забезпечують ці іони, щоб замінити втрачені з організму через пітливість під час фізичних вправ.

Ковалентні зв'язки та інші зв'язки та взаємодії

Інший спосіб, яким може бути задоволено правило октету, - це обмін електронів між атомами для утворення ковалентних зв'язків. Ці зв'язки міцніші і набагато частіше, ніж іонні зв'язки в молекулах живих організмів. Ковалентні зв'язки зазвичай зустрічаються в органічних молекулах на основі вуглецю, таких як наша ДНК та білки. Ковалентні зв'язки також містяться в неорганічних молекулах, таких як H ₂ _{O, CO 2} та O ₂. Одна, дві або три пари електронів можуть бути розділені, утворюючи одинарні, подвійні та потрійні зв'язки відповідно. Чим більше ковалентних зв'язків між двома атомами, тим міцніше їх зв'язок. Таким чином, потрійні зв'язки є найміцнішими.

Сила різних рівнів ковалентного зв'язку є однією з основних причин, чому живі організми важко отримують азот для використання в побудові їх молекул, хоча молекулярний азот, N ₂, є найбільш поширеним газом в атмосфері. Молекулярний азот складається з двох атомів азоту, потрійно зв'язаних між собою, і, як і у всіх молекулах, спільне використання цих трьох пар електронів між двома атомами азоту дозволяє заповнити їх зовнішні електронні оболонки, роблячи молекулу більш стабільною, ніж окремі атоми азоту. Цей міцний потрійний зв'язок ускладнює для живих систем розщеплення цього азоту, щоб використовувати його як складові білків та ДНК.

Освіта молекул води є прикладом ковалентного зв'язку. Атоми водню та кисню, які об'єднуються, утворюючи молекули води, пов'язані між собою ковалентними зв'язками, як показано на малюнку\(\PageIndex{8}\). Електрон з водню розщеплює свій час між неповною зовнішньою оболонкою атомів водню і неповною зовнішньою оболонкою атомів кисню. Щоб повністю заповнити зовнішню оболонку кисню, яка має шість електронів у зовнішній оболонці, але яка була б більш стабільною з вісьмома, потрібні два електрони (по одному від кожного атома водню): звідси відома формула H ₂ O. Електрони поділяються між двома елементами для заповнення зовнішньої оболонки кожен, роблячи обидва елементи більш стійкими.

Посилання на навчання

Відео: Перегляньте це коротке відео, щоб побачити анімацію іонного та ковалентного зв'язку.

Полярні ковалентні зв'язки

Існує два типи ковалентних зв'язків: полярні і неполярні. У полярному ковалентному зв'язку, показаному на малюнку\(\PageIndex{11}\), електрони неоднаково діляться атомами і притягуються більше до одного ядра, ніж до іншого. Через нерівномірного розподілу електронів між атомами різних елементів розвивається слабо позитивний (δ +) або слабо негативний (δ —) заряд. Цей частковий заряд є важливою властивістю води і становить багато її характеристики.

Вода є полярною молекулою, при цьому атоми водню набувають частковий позитивний заряд, а кисень - частковий негативний заряд. Це відбувається тому, що ядро атома кисню більш привабливе для електронів атомів водню, ніж ядро водню для електронів кисню. Таким чином, кисень має більш високу електронегативність, ніж водень, і спільні електрони проводять більше часу поблизу ядра кисню, ніж вони роблять поблизу ядра атомів водню, даючи атомам кисню і водню трохи негативні і позитивні заряди відповідно. Інший спосіб заявити про це полягає в тому, що ймовірність знаходження спільного електрона поблизу ядра кисню більш імовірна, ніж знаходження його поблизу водневого ядра. Так чи інакше, відносна електронегативність атома сприяє розвитку часткових зарядів всякий раз, коли один елемент значно більш електронегативний, ніж інший, і заряди, що генеруються цими полярними зв'язками, можуть потім використовуватися для формування водневих зв'язків на основі тяжіння протилежних. часткові нарахування. (Водневі зв'язки, які детально розглянуті нижче, є слабкими зв'язками між злегка позитивно зарядженими атомами водню до трохи негативно заряджених атомів в інших молекулах.) Оскільки макромолекули часто мають всередині них атоми, що відрізняються електронегативністю, полярні зв'язки часто присутні в органічних молекулах.

