Ý chính
2.1. Vật chất bao gồm các nguyên tố hóa học tinh khiết hoặc hỗn hợp; các nguyên tố kết hợp tạo thành hợp chất
2.2. Tính chất của một nguyên tố được xác định bởi cấu trúc nguyên tử của nó
2.3. Sự hình thành và chức năng của phân tử phụ thuộc vào liên kết hóa học giữa các nguyên tử
2.4. Phản ứng hóa học tạo và phá vỡ liên kết hóa học
Giới thiệu
Mối liên hệ giữa sinh học và hóa học
Rừng nhiệt đới Amazon ở Nam Mỹ là vị trí đắc địa cho sự đa dạng của sự sống trên Trái đất. Các loài chim, côn trùng và động vật khác đầy màu sắc sống ở đó trong một môi trường có vô số cây cối, bụi rậm, dây leo và hoa dại mọc lên; Tất cả chỉ cần một chuyến tham quan dọc theo dòng nước hoặc dọc theo con đường rừng để xem những nơi này cung cấp sự phong phú về các loài thực vật ở mức độ nào. Do đó, những du khách đi du lịch đến khu vực thượng nguồn của Amazon, ở Peru, vô cùng ngạc nhiên khi bắt gặp những thảm thực vật như thế ở tiền cảnh của Hình 2.1, trong đó hầu như chỉ mọc một loài cây duy nhất: Duroia hirsuta. Những du khách tò mò có thể thắc mắc liệu nơi này với thảm thực vật khác thường có phải là kết quả công việc của người dân địa phương hay không, nhưng người bản địa cũng ngạc nhiên trước hiện tượng này cũng như du khách. Họ đặt biệt danh cho những nơi này là “khu vườn của quỷ”, theo một truyền thuyết cho rằng sự tồn tại của chúng là do một linh hồn ma quỷ.
Để tìm kiếm lời giải thích khoa học, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Stanford gần đây đã giải quyết được bí ẩn về những địa điểm hấp dẫn này. Hình 2.2 mô tả thí nghiệm chính của các nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng những “người làm vườn” tạo ra và duy trì những nơi này thực chất là những con kiến sống trong hốc của thân cây có tên là Duroia hirsuta. Kiến không trồng những cây này nhưng chúng ngăn chặn các loài thực vật khác phát triển bằng cách tiêm một loại hóa chất độc hại vào những kẻ xâm nhập. Đây là lý do tại sao chỉ có những cây thuộc loài Duroia, loài kiến làm tổ, mới mọc ở khu vực này. Nhờ khả năng duy trì và mở rộng môi trường sống, một đàn kiến vườn của quỷ có thể phát triển mạnh trong hàng trăm năm.
Những loài côn trùng này loại bỏ những thực vật không mong muốn bằng cách đầu độc chúng bằng axit formic, một chất có tên bắt nguồn từ tiếng Latin formica, có nghĩa là kiến. Nhiều loài kiến được cho là sử dụng axit formic để bảo vệ bản thân khỏi sâu bệnh, nhưng kiến vườn quỷ là loài đầu tiên được biết đến sử dụng axit formic làm thuốc diệt cỏ. Đây là một bổ sung quan trọng cho danh sách các chức năng của hóa chất trong thế giới côn trùng. Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng hóa chất đóng vai trò trong việc giao tiếp với côn trùng, thu hút bạn tình và bảo vệ chống lại kẻ săn mồi.
Nghiên cứu về Vườn Quỷ chỉ là một ví dụ về sự liên quan của hóa học với nghiên cứu về sự sống.
Không giống như danh sách các khóa học trong một chương trình, bản chất không bị giới hạn thành một loạt các môn khoa học tự nhiên được thực hiện riêng lẻ: sinh học, hóa học, vật lý, v.v. Các nhà sinh học chuyên nghiên cứu về sự sống, nhưng để giải thích một số hiện tượng sống nhất định, họ cần sử dụng các khái niệm cơ bản về hóa học và vật lý áp dụng cho các sinh vật và thế giới nơi chúng tiến hóa. Sinh học là một khoa học đa ngành, một khoa học tích hợp.
Các chương trong phần này giới thiệu một số khái niệm then chốt trong hóa học áp dụng vào nghiên cứu sự sống. Chúng ta sẽ tạo ra nhiều mối liên hệ với các chủ đề được trình bày trong Chương 1. Một trong những chủ đề này là việc tổ chức sự sống thành một hệ thống cấp bậc cấu trúc, mỗi cấp độ thể hiện những đặc tính mà cấp độ trước đó không có (khái niệm về 'sự xuất hiện'). Trong phần này, chúng ta sẽ thấy sự xuất hiện này biểu hiện như thế nào ở cấp độ tổ chức sinh học thấp nhất. Chúng ta sẽ giải quyết sự sắp xếp của các nguyên tử trong phân tử, sau đó là sự tương tác của các phân tử trong tế bào. Khi làm như vậy, chúng ta sẽ vượt qua ranh giới ngăn cách giữa cái không sống và cái sống. Chương này đề cập đến các thành phần hóa học hình thành nên mọi vật chất.
Hình 2.2 “Khu vườn ma quỷ” xuất hiện trong rừng mưa nhiệt đới như thế nào?
THỰC NGHIỆM KHOA HỌC:
Dưới sự chỉ đạo của Deborah Gordon và phối hợp với Michael Greene, sinh viên Megan Frederickson đã tìm kiếm nguồn gốc của “khu vườn của quỷ”, những khu vực chỉ có một loài cây, Duroia hirsuta, mọc lên. Một trong những giả thuyết giải thích hiện tượng này cho rằng loài kiến Myrmelachista schuanni sinh sống ở những loài thực vật này tạo ra một chất hóa học gây độc cho các loài cây khác; Theo một giả thuyết khác, chính cây của loài Duroia đã giết chết các đối thủ cạnh tranh, có thể bằng cách tiết ra một sản phẩm hóa học.
Để kiểm tra những giả thuyết này, Frederickson đã tiến hành thí nghiệm thực địa ở Peru. Cô đã trồng hai cây con của một loài không phải là vật chủ ở địa phương, Cedrelaodorata, bên trong mười khu vườn của quỷ. Ở gốc của một trong những chồi non, cô phủ một lớp thuốc trừ sâu dính; cái còn lại không được bảo vệ. Sau đó, cô trồng thêm hai cây giống Cedrela có và không có hàng rào, cách mỗi vườn khoảng 50 m.pf
Các nhà nghiên cứu đã quan sát hoạt động của kiến trên lá cây Cedrela và sau một ngày đo được bề mặt của các mô hoại tử của lá. Họ cũng thực hiện phân tích hóa học về nội dung của tuyến nọc độc của kiến.
KẾT QUẢ
Sử dụng một vết đốt ở cuối bụng, lũ kiến tiêm thuốc vào lá của những chồi non không được bảo vệ trong vườn (xem ảnh). Trong vòng một ngày, các vùng hoại tử hình thành trên lá (xem biểu đồ).
Những chồi được bảo vệ bởi hàng rào thuốc trừ sâu không bị thương, cũng như những chồi được trồng ngoài vườn. Axit formic là hóa chất duy nhất được phát hiện trong tuyến bụng của kiến.
