Химический компонент жизни

Главные химические элементы живых организмов: 

Таблица Менделеева

Визуализация атомаХотя греческие философы в 500 г. до н.э. считали, что все должно содержать мельчайшие частицы, которые они называли атомами, идея атомов не стала научной теорией до 1808 года. Затем Джон Дэлтон (1766–1844) разработал атомную теорию, которая предполагала, что отдельные атомы собираются в более крупные соединениях. Атомы настолько малы, что в точке, стоящей в конце этого предложения, их уместилось бы около миллиона.

Для обозначения атома используется тот же символ, что и для элемента этого атома. Например, символ С используется для обозначения углерода как элемента и как единичного атома.

Сегодня физики используют высокоэнергетические суперколлайдеры, такие как Большой Адронный Коллайдер в Европе, для исследования сложной структуры атома. Благодаря этим исследованиям удалось открыть около 100 различных субатомных частиц. 

Особый вид микроскопа, называемый сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), позволяет получать изображения отдельных атомов.

Важно отметить, что большая часть атома представляет собой пустое пространство. Если бы атом можно было нарисовать размером с футбольное поле, ядро было бы похоже на монетку в центре поля, а электроны были бы крошечными точками, кружащимися на верхних трибунах. При этом электроны вполне могут время от времени уходить за пределы стадиона.

Модели строения атома 

Строение атомаВсе атомы состоят из одних и тех же субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов.Протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу: масса протона равна 1,67262 × 10^-27 кг, а масса нейтрона — 1,67493 × 10^-27 кг. Для удобства, массы субатомных частиц измеряют в атомных единицах (а.е.м).И протон, и электрон имеют электрический заряд. (1,60 × 10^-19 Кл). В относительных единицах электрону присвоен заряд -1, а протону заряд +1. Нейтрон не имеет заряда.Материя обычно нейтральна по заряду (она не имеет общего заряда), поскольку протоны и электроны обычно присутствуют в равных количествах. При дисбалансе зарядов происходит их выравнивание, как мы, например, можем видеть во время грозы.

Если все атомы состоят из одних и тех же субатомных частиц, что отличает атомы одного элемента от атомов другого? Ответ: количество протонов в ядре.Протонное число Z (атомный номер) показывает количество протонов в атоме. Мы можем использовать протонное число, чтобы определить количество протонов в атоме любого элемента. Например, существует один и только один атом лития с Z = 3, точно также существует только 1 элемент углерод с Z = 6. Атом электронейтрален: количество p = количеству e в атоме. Поскольку массы субатомных частиц невероятно малы, химики для удобства измерений используют u.u – атомная единица массы. В биологии обычно вместо а.е.м измеряют массу атомов и соединений в дальтонах (Да).1 а.е.м определяется как одна двенадцатая массы атома изотопа углерода-12, ядро которого содержит шесть протонов и шесть нейтронов.Итак, масса атома определяется двумя субатомными частицами: протоном и нейтроном, (≈ 1 а.е.м каждый). Поскольку масса электрона мала (0.00055 а.е.м), ее обычно игнорируют при расчетах атомной массы.Массовое число (А) = количество протонов + количество нейтронов.

ИзотопыИзотопы – это атомы одного и того же элемента, имеющие разное количество нейтронов. Изотопы одного элемента проявляют одинаковые химический свойства.Например, все атомы элемента магния (Mg) имеют атомный номер 12, так как любой атом магния всегда содержит 12 протонов. Однако некоторые атомы магния содержат 12 нейтронов, другие 13 или даже 14 нейтронов. Обратите внимание, что массовые числа изотопов также не совпадают.Чтобы различить изотопы одного элемента между собой, в верхнем левом углу записывают массовое число изотопа, а снизу атомный номер.

Относительная атомная массаДля практических расчетов в лаборатории ученые используют образцы, которые содержат несколько различных изотопов одного элемента. Поскольку массовые числа изотопов не совпадают, химики вычислили относительные атомные массы для каждого элемента. Для этого необходимо знать процентное содержание каждого изотопа исследуемого элемента в природе, которое вычисляется химиками экспериментально.Относительная атомная масса элемента A_r (r – relative – относительный) рассчитывается по следующей формуле: (масса изотопа 1 × массовая доля изотопа 1) + (масса изотопа 2 × массовая доля изотопа 2) + …Приведем простой пример: представьте, что у нас есть 10 шаров для боулинга, весом 5 кг, и 20 шаров, каждый из которых весит 7 кг. Вычислим массу "среднего" шара:Относительная атомная масса в таблице Менделеева записывается под названием элемента. Так как многие элементы имеют несколько изотопов, их относительные атомные массы часто имеют дробные значения.

Число Авогадро и количество вещества (моль) При подсчете чего-либо для удобства мы иногда используем специально введенные единицы измерения. Например, мы привыкли считать куриные яйца дюжинами – 12 штук в упаковке.Атомы и молекулы невероятно крошечные (например, диаметр атома водорода = 1,06 × 10^-10 м), поэтому для удобства измерений химики “упаковали”  602 000 000 000 000 000 000 000 частиц (атомов или молекул) в число Авогадро: N_A = 6,02 × 10²³ n – количество вещества, выражаемое в молях. В одном моле ЛЮБОГО вещества (атома, молекулы или иона) содержится 6,02 × 10²³ частиц этого вещества.Например, в 1 моле углерода содержится 6,02 × 10²³ атома углерода; В 1 моле алюминия содержится 6,02 × 10²³ атома алюминия; В 1 моле воды содержится 6,02 × 10²³ атомов воды и т.д.n(количество вещества) = N(количество частиц в образце)/N_А (число Авогадро)Насколько велико число Авогадро? Представьте, что люди могут проходить через турникет в метро со скоростью один миллион человек в секунду. Даже при такой невероятной скорости потребуется почти 20 миллиардов лет, чтобы 6,022 × 10²³ человек прошли через этот турникет!

Индексы в химических соединениях указывают на количество атомов, образующих это соединение. Молекулы аспирина – С9H8O4 состоит из 9 атомов углерода, 8 атомов водорода и 4 атомов кислорода. Индексы также показывают количество молей каждого элемента содержится в одном моле аспирина: 9 молей С, 8 молей H и 4 моля О.

Молярная масса элемента и соединенияОтдельный атом или молекула слишком малы, чтобы их можно было взвесить даже на самых точных весах. Поэтому химики ввели понятие молярной массы.Молярная масса (M) – это масса 1 моля вещества (или масса 6,02 × 1023 частиц этого вещества). Для простых элементов молярная масса совпадает с относительной молекулярной массой, которая записывается под символом элемента в таблице Менделеева. Например, атомная масса углерода в таблице Менделеева равна 12,01. Это означает, что 1 моль атомов углерода весит 12,01 г (или 12,01 г/моль).Чтобы вычислить молярную массу сложного соединения, необходимо умножить молярные массы элементов, образующих это соединение, на их индексы. Например молярная масса 1 моля глюкозы рассчитывается следующим образом:M(C6H12O6) = M(C) × 6 + M(H) × 12 + M(O) × 6 = 12,01 × 6 + 1,01 × 12 + 16 × 6 = 180,18 грамм/моль.Используя количество вещества и молярную массу мы можем легко узнать количество атомов в известной массе вещества, или, наоборот, узнать сколько весит определенное количество атомов или молекул.