Неполярні ковалентні зв'язки

Неполярні ковалентні зв'язки утворюються між двома атомами одного елемента або між різними елементами, які поділяють електрони однаково. Наприклад, молекулярний кисень (O ₂) неполярний, оскільки електрони будуть рівномірно розподілені між двома атомами кисню.

Іншим прикладом неполярної ковалентної зв'язку є метан (CH ₄), також показаний на рис\(\PageIndex{11}\). Вуглець має чотири електрони в своїй зовнішній оболонці і потребує ще чотирьох, щоб заповнити її. Він отримує ці чотири з чотирьох атомів водню, кожен атом забезпечує один, утворюючи стабільну зовнішню оболонку з восьми електронів. Вуглець і водень не мають однакової електронегативності, але схожі; таким чином, утворюються неполярні зв'язки. Кожному атомам водню потрібен один електрон для своєї зовнішньої оболонки, яка заповнюється, коли вона містить два електрони. Ці елементи поділяють електрони порівну між вуглецями та атомами водню, створюючи неполярну ковалентну молекулу.

Таблиця порівнює молекули води, метану та вуглекислого газу. У воді кисень має сильніше тягу на електрони, ніж водень, що призводить до полярного ковалентного зв'язку O-H. Так само в вуглекислому газу кисень має сильніше тягу на електрони, ніж вуглець, і зв'язок є полярним ковалентним. Однак вода має зігнуту форму, оскільки дві одинокі пари електронів штовхають атоми водню разом, щоб молекула була полярною. На відміну від цього вуглекислий газ має дві подвійні зв'язки, які відштовхують один одного, в результаті чого виходить лінійна форма. Полярні зв'язки в вуглекислому газу скасовують один одного назовні, в результаті чого утворюється неполярна молекула. У метані зв'язок між вуглецем і воднем неполярна, а молекула - симетричний тетраедр з воднями, розташованими якомога далі один від одного на тривимірній сфері. Оскільки метан симетричний неполярним зв'язкам, це неполярна молекула. — Малюнок\(\PageIndex{11}\): Чи є молекула полярною або неполярною, залежить як від типу зв'язку, так і від молекулярної форми. І вода, і вуглекислий газ мають полярні ковалентні зв'язки, але вуглекислий газ лінійний, тому часткові заряди на молекулі скасовують один одного.

Водневі зв'язки та взаємодії Ван дер Ваальса

Іонні і ковалентні зв'язки між елементами вимагають енергії для розриву. Іонні зв'язки не такі міцні, як ковалентні, що визначає їх поведінку в біологічних системах. Однак не всі зв'язки є іонними або ковалентними зв'язками. Між молекулами можуть утворюватися і слабші зв'язки. Дві слабкі зв'язки, які часто трапляються, - це водневі зв'язки та взаємодії ван дер Ваальса. Без цих двох типів зв'язків життя, як ми знаємо, не існувало б. Водневі зв'язки забезпечують багато критичних, життєзберігаючих властивостей води, а також стабілізують структури білків і ДНК, будівельного блоку клітин.

Коли полярні ковалентні зв'язки, що містять водень, водень у цьому зв'язку має трохи позитивний заряд, оскільки електрон водню сильніше тягнеться до іншого елемента та подалі від водню. Оскільки водень трохи позитивний, він буде притягуватися до сусідніх негативних зарядів. Коли це відбувається, відбувається слабка взаємодія між δ ⁺ водню з однієї молекули і δ — зарядом на більш електронегативних атомах іншої молекули, зазвичай кисню або азоту, або всередині тієї ж молекули. Така взаємодія називається водневим зв'язком. Цей тип зв'язку поширений і регулярно зустрічається між молекулами води. Окремі водневі зв'язки слабкі і легко руйнуються; однак вони зустрічаються у дуже великій кількості у воді та в органічних полімерах, створюючи велику силу в поєднанні. Водневі зв'язки також відповідають за об'єднання подвійної спіралі ДНК.

Як і водневі зв'язки, взаємодії ван дер Ваальса є слабкими атракціонами або взаємодією між молекулами. Атракціони Ван дер Ваальса можуть виникати між будь-якими двома або більше молекулами і залежать від незначних коливань щільності електронів, які не завжди симетричні навколо атома. Щоб ці пам'ятки відбулися, молекули повинні бути дуже близько один до одного. Ці зв'язки - поряд з іонними, ковалентними та водневими зв'язками - сприяють тривимірній структурі білків у наших клітинам, необхідної для їх належного функціонування.