Kết luận: Kiến thuộc loài Myrmelachista shumanni loại bỏ những cây không phải là vật chủ bằng cách tiêm axit formic vào lá của chúng, biến khu vườn của quỷ thành môi trường sống hiếu khách cho những đàn kiến này.
nguồn M. E. Frederickson, M. J. Greene và D. M. Gordon, “Khu vườn của quỷ” bị kiến tàn phá, Nature 437: 495-496 (2005). và nếu? Kết quả nào sẽ xảy ra nếu cây con không được bảo vệ trong Vườn Quỷ không thể phát triển là do một chất hóa học do cây Duroia thải ra chứ không phải do kiến?
Khái niệm 2.1
Vật chất được tạo thành từ các nguyên tố hóa học tinh khiết hoặc kết hợp; các nguyên tố kết hợp tạo thành hợp chất.
Sinh vật được tạo thành từ vật chất. Vật chất là bất cứ thứ gì chiếm không gian và có khối lượng*. Vật chất tồn tại ở mọi dạng; đá, kim loại, dầu, khí đốt và con người là một số ví dụ.
*Đôi khi chúng tôi sử dụng thuật ngữ trọng lượng, ngay cả khi thuật ngữ này không đồng nghĩa với khối lượng. Khối lượng là lượng vật chất có trong một vật, trong khi trọng lượng của một vật biểu thị cường độ lực mà khối lượng này chịu tác dụng của trọng lực. Trọng lượng của một phi hành gia đi trên Mặt trăng bằng khoảng 1/6 trọng lượng trên Trái đất, nhưng khối lượng của họ bằng nhau. Tuy nhiên, chừng nào chúng ta còn ở trên Trái đất thì trọng lượng của một vật thể là thước đo khối lượng của nó; đây là lý do tại sao trong ngôn ngữ hàng ngày, chúng ta sử dụng hai thuật ngữ này thay thế cho nhau.
Các nguyên tố và hợp chất
Vật chất được tạo thành từ các yếu tố. Nguyên tố là chất không thể bị phân hủy thành chất khác đơn giản hơn trong các phản ứng hóa học. Các nhà hóa học đã xác định được 92 nguyên tố tự nhiên, bao gồm vàng, đồng, carbon và oxy. Họ gán cho mỗi người một biểu tượng, thường bao gồm một hoặc hai chữ cái đầu tiên trong tên của họ. Một số biểu tượng bắt nguồn từ tên tiếng Latin hoặc tiếng Đức; ví dụ, tên của natri là Na, từ tiếng Latin natrium, trong khi tên của vonfram là W, từ tiếng Đức Wolfram.
Hợp chất là chất được tạo thành từ hai hay nhiều nguyên tố kết hợp với nhau theo tỷ lệ xác định. Ví dụ, muối ăn thực chất là natri clorua (NaCl); nó bao gồm các nguyên tố natri (Na) và clo (Cl) theo tỷ lệ 1:1. Natri nguyên chất là kim loại, còn clo nguyên chất là chất khí độc. Tuy nhiên, một khi chúng được liên kết hóa học, chúng sẽ tạo thành một hợp chất ăn được. Nước (H2O), một hợp chất khác, được tạo thành từ các nguyên tố hydro (H) và oxy (O) theo tỷ lệ 2:1. Những ví dụ này minh họa rõ ràng khái niệm về sự xuất hiện: một hợp chất có những đặc điểm mà các thành phần riêng lẻ của nó không có (hình 2.3).
Các nguyên tố hóa học của vật chất sống
Trong số 92 yếu tố tự nhiên, khoảng 20 đến 25% là những yếu tố thiết yếu mà cơ thể cần để có một cuộc sống khỏe mạnh và sinh sản. Các yếu tố thiết yếu ở các sinh vật đều giống nhau, nhưng có một số khác biệt; ví dụ, con người cần 25 nguyên tố trong khi thực vật chỉ cần 17.
Chỉ riêng bốn chất đó, oxy (O), carbon (C), hydro (H) và nitơ (N), đã cấu thành 96% vật chất sống. Canxi (Ca), phốt pho (P), kali (K), lưu huỳnh (S) và một số nguyên tố khác chiếm gần như toàn bộ khối lượng còn lại của sinh vật (4%). Cơ thể cần một số nguyên tố nhất định với số lượng rất nhỏ; những nguyên tố vi lượng này rất cần thiết cho hoạt động của nó.
Một số trong số chúng, chẳng hạn như sắt (Fe), rất cần thiết cho mọi dạng sống, trong khi một số khác chỉ cần thiết cho một số loài. Ví dụ, ở động vật có xương sống (động vật có xương sống), iốt (I) là thành phần thiết yếu của một loại hormone do tuyến giáp sản xuất. Lượng iốt tiêu thụ hàng ngày là 0,15 mg iốt là đủ để tuyến giáp của con người hoạt động bình thường, nhưng chế độ ăn thiếu iốt khiến tuyến này to ra và dẫn đến biến dạng gọi là bướu cổ.
Ở những vùng tiêu thụ hải sản hoặc muối i-ốt, tỷ lệ mắc bệnh bướu cổ đã giảm. Tất cả các yếu tố tạo nên cơ thể con người được liệt kê trong Bảng 2.1.
Một số nguyên tố tự nhiên gây độc cho sinh vật. Ví dụ, ở người, asen có liên quan đến nhiều bệnh tật và ảnh hưởng của nó có thể gây tử vong. Ở một số nơi trên thế giới, asen xuất hiện tự nhiên trong đất và có thể bị cuốn trôi vào nguồn nước ngầm.
Sau khi uống nước giàu asen từ giếng khoan ở Nam Á, hàng triệu người đã vô tình bị nhiễm độc. Cơ quan công quyền hiện đang cố gắng khắc phục vấn đề này nhằm giảm lượng asen trong nước uống.
Nghiên cứu điển hình: sự tiến hóa của khả năng chịu đựng các yếu tố độc hại
Tiến hóa
Một số loài đã thích nghi với môi trường thường chứa các yếu tố độc hại. Các quần xã thực vật phát triển trên đất giàu chất ngoằn ngoèo là một ví dụ hùng hồn. Giống như màu ngọc bích, ngoằn ngoèo là một khoáng chất giàu các nguyên tố độc hại khác nhau như crom, niken và coban. Hầu hết thực vật không thể tồn tại trong đất có chứa chất ngoằn ngoèo, ngoại trừ một số ít loài đặc biệt thích nghi với môi trường này (hình 2.4). Người ta cho rằng thực vật của các cộng đồng ngoằn ngoèo này là biến thể của các loài tổ tiên đã có khả năng sống sót ở loại đất này. Sau khi chọn lọc tự nhiên, những loài này đã tìm cách xâm chiếm những nơi khắc nghiệt này.
Quay lại Concept 2.1
1. TẠO KẾT NỐI Tham khảo phần thảo luận về các đặc tính nổi bật trong Chương 1 (trang 3).
Giải thích tại sao muối ăn có đặc tính nổi bật.
2. Nguyên tố vi lượng có phải là nguyên tố thiết yếu không?
Giải thich câu trả lơi của bạn.
