2.1: Будівельні блоки молекул
- Page ID
- 502
На самому фундаментальному рівні життя складається з матерії. Матерія займає простір і має масу. Вся матерія складається з елементів, речовин, які не можуть бути розщеплені або перетворені хімічно в інші речовини. Кожен елемент складається з атомів, кожен з яких має постійну кількість протонів і унікальні властивості. Всього було визначено 118 елементів; однак, лише 92 зустрічаються природним шляхом, а менше 30 - у живих клітинам. Решта 26 елементів нестабільні і, отже, не існують дуже довго або є теоретичними і ще не виявлені.
Кожен елемент позначається своїм хімічним символом (таким як H, N, O, C і Na), і володіє унікальними властивостями. Ці унікальні властивості дозволяють елементам поєднуватися і зв'язуватися між собою певними способами.
Атоми
Атом - це найменший компонент елемента, який зберігає всі хімічні властивості цього елемента. Наприклад, один атом водню має всі властивості елемента водень, такі як він існує як газ при кімнатній температурі, і він зв'язується з киснем, щоб створити молекулу води. Атоми водню не можуть бути розбиті на щось менше, зберігаючи при цьому властивості водню. Якби атом водню був розбитий на субатомні частинки, він більше не мав би властивостей водню.
На самому базовому рівні всі організми складаються з комбінації елементів. Вони містять атоми, які об'єднуються разом, утворюючи молекули. У багатоклітинних організмах, таких як тварини, молекули можуть взаємодіяти, утворюючи клітини, які об'єднуються, утворюючи тканини, що складають органи. Ці поєднання тривають до тих пір, поки не утворюються цілі багатоклітинні організми.
Всі атоми містять протони, електрони та нейтрони (рис. \(\PageIndex{1}\)). Виняток становить лише водень (Н), який складається з одного протона і одного електрона. Протон - це позитивно заряджена частинка, яка знаходиться в ядрі (ядрі атома) атома і має масу 1 і заряд +1. Електрон - це негативно заряджена частинка, яка подорожує в просторі навколо ядра. Іншими словами, він знаходиться поза ядром. Він має незначну масу і має заряд -1.
Нейтрони, як і протони, знаходяться в ядрі атома. Мають масу 1 і без заряду. Позитивні (протони) і негативні (електрони) заряди врівноважують один одного в нейтральному атомі, який має чистий нульовий заряд.
Оскільки протони та нейтрони мають масу 1, маса атома дорівнює кількості протонів та нейтронів цього атома. Кількість електронів не враховує загальну масу, тому що їх маса настільки мала.
Як говорилося раніше, кожен елемент має свої унікальні властивості. Кожен містить різну кількість протонів і нейтронів, що дають йому свій атомний номер і масове число. Атомний номер елемента дорівнює кількості протонів, які містить елемент. Масове число, або атомна маса, - це кількість протонів плюс кількість нейтронів цього елемента. Тому визначити кількість нейтронів можна шляхом віднімання атомного числа з масового числа.
Ці цифри надають інформацію про елементи і про те, як вони будуть реагувати при поєднанні. Різні елементи мають різну температуру плавлення і кипіння, і знаходяться в різних станах (рідкий, твердий або газовий) при кімнатній температурі. Вони також по-різному поєднуються. Деякі утворюють конкретні типи облігацій, тоді як інші - ні. Те, як вони поєднуються, базується на кількості присутніх електронів. Через ці характеристики елементи розташовуються в періодичній таблиці елементів, діаграмі елементів, що включає атомний номер та відносну атомну масу кожного елемента. Періодична таблиця також надає ключову інформацію про властивості елементів (рисунок \(\PageIndex{2}\)) —часто позначені колірним кодуванням. Розташування таблиці також показує, як організовані електрони в кожному елементі, і надає важливі деталі про те, як атоми будуть реагувати один з одним, утворюючи молекули.
Ізотопи - це різні форми одного і того ж елемента, які мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів. Деякі елементи, такі як вуглець, калій та уран, мають природні ізотопи. Вуглець-12, найпоширеніший ізотоп вуглецю, містить шість протонів і шість нейтронів. Тому він має масове число 12 (шість протонів і шість нейтронів) і атомний номер 6 (що робить його вуглецевим). Вуглець-14 містить шість протонів і вісім нейтронів. Тому він має масове число 14 (шість протонів і вісім нейтронів) і атомний номер 6, що означає, що він все ще є елементом вуглець. Ці дві альтернативні форми вуглецю є ізотопами. Деякі ізотопи нестабільні і втратять протони, інші субатомні частинки або енергію для утворення більш стабільних елементів. Вони називаються радіоактивними ізотопами або радіоізотопами.