Кар'єра зв'язку: Фармацевтичний хімік

Фармацевтичні хіміки відповідають за розробку нових препаратів і намагаються визначити спосіб дії як старих, так і нових препаратів. Вони беруть участь у кожному кроці процесу розробки ліків. Препарати можна знайти в природному середовищі або синтезувати в лабораторії. У багатьох випадках потенційні препарати, знайдені в природі, змінюються хімічно в лабораторії, щоб зробити їх безпечнішими та ефективнішими, а іноді синтетичні версії препаратів замінюють версію, знайдену в природі.

Після первинного виявлення або синтезу наркотиків хімік потім розробляє препарат, можливо, хімічно змінюючи його, тестуючи його, щоб побачити, чи є препарат токсичним, а потім розробляє методи ефективного великомасштабного виробництва. Потім починається процес отримання препарату, дозволеного для вживання людиною. У Сполучених Штатах затвердження наркотиків обробляється Управлінням з контролю за продуктами та ліками (FDA) і включає в себе серію масштабних експериментів з використанням людських суб'єктів, щоб переконатися, що препарат не є шкідливим і ефективно лікує стан, який він має на меті лікувати. Цей процес часто займає кілька років і вимагає участі лікарів і вчених, крім хіміків, для завершення тестування і отримання схвалення.

Прикладом препарату, який спочатку був виявлений в живому організмі, є Паклітаксел (Таксол), протираковий препарат, який використовується для лікування раку молочної залози. Цей препарат був виявлений в корі тихоокеанського тисового дерева. Інший приклад - аспірин, спочатку виділений з кори вербового дерева. Пошук наркотиків часто означає тестування сотень зразків рослин, грибів та інших форм життя, щоб побачити, чи містяться в них біологічно активні сполуки. Іноді народна медицина може дати сучасній медицині підказки про те, де можна знайти активне з'єднання. Наприклад, використання кори верби для виготовлення ліків було відомо тисячоліттями, починаючи з Стародавнього Єгипту. Однак лише наприкінці 1800-х років молекула аспірину, відома як ацетилсаліцилова кислота, була очищена та продається для використання людиною.

Іноді наркотики, розроблені для одного використання, виявляються непередбачені ефекти, які дозволяють використовувати ці препарати іншими, непов'язаними способами. Наприклад, препарат миноксидил (Рогейн) спочатку був розроблений для лікування високого кров'яного тиску. При тестуванні на людях було помічено, що люди, які приймають препарат, будуть рости нове волосся. Врешті-решт препарат був проданий чоловікам і жінкам з облисінням для відновлення втраченого волосся.

Кар'єра фармацевтичного хіміка може включати детективну роботу, експерименти та розробку ліків, все з метою зробити людей здоровішими.

Резюме

Матерія - це все, що займає простір і має масу. Він складається з елементів. Всі 92 елементи, що відбуваються природним шляхом, мають унікальні якості, які дозволяють їм по-різному поєднуватися для створення молекул, які, в свою чергу, об'єднуються, утворюючи клітини, тканини, системи органів та організми. Атоми, які складаються з протонів, нейтронів і електронів, є найменшими одиницями елемента, які зберігають всі властивості цього елемента. Електрони можуть передаватися, ділитися або викликати розбіжності зарядів між атомами для створення зв'язків, включаючи іонні, ковалентні та водневі зв'язки, а також взаємодії ван дер Ваальса.

Мистецькі зв'язки

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Скільки нейтронів мають вуглець-12 і вуглець-13 відповідно?

Відповідь: Вуглець-12 має шість нейтронів. Вуглець-13 має сім нейтронів.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Атом може давати, приймати або ділитися електронами з іншим атомом для досягнення повної валентної оболонки, найбільш стабільної електронної конфігурації. Дивлячись на цю цифру, скільки електронів потрібно втратити елементи групи 1, щоб досягти стабільної електронної конфігурації? Скільки електронів потрібно отримати елементам в 14 і 17 групах для досягнення стабільної конфігурації?

Відповідь: Елементи групи 1 повинні втратити один електрон для досягнення стабільної електронної конфігурації. Елементам в групах 14 і 17 необхідно набрати чотири і один електрон відповідно для досягнення стабільної конфігурації.