3. Sắt là nguyên tố vi lượng cần thiết cho con người để hoạt động bình thường của huyết sắc tố,
phân tử vận chuyển oxy trong hồng cầu. Thiếu sắt sẽ gây ra hậu quả gì?
4. LIÊN HỆ: Tham khảo thảo luận về chọn lọc tự nhiên ở Chương 1 (trang 15 và 16) và giải thích nó có thể đóng vai trò như thế nào trong quá trình tiến hóa của các loài có khả năng phát triển trên đất ngoằn ngoèo.
Khái niệm 2.2. Tính chất của một nguyên tố được xác định bởi cấu trúc nguyên tử của nó
Mỗi nguyên tố được tạo thành từ loại nguyên tử riêng của nó. Nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất của vật chất có cùng tính chất với nguyên tố chứa nó. Nó nhỏ đến mức phải mất cả triệu đô mới có thể dò được đường kính của dấu chấm in ở cuối câu này. Ký hiệu tương tự được sử dụng để chỉ nguyên tử và thành phần mà nó là một phần. Ví dụ: ký hiệu C đại diện cho cả nguyên tố cacbon và một nguyên tử cacbon.
Các hạt cơ bản
Mặc dù là đơn vị nhỏ nhất có những đặc tính của một nguyên tố nhưng nguyên tử lại được tạo thành từ những phần còn nhỏ hơn nữa, gọi là các hạt cơ bản. Theo các nhà vật lý, nguyên tử có hơn một trăm loại hạt, nhưng chỉ có ba loại đáng được chúng ta chú ý: neutron, proton và electron. Proton và electron có điện tích. Mỗi proton có một đơn vị điện tích dương và mỗi electron có một đơn vị điện tích âm. Đối với neutron, đúng như tên gọi của nó, nó trung hòa về điện.
Proton và neutron được tìm thấy ở trung tâm nguyên tử và tạo thành lõi dày đặc, gọi là hạt nhân nguyên tử; proton mang lại cho hạt nhân điện tích dương. Các electron tạo thành một loại đám mây mang điện tích âm xung quanh hạt nhân, và chính lực hút giữa các điện tích trái dấu đã giữ chúng ở vùng lân cận của hạt nhân. Hình 2.5 cho thấy hai ví dụ về mô hình cấu trúc của nguyên tử helium được sử dụng phổ biến.
Neutron và proton có khối lượng gần như giống nhau, cỡ 1,7 3 10224 gam (g). Gam và các quy ước đơn vị khác không hữu ích lắm cho việc mô tả những vật thể nhỏ bé như vậy. Do đó, đối với các nguyên tử và các hạt cơ bản (và cả phân tử nữa), chúng ta sử dụng một đơn vị đo gọi là dalton, được đặt tên để vinh danh John Dalton, nhà khoa học người Anh đã góp phần phát triển lý thuyết nguyên tử vào khoảng năm 1800. (Dalton là tương tự như đơn vị khối lượng nguyên tử, hay amu, đơn vị mà bạn có thể đã quen thuộc trong một môn học khác.) Neutron và proton có khối lượng khoảng 1 dalton. Vì khối lượng của electron chỉ bằng khoảng 1⁄2.000 khối lượng của neutron hoặc proton nên có thể bỏ qua nó khi tính tổng khối lượng của nguyên tử. Số nguyên tử và số khối Các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau được phân biệt bằng số lượng hạt cơ bản mà chúng chứa. Tất cả các nguyên tử của cùng một nguyên tố đều có số proton trong hạt nhân bằng nhau. Con số này được gọi là số nguyên tử.
Nó được đặt dưới dạng chỉ số dưới bên trái của ký hiệu phần tử. Ví dụ, chữ viết tắt 2He cho thấy mỗi nguyên tử helium có hai proton trong hạt nhân của nó.
Trừ khi có quy định khác, nguyên tử trung hòa về điện, nghĩa là nó có nhiều proton như số electron. Theo đó, trong một nguyên tử trung hòa về điện, số nguyên tử biểu thị cả số proton và số electron.
Có thể suy ra số neutron từ số khối. Cái sau tương ứng với tổng số proton và neutron có trong hạt nhân nguyên tử. Nó được biểu thị bằng số mũ được đặt ở bên trái của ký hiệu phần tử. Ví dụ, để chỉ định một nguyên tử helium, chúng ta có thể sử dụng chữ viết tắt 24He. Vì số nguyên tử biểu thị số lượng proton nên có thể xác định số lượng neutron bằng cách trừ số nguyên tử khỏi số khối. Nguyên tử helium, 42He, có hai neutron. Đối với nguyên tử natri (Na):
Nguyên tử đơn giản nhất là hydro (11H); nó không có neutron. Nó được tạo thành từ một proton và một electron. Vì khối lượng của electron là không đáng kể nên gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung ở hạt nhân, và hơn nữa, vì neutron và proton đều có khối lượng rất gần bằng 1 dalton nên số khối là xấp xỉ với giá trị trung bình. khối lượng nguyên tử. Khối lượng nguyên tử trung bình cho chúng ta biết ít nhiều về khối lượng của toàn bộ nguyên tử. Như vậy, khối lượng nguyên tử của natri (23 11Na) là 23 dalton (chính xác là 22,989 8 dalton).
Đồng vị
Tất cả các nguyên tử của một nguyên tố nhất định đều có cùng số proton (nếu không thì chúng sẽ không phải là nguyên tố giống nhau), nhưng một số nguyên tử có nhiều neutron hơn những nguyên tử khác và do đó có khối lượng cao hơn. Các dạng nguyên tử khác nhau của một nguyên tố được gọi là đồng vị. Trong tự nhiên, nơi có hơn 300 đồng vị khác nhau, các nguyên tố được tìm thấy ở dạng hỗn hợp các đồng vị. Lấy ví dụ, carbon, có số nguyên tử là 6. Có ba đồng vị của nguyên tố này. Phổ biến nhất là cacbon 12 (126C); nó chiếm khoảng 99% lượng carbon tự nhiên và có sáu neutron. Hầu hết 1% còn lại bao gồm các nguyên tử của đồng vị 13 6C, có bảy neutron. Đối với đồng vị thứ ba, 146C, thậm chí còn hiếm hơn, nó có 8 neutron. Ngay cả khi khối lượng của chúng khác nhau thì các đồng vị của một nguyên tố vẫn hoạt động giống nhau trong các phản ứng hóa học. (Con số thường được gán là khối lượng nguyên tử của một nguyên tố, chẳng hạn như 22,989 8 dalton đối với natri, thực tế là khối lượng nguyên tử trung bình của tất cả các đồng vị tự nhiên của nguyên tố đó.)