АРТ КОНК
Скільки нейтронів мають (К) калій-39 і калій-40 відповідно?
Еволюція в дії: вуглецеві знайомства
Вуглець-14 (14С) - це природний радіоізотоп, який створюється в атмосфері космічними променями. Це безперервний процес, тому завжди створюється більше 14С. У міру розвитку живого організму відносний рівень 14С в його організмі дорівнює концентрації 14С в атмосфері. Коли організм помирає, він більше не ковтає 14С, тому співвідношення знизиться. 14C розпадається до 14Н процесом, який називається бета-розпадом; він виділяє енергію в цьому повільному процесі.
Приблизно через 5,730 років лише половина початкової концентрації 14 С буде перетворена в 14Н. Час, необхідний для половини початкової концентрації ізотопу для розпаду до його більш стабільної форми, називається його періодом напіврозпаду. Оскільки період напіврозпаду 14C довгий, він використовується для віку раніше живих об'єктів, таких як скам'янілості. За допомогою співвідношення концентрації 14С, виявленої в об'єкті, до кількості 14С, виявленої в атмосфері, можна визначити кількість ізотопу, який ще не розпався. Виходячи з цієї кількості, вік викопного можна обчислити приблизно до 50 000 років (рис. \(\PageIndex{3}\)). Ізотопи з більш тривалим періодом напіврозпаду, такі як калій-40, використовуються для обчислення віку старих скам'янілостей. Завдяки використанню вуглецевого датування вчені можуть реконструювати екологію та біогеографію організмів, що живуть протягом останніх 50 000 років.
ПОНЯТТЯ В ДІЇ
Щоб дізнатися більше про атоми та ізотопи, а також про те, як ви можете відрізнити один ізотоп від іншого, відвідайте цей сайт і запустіть симуляцію.
Хімічні зв'язки
Те, як елементи взаємодіють один з одним, залежить від того, як розташовані їх електрони і скільки отворів для електронів існує в крайній області, де електрони присутні в атомі. Електрони існують на енергетичних рівнях, які утворюють оболонки навколо ядра. Найближча оболонка може утримувати до двох електронів. Найближча оболонка до ядра завжди заповнюється спочатку, перш ніж будь-яка інша оболонка може бути заповнена. Водень має один електрон, тому він має лише одне місце, зайняте в найнижчій оболонці. Гелій має два електрони, тому він може повністю заповнити найнижчу оболонку двома своїми електронами. Якщо ви подивитеся на таблицю Менделєєва, то побачите, що водень і гелій - єдині два елементи в першому ряду. Це тому, що вони мають лише електрони в своїй першій оболонці. Водень і гелій - єдині два елементи, які мають найнижчу оболонку і ніяких інших оболонок.
Другий і третій енергетичні рівні можуть утримувати до восьми електронів. Вісім електронів розташовані в чотири пари, і одна позиція в кожній парі заповнюється електроном, перш ніж будь-які пари завершені.
Подивившись ще раз на таблицю Менделєєва (рис. \(\PageIndex{2}\)), Ви помітите, що рядів сім. Ці рядки відповідають кількості оболонок, які мають елементи в цьому рядку. Елементи в певному рядку мають все більшу кількість електронів, оскільки стовпці йдуть зліва направо. Хоча кожен елемент має однакову кількість оболонок, не всі оболонки повністю заповнені електронами. Якщо ви подивитеся на другий рядок таблиці Менделєєва, ви знайдете літій (Li), берилій (Be), бор (B), вуглець (C), азот (N), кисень (O), фтор (F) та неон (Ne). Всі вони мають електрони, які займають тільки першу і другу оболонки. Літій має в своїй зовнішній оболонці тільки один електрон, берилій - два електрона, у бору - три і так далі, поки вся оболонка не заповниться вісьмома електронами, як це буває з неоном.