Глосарій

аніон: негативний іон, який утворюється атомом, який отримує один або кілька електронів

атом: найменша одиниця речовини, яка зберігає всі хімічні властивості елемента

атомна маса: розрахункове середнє значення масового числа ізотопів елемента

атомний номер: загальна кількість протонів в атомі

збалансоване хімічне рівняння: постановка хімічної реакції з числом кожного типу атома, вирівняного як для продуктів, так і для реагентів

катіон: позитивний іон, який утворюється атомом, що втрачає один або кілька електронів

хімічний зв'язок: взаємодія між двома або більше однаковими або різними атомами, що призводить до утворення молекул

хімічна реакція: процес, що призводить до перестановки атомів в молекулах

хімічна реакційна здатність: здатність комбінувати і хімічно зв'язуватися один з одним

з'єднання: речовина, що складається з молекул, що складаються з атомів щонайменше двох різних елементів

ковалентний зв'язок: тип міцного зв'язку, утвореного між двома однаковими або різними елементами; форми, коли електрони діляться між атомами

електроліту: іон, необхідний для проведення нервових імпульсів, м'язових скорочень і водного балансу

електрон: негативно заряджена субатомна частка, яка знаходиться поза ядром в електронній орбіталі; не має функціональної маси і має негативний заряд —1 одиниця

електронна конфігурація: розташування електронів в електронній оболонці атома (наприклад, 1s ² 2s ² 2p ⁶)

електронна орбітальна: як просторово розподілені електрони навколо ядра; область, де найімовірніше буде знайдений електрон

перенесення електронів: рух електронів від одного елемента до іншого; важливий у створенні іонних зв'язків

електронегативність: здатність деяких елементів притягувати електрони (часто атоми водню), набуваючи часткові негативні заряди в молекулах і створюючи часткові позитивні заряди на атомах водню

елемент: одне з 118 унікальних речовин, які неможливо розщепити на більш дрібні речовини; кожен елемент має унікальні властивості і задану кількість протонів

рівноваги: сталий стан відносної концентрації реагенту і продукту в оборотних хімічних реакціях в замкнутій системі

водневий зв'язок: слабкий зв'язок між злегка позитивно зарядженими атомами водню з трохи негативно зарядженими атомами в інших молекулах

інертний газ: (також, благородний газ) елемент із заповненою зовнішньою електронною оболонкою, яка не реагує з іншими атомами

іон: атом або хімічна група, яка не містить рівних чисел протонів і електронів

іонний зв'язок: хімічний зв'язок, що утворюється між іонами з протилежними зарядами (катіонами і аніонами)

незворотна хімічна реакція: хімічна реакція, де реагенти протікають в однонаправленому напрямку, утворюючи продукти

ізотопу: одна або кілька форм елемента, що мають різну кількість нейтронів

закон масового позову: хімічний закон про те, що швидкість реакції пропорційна концентрації реагуючих речовин

масове число: загальна кількість протонів і нейтронів в атомі

матерія: все, що має масу і займає простір

молекули: два або більше атомів, хімічно з'єднаних між собою

нейтрон: незаряджена частинка, яка знаходиться в ядрі атома; має масу в одну аму

благородний газ: див. інертний газ

неполярний ковалентний зв'язок: тип ковалентного зв'язку, який утворюється між атомами, коли електрони поділяються між ними порівну

ядра: ядро атома; містить протони і нейтрони

октет правило: правило, що атоми є найбільш стабільними, коли вони тримають вісім електронів у своїх крайніх оболонках

орбітальний: область, що оточує ядро; містить електрони

періодична таблиця: організаційна схема елементів із зазначенням атомного номера і атомної маси кожного елемента; дає ключову інформацію про властивості елементів

полярний ковалентний зв'язок: тип ковалентного зв'язку, що утворюється в результаті нерівного розподілу електронів, в результаті чого утворюються злегка позитивні і слабо негативні заряджені ділянки молекули

продукт: молекула, знайдена на правій стороні хімічного рівняння

протона: позитивно заряджена частинка, яка знаходиться в ядрі атома; має масу в одну аму і заряд +1

радіоізотопних: ізотоп, який випромінює випромінювання, що складається з субатомних частинок, утворюючи більш стабільні елементи

реагент: молекула, знайдена на лівій стороні хімічного рівняння

оборотна хімічна реакція: хімічна реакція, яка функціонує двонаправлено, де продукти можуть перетворитися на реагенти, якщо їх концентрація досить велика

валентна оболонка: зовнішня оболонка атома

взаємодія ван дер Ваальса: дуже слабка взаємодія між молекулами через тимчасових зарядів, що притягають атоми, які знаходяться дуже близько один до одного