Các đồng vị 12C và 13C ổn định, nghĩa là hạt nhân của chúng không có xu hướng mất hạt. Mặt khác, đồng vị 14C không ổn định hoặc có tính phóng xạ. Đồng vị phóng xạ là một đồng vị có hạt nhân phân rã một cách tự nhiên, giải phóng các hạt và năng lượng. Khi điều này xảy ra và số lượng proton có trong hạt nhân thay đổi, nguyên tử sẽ biến thành nguyên tử của một nguyên tố khác. Ví dụ, khi carbon phóng xạ phân hủy, nó sẽ biến thành nitơ. Đồng vị phóng xạ có nhiều ứng dụng thực tế trong sinh học. Trong Chương 25, bạn sẽ tìm hiểu cách các nhà nghiên cứu nghiên cứu lượng phóng xạ trong hóa thạch để xác định tuổi của chúng. Như được minh họa trong Hình 2.6, các đồng vị phóng xạ cũng đóng vai trò là chất đánh dấu cho phép chúng ta theo dõi đường đi của các nguyên tử trong quá trình trao đổi chất (tức là tất cả các phản ứng hóa học diễn ra trong cơ thể sinh vật). Tế bào sử dụng đồng vị phóng xạ của một nguyên tố giống như cách sử dụng đồng vị không phóng xạ; mặt khác, chất đánh dấu phóng xạ có thể dễ dàng được phát hiện.
Chất đánh dấu phóng xạ rất hữu ích trong y học. Ví dụ, có thể chẩn đoán một số bệnh về thận bằng cách tiêm một lượng nhỏ chất có chứa đồng vị phóng xạ vào máu của một người và sau đó đo lượng chất đánh dấu được bài tiết qua nước tiểu. Ngoài ra, bằng cách sử dụng các kỹ thuật hình ảnh phức tạp, chẳng hạn như chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), chúng ta có thể theo dõi các giai đoạn của quá trình hóa học, ví dụ, trong trường hợp ung thư phát triển khi chúng diễn ra trong cơ thể (hình 2.7). Các tế bào ung thư cũng có thể bị tiêu diệt trong xạ trị bằng cách sử dụng đồng vị phóng xạ (ví dụ như coban 60).
Ngoài tiện ích to lớn của chúng trong lĩnh vực nghiên cứu sinh học và y học, bức xạ phát ra trong quá trình phân hủy các đồng vị còn mang đến những rủi ro vì nó làm hỏng các phân tử tạo nên tế bào. Mức độ nghiêm trọng của tổn thương phụ thuộc vào loại và lượng bức xạ mà cơ thể hấp thụ. Bụi phóng xạ do tai nạn hạt nhân là một trong những mối đe dọa môi trường nghiêm trọng nhất. Tuy nhiên, trong y học, liều lượng của hầu hết các chất đồng vị được sử dụng mang lại rất ít rủi ro.
Mức năng lượng điện tử
Trong Hình 2.5, minh họa hai mô hình đơn giản của nguyên tử, kích thước của hạt nhân không tỷ lệ với thể tích đầy đủ của nguyên tử. Nếu nguyên tử helium có kích thước bằng một sân vận động bóng đá thì hạt nhân sẽ không lớn hơn cục tẩy của một cây bút chì cắm ở giữa sân. Ngoài ra, các electron sẽ trông giống như hai con ruồi nhỏ bay quanh sân vận động. Các nguyên tử chủ yếu bao gồm không gian trống rỗng.
Ngay cả khi hai nguyên tử đến gần nhau trong phản ứng hóa học, các hạt nhân vẫn cách nhau quá xa để có thể tương tác. Vì vậy, trong ba loại hạt cơ bản mà chúng ta đã thảo luận, chỉ có electron tham gia trực tiếp vào các phản ứng hóa học giữa các nguyên tử.
Mỗi electron có lượng năng lượng riêng.
Năng lượng là khả năng gây ra sự thay đổi, ví dụ như tạo ra công. Thế năng là năng lượng mà vật chất sở hữu do cấu trúc hoặc vị trí của nó so với các vật thể khác. Ví dụ, nước trong một hồ chứa nằm trên một ngọn đồi có thế năng do độ cao của nó.
Khi các van trong bể chứa mở, năng lượng được giải phóng và sử dụng để tạo ra công, chẳng hạn như làm quay tua-bin. Nước đến chân đồi có ít năng lượng hơn nước hồ chứa. Tuy nhiên, bạn nên biết rằng xu hướng tự nhiên của vật chất là chiếm thế năng ở mức thấp nhất có thể. Để khôi phục thế năng của dòng nước đang chảy, cần phải tạo ra công; điều này sẽ cho phép nước dâng lên hồ chứa bất chấp lực hấp dẫn.
Các electron của nguyên tử mang điện tích âm cũng có thế năng do sự sắp xếp của chúng so với hạt nhân tích điện dương. Các electron mang điện tích âm bị hút vào hạt nhân mang điện tích dương. Chúng càng ở xa hạt nhân thì thế năng của chúng càng cao, vì công phải được thực hiện để di chuyển một electron nhất định ra khỏi hạt nhân. Không giống như sự thay đổi liên tục thế năng của nước chảy xuống, sự thay đổi thế năng của các electron xảy ra theo từng bước, không liên tục.
Một electron có thế năng nhất định có thể được so sánh với một quả bóng đang đi xuống cầu thang (hình 2.8a).
Quả bóng có lượng thế năng khác nhau tùy thuộc vào việc nó đang ở bước nào và nó không thể dành nhiều thời gian giữa các bước. Tương tự, thế năng của electron được xác định bởi mức năng lượng của nó.
Một electron không thể tồn tại giữa các mức năng lượng.
Mức năng lượng của electron có liên quan đến khoảng cách trung bình của nó với hạt nhân. Các electron chiếm giữ các lớp điện tử khác nhau, mỗi lớp được đặc trưng bởi một khoảng cách trung bình và mức năng lượng cụ thể.
Trong sơ đồ, các lớp điện tử có thể được biểu diễn bằng các vòng đồng tâm (hình 2.8b). Lớp đầu tiên gần hạt nhân nhất và các electron ở đó có năng lượng thấp nhất. Các electron ở lớp thứ hai có nhiều năng lượng hơn, các electron ở lớp thứ ba thậm chí còn nhiều hơn. Một electron chỉ có thể di chuyển từ lớp này sang lớp khác bằng cách hấp thụ hoặc mất đi một lượng năng lượng bằng độ chênh lệch thế năng giữa lớp cũ và lớp mới. Để đến được lớp xa hạt nhân hơn, electron phải hấp thụ năng lượng. Ví dụ, ánh sáng có thể kích thích nó và đưa nó lên mức năng lượng cao hơn. (Trên thực tế, đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình quang hợp, trong đó thực vật thu được năng lượng ánh sáng. Đây là quá trình cho phép chúng tạo ra các hợp chất hữu cơ từ carbon dioxide và nước.) Ngược lại, để lấy lại lớp gần nhân hơn, electron phải mất năng lượng, thường là do giải phóng nó ra môi trường dưới dạng nhiệt. Như vậy, khi tia nắng mặt trời kích thích các electron có trên bề mặt ô tô, chúng sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Chiếc xe nóng lên trong khi các electron lấy lại mức năng lượng ban đầu. Năng lượng nhiệt này có thể được truyền vào không khí hoặc tới tay nếu chúng ta chạm vào ô tô.