Не всі елементи мають достатньо електронів, щоб заповнити свої зовнішні оболонки, але атом є найбільш стабільним, коли всі позиції електронів у зовнішній оболонці заповнені. Через цих вакансій в крайніх оболонках ми бачимо утворення хімічних зв'язків, або взаємодії між двома або більше однаковими або різними елементами, які призводять до утворення молекул. Для досягнення більшої стабільності атоми, як правило, повністю заповнюють свої зовнішні оболонки і зв'язуються з іншими елементами для досягнення цієї мети шляхом обміну електронами, прийняття електронів від іншого атома або дарування електронів іншому атому. Оскільки зовнішні оболонки елементів з низькими атомними числами (до кальцію, з атомним номером 20) можуть утримувати вісім електронів, це називається октетним правилом. Елемент може пожертвувати, приймати або ділитися електронами з іншими елементами, щоб заповнити свою зовнішню оболонку і задовольнити правило октету.
Коли атом не містить рівної кількості протонів і електронів, його називають іоном. Оскільки кількість електронів не дорівнює кількості протонів, кожен іон має чистий заряд. Позитивні іони утворюються при втраті електронів і називаються катіонами. Негативні іони утворюються шляхом отримання електронів і називаються аніонами.
Наприклад, натрій має лише один електрон у своїй зовнішній оболонці. Натрію потрібно менше енергії, щоб пожертвувати один електрон, ніж він приймає ще сім електронів, щоб заповнити зовнішню оболонку. Якщо натрій втрачає електрон, він тепер має 11 протонів і лише 10 електронів, залишаючи його загальним зарядом +1. Зараз його називають іоном натрію.
Атом хлору має сім електронів у своїй зовнішній оболонці. Знову ж таки, це більш енергоефективний для хлору, щоб отримати один електрон, ніж втратити сім. Тому він, як правило, отримує електрон, створюючи іон з 17 протонами та 18 електронами, надаючи йому чистий негативний (—1) заряд. Його зараз називають хлорид-іоном. Такий рух електронів від одного елемента до іншого називають переносом електронів. Як \(\PageIndex{4}\) ілюструє малюнок, атом натрію (Na) має лише один електрон у своїй зовнішній оболонці, тоді як атом хлору (Cl) має сім електронів у своїй зовнішній оболонці. Атом натрію пожертвує свій один електрон, щоб спорожнити свою оболонку, а атом хлору прийме цей електрон, щоб заповнити свою оболонку, ставши хлоридом. Обидва іони тепер задовольняють правилу октету і мають повні зовнішні оболонки. Оскільки кількість електронів вже не дорівнює кількості протонів, кожен тепер є іоном і має заряд +1 (натрій) або -1 (хлорид).
Іонні облігації
Існує чотири типи зв'язків або взаємодій: іонні, ковалентні, водневі зв'язки та взаємодії ван-дер-ваальса. Іонні та ковалентні зв'язки - це сильні взаємодії, які вимагають більшого споживання енергії, щоб розірватися. Коли елемент дарує електрон зі своєї зовнішньої оболонки, як у наведеному вище прикладі атома натрію, утворюється позитивний іон. Елемент, що приймає електрон, тепер негативно заряджений. Оскільки позитивні та негативні заряди притягуються, ці іони залишаються разом і утворюють іонний зв'язок або зв'язок між іонами. Елементи зв'язуються разом з електроном від одного елемента, залишаючись переважно з іншим елементом. Коли іони Na+ і Cl— об'єднуються для отримання NaCl, електрон з атома натрію залишається з іншими сімома від атома хлору, а іони натрію і хлориду притягують один одного в решітці іонів з чистим нульовим зарядом.
Ковалентні облігації
Іншим типом міцної хімічної зв'язку між двома або більше атомами є ковалентний зв'язок. Ці зв'язки утворюються, коли електрон ділиться між двома елементами і є найсильнішою і найпоширенішою формою хімічного зв'язку в живих організмах. Ковалентні зв'язки утворюються між елементами, що входять до складу біологічних молекул в наших клітинам. На відміну від іонних зв'язків, ковалентні зв'язки не дисоціюють у воді.
Атоми водню і кисню, які об'єднуються, утворюючи молекули води, пов'язані між собою ковалентними зв'язками. Електрон з атома водню ділить свій час між зовнішньою оболонкою атома водню і неповною зовнішньою оболонкою атома кисню. Для повного заповнення зовнішньої оболонки атома кисню необхідні два електрона з двох атомів водню, звідси і індекс «2» в Н2О. Електрони поділяють між атомами, розділяючи свій час між ними на «заповнення» зовнішньої оболонки кожного. Цей обмін є нижчим енергетичним станом для всіх задіяних атомів, ніж якби вони існували без заповнення їх зовнішніх оболонок.
