Химические элементы

Химия лежит в основе наук о жизни. Организмы можно рассматривать как химические фабрики, которые ежесекундно осуществляют огромное количество реакций, просто чтобы остаться в живых. Поэтому для того, чтобы изучать строительные блоки жизни, нам сначала нужно понять некоторые основы химии.

В этом разделе вы получите краткое представление о биологически важных элементах, структуре атомов, изотопах и электронных оболочках.

Важные элементы

В периодической таблице насчитывается более ста химических элементов, но лишь относительно небольшое их число имеет большое значение для биологии.

Около 98% массы большинства организмов составляют эти шесть элементов, изображенные красным цветом: водород (H), углерод (C), азот (N), кислород (O), фосфор (P) и сера (S). Другая группа элементов, обозначенных желтым цветом, содержится в меньшем количестве, но все равно очень важна. К ним относятся калий (K), кальций (Ca), натрий (Na), хлор (Cl) и магний (Mg) и другие.

Общая структура атомов

Атомы состоят из трех типов частиц: отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Ядро атома (атомное ядро) состоит из протонов и нейтронов, а электроны вращаются вокруг ядра. Например, атом углерода (C) имеет 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов, что дает общий нейтральный заряд. Атомный номер (6) относится к числу протонов, что в конечном итоге определяет элемент. Атомная масса 12,011 в основном обусловлена 12 частицами ядра, тогда как электроны не вносят большого вклада в общую массу.

Такое типичное изображение атома является упрощением и совсем не соблюдает масштаб. Орбиты правильнее представлять как разные энергетические уровни. Электроны крошечны по сравнению с протонами и нейтронами, но электронная оболочка атома — область, где находятся электроны, — огромна. Если бы ядро было размером с булавочную головку, оболочка была бы размером с собор. И всё же эта упрощённая модель очень полезна и достаточно точна для дальнейшего изучения.

Изотопы

Как мы узнали ранее, число протонов определяет природу элемента. Однако иногда у элемента могут быть варианты с разным числом нейтронов. Такие версии называются изотопами.

Водород (H или ¹H) имеет самую простую структуру атома, состоящую только из одного протона и одного электрона. Дейтерий (²Н) и тритий (³Н) - это изотопы водорода с дополнительными нейтронами в ядре. Изотопы часто нестабильны, в результате чего их ядра распадаются и испускают излучение.

Электронные оболочки

Число электронов, характерное для каждого элемента, определяет поведение разных элементов в химических реакциях, которые связаны с изменениями электронных взаимодействий.

Электроны находятся на разных оболочках вокруг ядра. Самая внутренняя оболочка может содержать до двух электронов, следующая - восемь, а третья оболочка - до 18. Самая внешняя оболочка любого атома называется валентной оболочкой и наиболее важна для химических взаимодействий.

Внутри оболочек электроны объединены в пары на так называемых орбиталях. Для достижения состояния высокой стабильности существует стремление заполнить все орбитали оболочки электронными парами, что делает элементы реактивными. Кислород, например, нуждается в двух дополнительных электронах, чтобы заполнить все орбитали своей валентной оболочки. Сера, хотя и имеет третью оболочку, также нуждается в двух электронах, а углероду, как и кремнию, требуется четыре. В следующем разделе мы рассмотрим, как образуются химические связи.