Phân phối điện tử và tính chất hóa học
Hành vi hóa học của một nguyên tử được xác định bởi sự phân bố electron trong lớp vỏ điện tử của nguyên tử. Bắt đầu với hydro, nguyên tử đơn giản nhất, chúng ta có thể biểu diễn nguyên tử của các nguyên tố khác bằng cách thêm lần lượt một proton và một electron (cùng với số neutron thích hợp). Hình 2.9 trình bày một phiên bản rút gọn của bảng tuần hoàn các nguyên tố, cho phép bạn hình dung sự phân bố điện tử của 18 nguyên tố đầu tiên, từ hydro (1H) đến argon (18Ar). Những nguyên tố này xuất hiện trên ba dòng, gọi là chu kỳ, tương ứng với số lớp điện tử chứa trong nguyên tử của chúng.
Từ trái sang phải, thứ tự các nguyên tố ở mỗi dòng tương ứng với sự bổ sung tuần tự của các electron và proton. (Bảng tuần hoàn hoàn chỉnh được cho ở Phụ lục C.) Giống như mọi vật chất, các electron tìm cách đạt tới trạng thái thế năng thấp nhất, điều này có thể đạt được khi chúng ở lớp vỏ electron thứ nhất. Ví dụ, một electron của hydro và hai electron của helium chiếm lớp vỏ thứ nhất. Tuy nhiên, chất này không thể chứa nhiều hơn hai electron; do đó, hàng đầu tiên của bảng không thể chứa nhiều hơn hai nguyên tố (hydro và helium). Khi có nhiều hơn hai electron, nguyên tử phải sử dụng lớp vỏ electron cao hơn, lớp đầu tiên bị bão hòa. Nguyên tố tiếp theo, lithium, có ba electron: hai electron nằm ở lớp vỏ thứ nhất và electron thứ ba nằm ở lớp vỏ thứ hai. Loại thứ hai có thể chứa tối đa tám electron. Đối với neon, nằm ở cuối dòng thứ hai, nó có tám electron ở lớp thứ hai; do đó nguyên tố này có tổng cộng 10 electron.
Một nguyên tử có các tính chất hóa học chủ yếu phụ thuộc vào số lượng electron có trong lớp ngoại vi của nó, được gọi là mức năng lượng cuối cùng. Những electron này được gọi là electron hóa trị hoặc electron ngoại vi. Ví dụ, lithium có hai lớp, chỉ có một electron hóa trị. Các nguyên tử có cùng số electron ở mức năng lượng cuối cùng của chúng biểu hiện hành vi hóa học tương tự nhau. Ví dụ, flo (F) và clo (Cl) đều có bảy electron hóa trị và mỗi electron có thể kết hợp với natri và tạo thành các hợp chất (xem Hình 2.3). Hơn nữa, một nguyên tử có mức năng lượng cuối cùng bão hòa sẽ không phản ứng tự phát với các nguyên tử khác. Ở phía bên phải của bảng tuần hoàn là helium, neon và argon; Đây là ba phần tử duy nhất trong Hình 2.9 có mức năng lượng cuối cùng là bão hòa. Chúng được gọi là trơ vì tính ổn định hóa học của chúng. Tất cả các nguyên tử khác trong Hình 2.9 đều có khả năng phản ứng hóa học vì mức năng lượng cuối cùng của chúng là không bão hòa.
Quỹ đạo điện tử
Vào đầu những năm 1900, các nhà khoa học xem lớp vỏ electron là những đường đồng tâm được mô tả bởi các electron chuyển động xung quanh hạt nhân, giống như quỹ đạo của các hành tinh quay quanh Mặt trời.
Ngày nay, các vòng tròn đồng tâm hai chiều, như trong Hình 2.9, vẫn được sử dụng để minh họa các lớp vỏ electron ba chiều, nhưng phải nhớ rằng mỗi vòng đồng tâm chỉ biểu thị khoảng cách trung bình giữa một electron chiếm giữ lớp vỏ đó và lõi xung quanh nó. hấp dẫn. Do đó, sơ đồ vòng đồng tâm không thể hiện được sự biểu diễn thực sự của một nguyên tử. Trên thực tế, không thể biết chính xác quỹ đạo của electron. Mặt khác, chúng ta có thể xác định thể tích không gian mà nó dành phần lớn thời gian. Không gian ba chiều trong đó electron dành 90% thời gian của nó được gọi là quỹ đạo. Mỗi lớp điện tử chứa các electron ở một mức năng lượng cụ thể, được phân bố giữa một số quỹ đạo xác định có hình dạng và hướng cụ thể.
Hình 2.10 minh họa một ví dụ về quỹ đạo của neon kèm theo sơ đồ phân bố điện tử của nó để tham khảo. Chúng ta có thể coi quỹ đạo là một thành phần của vỏ electron. Lớp vỏ electron thứ nhất có một quỹ đạo hình cầu duy nhất, được gọi là 1s, nhưng lớp vỏ thứ hai có bốn quỹ đạo: một quỹ đạo hình cầu lớn (gọi là 2s) và ba quỹ đạo p (gọi là 2p) có hình dạng như quả tạ. Lớp electron thứ ba, cũng như các lớp trên, cũng có các quỹ đạo s và p, ngoài ra còn có các quỹ đạo có hình dạng phức tạp hơn.
Một quỹ đạo đơn không thể chứa nhiều hơn hai electron. Do đó, lớp vỏ electron thứ nhất có thể chứa tối đa hai electron trong quỹ đạo s của nó. Do đó, một electron của nguyên tử hydro và hai electron của nguyên tử helium chiếm quỹ đạo 1s. Lớp vỏ electron thứ hai có bốn quỹ đạo và có thể chứa tối đa tám electron, mỗi quỹ đạo có hai electron. Những electron này có năng lượng xấp xỉ nhau nhưng chúng di chuyển trong những không gian khác nhau.
Khả năng phản ứng của một nguyên tử phụ thuộc vào sự hiện diện của các electron chưa ghép cặp hoặc đơn lẻ trong một hoặc nhiều quỹ đạo ở mức năng lượng cuối cùng của nó. Như bạn sẽ thấy trong phần tiếp theo, các nguyên tử tương tác để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng của chúng và sau đó các electron đơn lẻ sẽ phát huy tác dụng.
Quay lại Concept 2.2
1. Một nguyên tử lithium có ba proton và bốn neutron. Khối lượng nguyên tử của nó tính bằng dalton là bao nhiêu?
2. Một nguyên tử nitơ có bảy proton và đồng vị phổ biến nhất của nitơ có bảy neutron. Một đồng vị phóng xạ của nitơ có 8 neutron. Viết số nguyên tử và số khối của nitơ phóng xạ này làm ký hiệu hóa học cùng với chỉ số dưới và chỉ số trên.
3. Flo có bao nhiêu electron? Có bao nhiêu lớp điện tử? Kể tên các quỹ đạo bị chiếm giữ. Cần bao nhiêu electron để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng?
4. và nếu tôi? Trong Hình 2.9, nếu có hai hoặc nhiều phần tử trong cùng một hàng thì chúng có điểm gì chung? Nếu có hai hoặc nhiều mục trong cùng một cột thì chúng có điểm gì chung?