Розрізняють два типи ковалентних зв'язків: полярні і неполярні. Неполярні ковалентні зв'язки утворюються між двома атомами одного і того ж елемента або між різними елементами, які поділяють електрони однаково. Наприклад, атом кисню може зв'язуватися з іншим атомом кисню, щоб заповнити свої зовнішні оболонки. Ця асоціація є неполярною, оскільки електрони будуть однаково розподілені між кожним атомом кисню. Два ковалентні зв'язки утворюються між двома атомами кисню, оскільки кисень вимагає двох спільних електронів, щоб заповнити його зовнішню оболонку. Атоми азоту утворюють три ковалентні зв'язки (також звані потрійними ковалентними) між двома атомами азоту, оскільки кожному атому азоту потрібно три електрони, щоб заповнити свою зовнішню оболонку. Інший приклад неполярної ковалентного зв'язку знаходиться в молекулі метану (СН4). Атом вуглецю 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. Всі ці елементи поділяють електрони порівну, створюючи чотири неполярних ковалентних зв'язку (рис. \(\PageIndex{5}\)).
У полярному ковалентному зв'язку електрони, що розділяються атомами, проводять більше часу ближче до одного ядра, ніж до іншого ядра. Через неоднакового розподілу електронів між різними ядрами розвивається злегка позитивний (δ+) або злегка негативний (δ—) заряд. Ковалентні зв'язки між атомами водню та кисню у воді є полярними ковалентними зв'язками. Спільні електрони проводять більше часу біля ядра кисню, даючи йому невеликий негативний заряд, ніж проводять поблизу ядер водню, віддаючи цим молекулам невеликий позитивний заряд.
Водневі зв'язки
Іонні і ковалентні зв'язки є міцними зв'язками, які вимагають значної енергії для розриву. Однак не всі зв'язки між елементами є іонними або ковалентними зв'язками. Можуть утворюватися і більш слабкі зв'язки. Це атракціони, які виникають між позитивними і негативними зарядами, які не вимагають багато енергії, щоб зламати. Дві слабкі зв'язки, які часто трапляються, - це водневі зв'язки та взаємодії ван-дер-Ваальса. Ці зв'язки породжують унікальні властивості води і унікальні структури ДНК і білків.
Коли утворюються полярні ковалентні зв'язки, що містять атом водню, атом водню в цьому зв'язку має трохи позитивний заряд. Це пов'язано з тим, що спільний електрон сильніше витягується до іншого елемента і віддаляється від ядра водню. Оскільки атом водню трохи позитивний (δ+), він буде притягнутий до сусідніх негативних часткових зарядів (δ—). Коли це відбувається, відбувається слабка взаємодія між δ+ зарядом атома водню однієї молекули і δ— зарядом іншої молекули. Ця взаємодія називається водневої зв'язком. Цей тип зв'язку є загальним; наприклад, рідка природа води обумовлена водневими зв'язками між молекулами води (рис. \(\PageIndex{6}\)). Водневі зв'язки надають воді унікальні властивості, які підтримують життя. Якби не водневий зв'язок, вода була б газом, а не рідиною кімнатної температури.
Водневі зв'язки можуть утворюватися між різними молекулами, і вони не завжди повинні включати молекулу води. Атоми водню в полярних зв'язках всередині будь-якої молекули можуть утворювати зв'язки з іншими сусідніми молекулами. Наприклад, водневі зв'язки скріплюють дві довгі нитки ДНК, щоб надати молекулі ДНК характерну дволанцюгову структуру. Водневі зв'язки також відповідають за деяку тривимірну структуру білків.
Ван-дер-Ваальса взаємодії
Як і водневі зв'язки, взаємодії ван-дер-Ваальса є слабкими атракціонами або взаємодіями між молекулами. Вони виникають між полярними, ковалентно пов'язаними, атомами в різних молекулах. Деякі з цих слабких пам'яток викликані тимчасовими частковими зарядами, що утворюються при русі електронів навколо ядра. Ці слабкі взаємодії між молекулами важливі в біологічних системах.
КАР'ЄРА В ДІЇ: Технік радіографії
Ви чи хтось, кого ви знаєте, коли-небудь проводили магнітно-резонансну томографію (МРТ), мамографію чи рентген? Ці тести виробляють зображення ваших м'яких тканин і органів (як з МРТ або мамографії) або ваші кістки (як це відбувається в рентгенівському) за допомогою або радіохвиль або спеціальних ізотопів (радіочастотних або флуоресцентно мічених), які потрапляють всередину або вводять в організм. Ці тести дають дані для діагностики захворювань, створюючи зображення ваших органів або кісткової системи.