Khái niệm 2.3
Sự hình thành và chức năng của phân tử phụ thuộc vào liên kết hóa học giữa các nguyên tử
Bây giờ chúng ta hãy đi lên cấp bậc tổ chức sinh học để hiểu cách các nguyên tử kết hợp với nhau để tạo thành phân tử và hợp chất ion. Các nguyên tử có mức năng lượng cuối cùng không đầy đủ (đây là trường hợp của các nguyên tố phổ biến nhất trong vật chất sống) tương tác với một số nguyên tử khác để lấp đầy lớp điện tử cuối cùng của chúng. Để làm được điều này, chúng phải tập hợp các electron hóa trị hoặc chuyển chúng hoàn toàn. Sau khi hoàn thành, chúng thường ở gần nhau: chúng được giữ với nhau bằng lực hấp dẫn gọi là liên kết hóa học. Liên kết hóa học mạnh nhất là liên kết cộng hóa trị và liên kết ion, trong đó liên kết cộng hóa trị là liên kết mạnh hơn.
Hình 2.10 Các quỹ đạo điện tử.
Liên kết cộng hóa trị
Liên kết cộng hóa trị được hình thành khi hai nguyên tử có chung một hoặc nhiều cặp electron hóa trị.
Ví dụ, đây là điều xảy ra khi hai nguyên tử hydro tiến lại gần nhau. Hãy nhớ rằng hydro có một electron hóa trị nằm ở lớp vỏ đầu tiên, nhưng lớp này có thể chứa hai electron. Khi chúng đủ gần để quỹ đạo 1s của chúng chồng lên nhau, hai nguyên tử hydro này sẽ chia sẻ một electron (hình 2.11). Mỗi nguyên tử hydro sau đó được liên kết với hai electron ở mức năng lượng hoàn chỉnh cuối cùng của nó. Khi được nối bằng liên kết cộng hóa trị, hai hoặc nhiều nguyên tử tạo thành một phân tử. Trong ví dụ trên, nó là một phân tử dihydrogen.
Hình 2.12a minh họa một số cách biểu diễn phân tử dihydrogen. Công thức phân tử của nó, H2, chỉ đơn giản chỉ ra rằng phân tử này bao gồm hai nguyên tử hydro. Việc chia sẻ các electron có thể được mô tả bằng sơ đồ phân bố điện tử hoặc bằng sơ đồ Lewis, trong đó ký hiệu của các nguyên tố được bao quanh bởi các dấu chấm tượng trưng cho các electron hóa trị (H:H). Chúng ta cũng có thể sử dụng công thức cấu trúc H—H, trong đó dấu gạch nối biểu thị một liên kết đơn, tức là một cặp electron dùng chung. Về phần mình, mô hình nhỏ gọn gần nhất với hình dạng thực của phân tử.
Có sáu electron ở lớp vỏ electron thứ hai, oxy cần thêm hai electron để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng của nó. Hai nguyên tử oxy gặp nhau phải có chung hai cặp electron hóa trị để tạo thành phân tử (hình 2.12b). Sau đó chúng được nối với nhau bằng liên kết đôi (O O).
Mỗi nguyên tử có thể chia sẻ các electron hóa trị có khả năng liên kết tương ứng với số lượng liên kết cộng hóa trị mà nó có thể tạo ra. Một khi chúng được hình thành, mức năng lượng cuối cùng của nguyên tử sẽ được lấp đầy. Khả năng liên kết này được cho bởi số oxi hóa của một nguyên tử. Nó biểu thị số electron mà một nguyên tử phải mất (dấu 1), tăng (dấu 2) hoặc gộp để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng của nó. Số oxi hóa của hydro là 11. Giá trị này có nghĩa là electron có xu hướng di chuyển ra khỏi hạt nhân hydro và hướng tới một nguyên tử khác; do đó electron di chuyển điện tích âm của nó ra khỏi hạt nhân hydro. Trong trường hợp này, proton của hạt nhân, mang điện tích dương, chiếm ưu thế trong hydro, do đó số 11 tương ứng với số oxi hóa của nguyên tử này. Đối với số oxi hóa của oxy là 22. Đôi khi, một nguyên tố có một số số oxi hóa, tùy thuộc vào loại phân tử mà nó thuộc về; do đó, số nitơ là 63, 15, 14 và 12. Tuy nhiên, tình hình phức tạp hơn đối với các nguyên tố thuộc chu kỳ thứ ba của bảng tuần hoàn. Ví dụ, phốt pho (P) có thể có số oxi hóa là 63, như được dự đoán bởi ba electron đơn độc của nó. Tuy nhiên, khi nó là một phần của phân tử cần thiết cho sự sống, nó thường có số oxi hóa là 15: nó tạo thành ba liên kết đơn và một liên kết đôi. Nó cũng có thể có số oxi hóa là 14.
Các phân tử H2 và O2 là các nguyên tố tinh khiết chứ không phải hợp chất, vì hợp chất là sự kết hợp của hai hoặc nhiều nguyên tố khác nhau. Nước có công thức phân tử là H2O là một hợp chất. Phải mất hai nguyên tử hydro để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng của một nguyên tử oxy. Hình 2.12c thể hiện cấu trúc của một phân tử nước. Nước rất quan trọng đối với sự sống nên chúng ta sẽ dành toàn bộ chương 3 để nói về cấu trúc và tính chất của nó.
Một ví dụ khác về hợp chất là metan, có công thức phân tử là CH4. Trên thực tế, nó là thành phần chính của khí tự nhiên. Cần bốn nguyên tử hydro (mỗi nguyên tử có số oxi hóa là 11) để lấp đầy mức năng lượng cuối cùng của một nguyên tử cacbon (có số oxi hóa là 14) (Hình 2.12d). Chúng ta sẽ nghiên cứu nhiều hợp chất cacbon khác ở Chương 4.
Đôi khi các nguyên tử hoặc phân tử chứa các electron hóa trị chưa ghép cặp (hoặc đơn) được hình thành trong cơ thể sinh vật (ví dụ: O22, NO và OH). Những chất này, được gọi là gốc tự do, rất không ổn định và dễ phản ứng, bởi vì theo một cách nào đó, chúng đang tìm kiếm electron bị thiếu. Họ có thể “đánh cắp” nó từ bất kỳ nguyên tử nào khác, bao gồm cả các nguyên tử thuộc về các chất hữu ích cho sinh vật, chẳng hạn như protein của nó. Do đó, các gốc tự do có thể có tác dụng sinh lý có hại. Các nguyên tử trong phân tử thu hút các electron dùng chung ở các mức độ khác nhau, tùy thuộc vào bản chất của nguyên tố. Lực hút mà nguyên tử tác dụng lên các electron mà nó chia sẻ trong liên kết cộng hóa trị được gọi là độ âm điện. Nguyên tử càng có độ âm điện thì nó càng thu hút các electron tập trung về phía chính nó càng mạnh. Trong liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử của cùng một nguyên tố, sự chia sẻ là bằng nhau, vì chúng có cùng độ âm điện; trò chơi do đó được hòa. Đây được gọi là liên kết cộng hóa trị không phân cực. Vì vậy liên kết đơn của H2 không có cực, giống như liên kết đôi của O2. Mặt khác, khi một nguyên tử liên kết với một nguyên tử khác có độ âm điện lớn hơn thì các electron trong liên kết không được chia đều. Sau đó chúng ta nói về một liên kết cộng hóa trị có cực. Độ phân cực của các liên kết này thay đổi tùy thuộc vào độ âm điện tương đối của hai nguyên tử. Ví dụ, liên kết giữa nguyên tử oxy và hydro của phân tử nước rất phân cực (hình 2.13).
Oxy là một trong những nguyên tố có độ âm điện lớn nhất; lực hút mà nó tác dụng lên các electron dùng chung mạnh hơn nhiều so với lực hút của hydro. Kết quả là, trong liên kết cộng hóa trị giữa oxy và hydro, các electron dành nhiều thời gian xung quanh hạt nhân oxy hơn hạt nhân hydro. Vì các electron có điện tích âm và bị thu hút bởi oxy trong phân tử nước nên nguyên tử oxy có điện tích âm một phần (ký hiệu là chữ Hy Lạp d theo sau là của dấu trừ, d2 hay “delta trừ”), và mỗi nguyên tử hydro, mang điện tích dương một phần (d1, hay “delta cộng”). Mặt khác, các liên kết của metan (CH4) ít phân cực hơn nhiều vì độ âm điện của cacbon và hydro là tương tự nhau.
Liên kết ion
Trong một số trường hợp, hai nguyên tử gần nhau tạo ra lực hút không đồng đều lên các electron hóa trị của chúng đến mức nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ tước hoàn toàn một electron khỏi nguyên tử kia. Điều này xảy ra, ví dụ, khi nguyên tử natri (11Na) gặp nguyên tử clo (17Cl)
(hình 2.14). Nguyên tử natri có tổng cộng 11 electron, trong đó chỉ có một electron hóa trị. Nguyên tử clo có 17 electron, trong đó có 7 electron hóa trị. Khi hai nguyên tử này gặp nhau, natri nhường electron hóa trị đơn của nó cho clo; hai nguyên tử sau đó có mức năng lượng bão hòa cuối cùng. (Vì natri không còn electron ở lớp vỏ thứ ba nên lớp vỏ thứ hai của nó trở thành mức năng lượng cuối cùng.)
Thuật ngữ ion cũng áp dụng cho toàn bộ phân tử mang điện tích. Ví dụ, trong trường hợp amoni clorua (NH4Cl), anion là ion clorua đơn nguyên tử (Cl2), nhưng cation là ion amoni (NH41), một hợp chất được hình thành bởi một nguyên tử nitơ liên kết bằng cộng hóa trị với bốn nguyên tử hydro. Ion amoni có điện tích là 11 vì nó thiếu một electron. Môi trường ảnh hưởng đến độ bền của liên kết ion. Khi khô, tinh thể muối nguyên chất có liên kết bền chặt đến mức cần dùng búa và đục để đập vỡ nó thành từng mảnh. Tuy nhiên, nếu cùng một tinh thể muối được hòa tan trong nước, liên kết ion sẽ yếu hơn nhiều vì tương tác với các phân tử nước che chắn một phần từng ion. Quan sát này giải thích tại sao hầu hết các loại thuốc đều được điều chế ở dạng muối: chúng rất ổn định khi khô nhưng chúng dễ dàng phân ly (tách ra) trong nước. Trong chương tiếp theo bạn sẽ tìm hiểu thêm về cách muối hòa tan trong nước.
Liên kết hóa học yếu
Ở sinh vật sống, liên kết hóa học mạnh nhất là liên kết cộng hóa trị kết hợp các nguyên tử và tạo thành các phân tử của tế bào. Nhưng các liên kết nội phân tử và liên phân tử yếu hơn cũng rất cần thiết; trên thực tế, chúng đóng góp phần lớn vào các đặc tính nổi bật của sự sống. Nhờ các liên kết yếu, nhiều phân tử sinh học lớn có thể duy trì hình dạng ba chiều, điều này đảm bảo chức năng của chúng. Ngoài ra, khi tiếp xúc với nhau trong tế bào, hai phân tử có thể liên kết tạm thời nhờ loại liên kết hóa học yếu. Bản chất thuận nghịch của liên kết yếu là một lợi thế: hai phân tử đến với nhau, phản ứng với nhau theo một cách nhất định và sau đó tách ra.
Một số loại liên kết hóa học yếu đóng vai trò quan trọng trong sinh vật. Chúng bao gồm liên kết ion mà chúng ta vừa thảo luận, tồn tại giữa các ion phân ly trong nước, cũng như liên kết hydro và lực Van der Waals, cũng rất cần thiết cho sự sống.
Liên kết hydro
Liên kết hydro, một liên kết hóa học yếu, rất quan trọng đối với sự sống nên nó đáng được quan tâm đặc biệt. Điện tích một phần dương được mang bởi một nguyên tử hydro đã liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử có độ âm điện cho phép hydro này bị thu hút bởi một nguyên tử có độ âm điện khác. Lực hút không cộng hóa trị này giữa hydro và nguyên tử có độ âm điện được gọi là liên kết hydro.
Trong tế bào, các nguyên tử có độ âm điện có thể hình thành liên kết hydro thường là oxy và nitơ. Hình 2.16 minh họa trường hợp đơn giản về liên kết hydro giữa nước (H2O) và amoniac (NH3).
Lực Van der Waals
Ngay cả một phân tử có liên kết cộng hóa trị không phân cực cũng có thể có một số vùng tích điện dương và một số vùng tích điện âm. Các electron không phải lúc nào cũng được phân bố đối xứng trong một phân tử như vậy. Bất cứ lúc nào họ cũng có thể tình cờ thấy mình tụ tập lại với nhau ở phần này hoặc phần khác của nó. Do đó, các vùng tích điện dương và âm liên tục thay đổi, cho phép tất cả các nguyên tử và phân tử hút nhau. Các lực Van der Waals (hoặc tương tác) này yếu riêng lẻ và chỉ xuất hiện khi các nguyên tử và phân tử ở rất gần nhau. Tuy nhiên, khi những tương tác như vậy xảy ra đồng thời, chúng có thể rất mạnh: lực Van der Waals do đó giải thích sự dễ dàng mà thằn lằn tắc kè (tắc kè) (phải) trèo tường. Mỗi ngón tay của loài thằn lằn này được bao phủ bởi hàng trăm ngàn sợi lông nhỏ.
Phần đuôi của các sợi lông được chia thành vô số phần nhô ra làm tăng diện tích bề mặt của chúng.
Có vẻ như lực Van der Waals được thiết lập giữa các phân tử ở đầu sợi lông và các phân tử trên bề mặt bức tường nhiều đến mức, bất chấp sự yếu kém của mỗi lực này, con vật vẫn đến để hỗ trợ lực của mình. trọng lượng và bám vào tường.
Lực Van der Waals, liên kết hydro và liên kết ion trong môi trường nước, cũng như các loại liên kết yếu khác, có thể hình thành không chỉ giữa các phân tử mà còn giữa các phần của phân tử lớn, chẳng hạn như protein. Hiệu ứng tích lũy của các liên kết yếu củng cố hình dạng ba chiều của các phân tử lớn. Bạn sẽ tìm hiểu thêm về vai trò sinh học của các liên kết hóa học yếu trong Chương 5.