МРТ-візуалізація працює, піддаючи ядра водню, які багато у воді в м'яких тканинах, коливаючим магнітним полям, які змушують їх випромінювати власне магнітне поле. Потім цей сигнал зчитується датчиками в машині і інтерпретується комп'ютером для формування детального зображення.
Деякі технологи та техніки рентгенографії спеціалізуються на комп'ютерній томографії, МРТ та мамографії. Вони виробляють плівки або зображення тіла, які допомагають медичним працівникам оглянути і поставити діагноз. Радіологи працюють безпосередньо з пацієнтами, пояснюючи машини, готуючи їх до іспитів та забезпечуючи правильне розташування їх частин тіла або тіла для отримання необхідних зображень. Потім лікарі або рентгенологи аналізують результати тесту.
Техніки рентгенографії можуть працювати в лікарнях, кабінетах лікарів або спеціалізованих центрах візуалізації. Навчання, щоб стати техніком рентгенографії відбувається в лікарнях, коледжах та університетах, які пропонують сертифікати, ступінь юриста або ступінь бакалавра в області рентгенографії.
Резюме
Матерія - це все, що займає простір і має масу. Він складається з атомів різних елементів. Всі 92 елементи, що зустрічаються природним шляхом, мають унікальні якості, які дозволяють їм поєднуватися різними способами для створення сполук або молекул. Атоми, які складаються з протонів, нейтронів та електронів, є найменшими одиницями елемента, які зберігають усі властивості цього елемента. Електрони можуть бути подаровані або розподілені 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 (К) калій-39 і калій-40 відповідно?
- Відповідь
-
Калій-39 має двадцять нейтронів. Калій-40 має двадцять один нейтрон.
Глосарій
- аніон
- негативний іон, утворений шляхом отримання електронів
- атомний номер
- кількість протонів в атомі
- катіон
- позитивний іон, утворений втратою електронів
- хімічний зв'язок
- взаємодія між двома або більше однакових або різних елементів, що призводить до утворення молекул
- ковалентний зв'язок
- тип міцний зв'язок між двома або більше одного і того ж або різних елементів; форми, коли електрони поділяються між елементами
- електрон
- негативно заряджена частинка, яка знаходиться поза ядром в орбіталі електронів; не вистачає функціональної маси і має заряд -1
- перенесення електронів
- рух електронів від одного елемента до іншого
- елемент
- одна з 118 унікальних речовин, які не можуть бути розбиті на менші речовини і зберігають характерні для цієї речовини; кожен елемент має певну кількість протонів і унікальні властивості
- водневий зв'язок
- слабкий зв'язок між частково позитивно заряджених атомів водню і частково негативно заряджених елементів або молекул
- іон
- атома або з'єднання, яке не містить рівну кількість протонів і електронів, і тому має чистий заряд
- іонний зв'язок
- хімічний зв'язок, яка утворює між іонів протилежних зарядів
- ізотопу
- одна або кілька форм елемента, які мають різну кількість нейтронів
- маса кількість
- кількість протонів плюс нейтрони в атомі
- матерія
- все, що має масу і займає простір
- нейтрон
- частинка без заряду, яка знаходиться в ядрі атома; має масу 1
- неполярний ковалентний зв'язок
- тип ковалентного зв'язку, який утворює між атомами, коли електрони поділяють порівну між атомами, в результаті чого немає областей з частковими зарядами, як у полярних ковалентних зв'язків
- ядра
- (хімія) щільний центр атома, що складається з протонів і (за винятком атома водню) нейтронів
- правило октету
- стверджує, що найвіддаленіша оболонка елемента з низьким атомним числом може утримувати вісім електронів
- Періодична таблиця елементів
- організаційна схема елементів із зазначенням атомного номера і масового числа кожного елемента; також представлена ключова інформація про властивості елементів
- полярний ковалентний зв'язок
- тип ковалентного зв'язку, в якому електрони тягнуться до одного атома і від іншого, в результаті чого злегка позитивні і трохи негативних заряджених областей молекули
- протона
- позитивно заряджена частинка, яка знаходиться в ядрі атома; має масу 1 і заряд +1
- радіоактивний ізотоп
- ізотопу, що спонтанно випромінює частинок або енергії, щоб сформувати більш стабільний елемент
- Ван-дер-Ваальса взаємодія
- слабкі тяжіння або взаємодії між молекулами, викликані злегка позитивно заряджених або злегка негативно заряджених атомів