Hình dạng phân tử và chức năng sinh học
Một phân tử có kích thước đặc trưng và hình dạng ba chiều. Thông thường, hình dạng ba chiều cụ thể của phân tử góp phần rất lớn vào chức năng của phân tử đó trong tế bào. Các phân tử gồm hai nguyên tử, như H2 hoặc O2, luôn tuyến tính. Những chất có nhiều hơn hai nguyên tử có hình dạng phức tạp hơn, được xác định bởi vị trí quỹ đạo của nguyên tử. Khi một nguyên tử thiết lập liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử khác, các quỹ đạo ở mức năng lượng cuối cùng của nó sẽ được sắp xếp lại.
Nếu nó có các electron hóa trị trong quỹ đạo s và p (xem lại Hình 2.10), quỹ đạo s đơn và ba quỹ đạo p tạo thành bốn quỹ đạo mới, gọi là quỹ đạo lai. Chúng có hình dạng giống hệt những giọt nước thoát ra từ hạt nhân nguyên tử (hình 2.17a). Nếu chúng ta nối các đầu lớn của giọt nước bằng các đường thẳng thì chúng ta sẽ thu được một khối tứ diện (một hình chóp có đáy hình tam giác).
Trong phân tử nước (H2O), nguyên tử oxy chia sẻ hai quỹ đạo lai ở mức năng lượng cuối cùng của nó với các nguyên tử hydro (hình 2.17b). Phân tử thu được gần giống hình chữ V (đảo ngược trong Hình 2.17b), với hai liên kết cộng hóa trị của nó tạo thành một góc 104,5°.
Phân tử metan (CH4) có hình dạng tứ diện vì bốn quỹ đạo lai của nguyên tử carbon được chia sẻ với các nguyên tử hydro (xem Hình 2.17b). Hạt nhân của nguyên tử carbon nằm ở trung tâm và bốn liên kết cộng hóa trị của nó hướng về hạt nhân hydro nằm ở các đỉnh của tứ diện. Các phân tử lớn hơn chứa nhiều nguyên tử carbon (bao gồm nhiều phân tử tạo nên chất hữu cơ) có hình dạng ba chiều phức tạp hơn.
Tuy nhiên, hình dạng tứ diện mà một nguyên tử cacbon kết hợp với bốn nguyên tử khác là một dạng phổ biến.
Hình học phân tử rất được quan tâm trong sinh học vì nó xác định cách hầu hết các phân tử nhận biết lẫn nhau và thiết lập các tương tác cụ thể với nhau. Các phân tử sinh học có thể liên kết tạm thời với nhau bằng cách thiết lập các liên kết yếu, nhưng chỉ khi chúng có hình dạng bổ sung cho nhau.
Trường hợp thuốc phiện, loại thuốc có nguồn gốc từ thuốc phiện, minh họa rõ ràng cho đặc điểm này. Những chất này, như morphin và heroin, làm giảm đau và thay đổi tâm trạng bằng cách gắn yếu vào các phân tử cụ thể, gọi là thụ thể, trên bề mặt tế bào trong hệ thần kinh. Tại sao các tế bào của hệ thần kinh lại mang thụ thể thuốc phiện, những hợp chất mà cơ thể chúng ta không tổng hợp được? Chính việc phát hiện ra endorphin vào năm 1975 đã giúp trả lời câu hỏi này. Endorphin là các phân tử truyền tin được tổng hợp bởi tuyến yên, liên kết với các thụ thể để giảm đau và mang lại cho cá nhân cảm giác hưng phấn trong thời gian căng thẳng, chẳng hạn như tập thể dục cường độ cao. Tuy nhiên, hóa ra thuốc phiện có hình dạng tương tự endorphin và bắt chước chúng bằng cách gắn vào các thụ thể endorphin trong hệ thần kinh. Đây là lý do tại sao thuốc phiện (như morphin) và endorphin có tác dụng tương tự nhau (hình 2.18). Vai trò của hình học phân tử trong hóa học của hệ thần kinh minh họa mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng, một trong những chủ đề chung của sinh học.
Quay lại Concept 2.3
1. Tại sao công thức hóa học H—C=C—H không có ý nghĩa?
2. Điều gì giữ các nguyên tử lại với nhau trong tinh thể magie clorua (MgCl2)?
3. và nếu tôi? Nếu bạn là một nhà nghiên cứu dược lý học, tại sao bạn lại muốn biết hình dạng ba chiều của các phân tử truyền tin tự nhiên?
Khái niệm 2.4
Phản ứng hóa học tạo ra và phá vỡ liên kết hóa học
Sự hình thành và phá vỡ các liên kết hóa học gây ra sự thay đổi thành phần của vật chất là các phản ứng hóa học. Phản ứng xảy ra giữa dihydro và dioxy và dẫn đến sự hình thành nước là một ví dụ:
Phản ứng này phá vỡ liên kết cộng hóa trị của H2 và O2. Các liên kết mới được tạo ra và các phân tử H2O được hình thành. Để biểu thị phản ứng hóa học, chúng ta sử dụng mũi tên biểu thị sự biến đổi chất ban đầu, gọi là chất phản ứng, thành một hoặc nhiều chất mới, sản phẩm. Các hệ số cho biết số lượng phân tử tham gia. Hệ số 2 đứng trước H2 có nghĩa là phản ứng bắt đầu với hai phân tử dihydrogen. Lưu ý rằng tất cả các nguyên tử của chất phản ứng đều có trong sản phẩm. Trong bất kỳ phản ứng hóa học nào, vật chất được bảo toàn: phản ứng không thể tạo ra cũng như không thể phá hủy nó; họ chỉ có thể tổ chức lại nó.
Quang hợp là một ví dụ điển hình về các phản ứng hóa học tái tổ chức vật chất. Nhờ quá trình này diễn ra ở Thực vật, Động vật (bao gồm cả con người) tìm thấy những chất chúng cần để ăn và thở. Quang hợp tạo thành nền tảng của hầu hết các hệ sinh thái. Đây là một công thức tóm tắt tóm tắt phản ứng của quang hợp:
Nguyên liệu thô cho quá trình quang hợp là carbon dioxide (CO2) trong không khí và nước (H2O) từ đất. Ánh sáng mặt trời cung cấp cho các tế bào có khả năng quang hợp năng lượng cần thiết để biến đổi các thành phần này thành đường gọi là glucose (C6H12O6) và các phân tử dioxygen (O2), một sản phẩm phụ được thải ra môi trường (hình 2.19). Mặc dù quá trình quang hợp là một chuỗi nhiều phản ứng sinh hóa, nhưng cuối cùng chúng ta vẫn tìm thấy số lượng và loại nguyên tử giống như lúc bắt đầu quá trình. Nói tóm lại, các phản ứng chỉ đơn giản là tổ chức lại vật chất bằng cách sử dụng năng lượng do Mặt trời cung cấp. Tất cả các phản ứng hóa học đều thuận nghịch: sản phẩm của phản ứng thuận trở thành chất phản ứng của phản ứng nghịch. Ví dụ, các phân tử dihydrogen và dinitrogen có thể kết hợp để tạo thành amoniac và điều này có thể phân hủy để tạo thành dihydrogen và dinitrogen:
Opmerkingen