خلال رحلاتك في عالم العلوم أو في الحياة اليومية فقط ، ربما تكون قد واجهت مصطلح "الشكل يناسب الوظيفة" أو بعض الاختلافات في نفس العبارة. بشكل عام ، هذا يعني أن ظهور شيء ما يحدث عبر دليل محتمل حول ما يفعله أو كيفية استخدامه. في العديد من السياقات ، يكون هذا المبدأ واضحًا للغاية بحيث يتحدى الاستكشاف.
على سبيل المثال ، إذا صادفت شيئًا يمكن حمله في اليد وأصدر ضوءًا من أحد طرفيه بلمسة مفتاح ، يمكنك أن تكون على ثقة من أن الجهاز هو أداة لإضاءة البيئة المباشرة في ظل غياب الطبيعة الكافية ضوء.
في عالم الأحياء (أي الكائنات الحية) ، لا يزال هذا المبدأ قائما مع بعض المحاذير. الأول هو أنه ليس كل شيء يتعلق بالعلاقة بين الشكل والوظيفة بديهيًا بالضرورة.
الثاني ، الذي يلي الأول ، هو أن المقاييس الدقيقة التي تشارك في تقييم الذرات والجزيئات والمركبات التي تنشأ من مجموعات الذرات تجعل الرابط بين الشكل و تعمل بجد لتقديرها إلا إذا كنت تعرف المزيد عن كيفية تفاعل الذرات والجزيئات ، خاصة في سياق نظام حي ديناميكي به العديد من الأشياء المتغيرة من لحظة إلى أخرى. يحتاج.
ما هي الذرات بالضبط؟
قبل استكشاف كيفية شكل معطى ذرة، جزيء أو عنصر أو مركب لا غنى عنه لوظيفته ، فمن الضروري أن نفهم بالضبط ما تعنيه هذه المصطلحات في الكيمياء ، حيث يتم استخدامها غالبًا بالتبادل - أحيانًا بشكل صحيح ، أحيانا لا.
ان ذرة هي أبسط وحدة هيكلية لأي عنصر. تتكون جميع الذرات من عدد معين من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والهيدروجين هو العنصر الوحيد الذي لا يحتوي على نيوترونات. في شكلها القياسي ، تحتوي جميع ذرات كل عنصر على نفس عدد البروتونات الموجبة الشحنة والإلكترونات سالبة الشحنة.
كلما تحركت لأعلى الجدول الدوري من العناصر (انظر أدناه) ، تجد أن عدد النيوترونات في الشكل الأكثر شيوعًا لذرة معينة يميل إلى الارتفاع بشكل أسرع إلى حد ما من عدد البروتونات. تسمى الذرة التي تفقد النيوترونات أو تكتسبها بينما يظل عدد البروتونات ثابتًا بالنظير.
النظائر هي نسخ مختلفة من نفس الذرة ، مع كل شيء متشابه باستثناء عدد النيوترونات. هذا له آثار على النشاط الإشعاعي في الذرات ، كما ستتعلم قريبًا.
العناصر والجزيئات والمركبات: أساسيات "الأشياء"
ان جزء هو نوع معين من المواد ، ولا يمكن فصله إلى مكونات مختلفة ، فقط مكونات أصغر. كل عنصر له مدخله الخاص في الجدول الدوري للعناصر ، حيث يمكنك العثور على الخصائص الفيزيائية (على سبيل المثال ، الحجم ، طبيعة الروابط الكيميائية المتكونة) التي تميز أي عنصر عن 91 الآخر الذي يحدث بشكل طبيعي عناصر.
يعتبر تكتل الذرات ، بغض النظر عن حجمه ، موجودًا كعنصر إذا لم يتضمن أي إضافات أخرى. لذلك قد تحدث عبر غاز الهيليوم "العنصري" ، والذي يتكون فقط من ذرات هي. أو قد يحدث عبر كيلوغرام من "الصافي" (أي ، عنصر الذهب ، والذي يحتوي على عدد لا يسبر غوره من ذرات Au ؛ ربما لا تكون هذه فكرة يمكن أن تشارك فيها مستقبلك المالي ، لكنها ممكنة ماديًا.
أ مركب هو الاصغر شكل من مادة معينة ؛ عندما ترى صيغة كيميائية ، مثل ج6ح12ا6 (سكر الجلوكوز) ، فعادة ما تشاهده جزيئي معادلة. يمكن أن يوجد الجلوكوز في سلاسل طويلة تسمى الجليكوجين ، لكن هذا ليس الشكل الجزيئي للسكر.
- توجد بعض العناصر ، مثل هو ، كجزيئات في الشكل الذري أو أحادي الذرة. بالنسبة لهؤلاء ، الذرة عبارة عن جزيء. البعض الآخر ، مثل الأكسجين (O2) موجودة في شكل ثنائي الذرة في حالتها الطبيعية ، لأن هذا مناسب بقوة.
أخيرًا ، أ مجمع هو شيء يحتوي على أكثر من نوع واحد من العناصر ، مثل الماء (H2س). وبالتالي ، فإن الأكسجين الجزيئي ليس أكسجين ذري ؛ في الوقت نفسه ، توجد ذرات الأكسجين فقط ، لذا فإن غاز الأكسجين ليس مركبًا.
المستوى الجزيئي والحجم والشكل
ليست الأشكال الفعلية للجزيئات مهمة فحسب ، ولكن مجرد القدرة على إصلاحها في ذهنك أمر مهم أيضًا. يمكنك القيام بذلك في "العالم الحقيقي" بمساعدة نماذج الكرة والعصا ، أو يمكنك الاعتماد على المزيد مفيدة للتمثيلات ثنائية الأبعاد للكائنات ثلاثية الأبعاد المتوفرة في الكتب المدرسية أو عبر الانترنت.
العنصر الذي يجلس في المركز (أو إذا كنت تفضل المستوى الجزيئي الأعلى) لكل الكيمياء تقريبًا ، ولا سيما الكيمياء الحيوية ، هو كربون. هذا بسبب قدرة الكربون على تكوين أربع روابط كيميائية ، مما يجعله فريدًا بين الذرات.
على سبيل المثال ، الميثان له الصيغة CH4 ويتكون من كربون مركزي محاط بأربع ذرات هيدروجين متطابقة. كيف يفعل ال هيدروجين تباعد الذرات بشكل طبيعي للسماح بمسافة قصوى بينها؟
ترتيبات المركبات البسيطة المشتركة
كما يحدث ، CH4 يفترض شكلًا رباعي السطوح تقريبًا أو هرميًا. نموذج الكرة والعصا الذي تم وضعه على سطح مستوٍ يحتوي على ثلاث ذرات H تشكل قاعدة الهرم ، مع ذرة C أعلى قليلاً وذرة H الرابعة تطفو مباشرة فوق ذرة C. تدوير الهيكل بحيث تشكل مجموعة مختلفة من ذرات H تشكل القاعدة المثلثة للهرم في الواقع لا يغير شيئًا.
يتكون النيتروجين من ثلاث روابط ، الأكسجين اثنين وهيدروجين واحد. يمكن أن تحدث هذه الروابط معًا عبر نفس زوج الذرات.
على سبيل المثال ، يتكون جزيء سيانيد الهيدروجين ، أو HCN ، من رابطة واحدة بين H و C ومن رابطة ثلاثية بين C و N. إن معرفة كل من الصيغة الجزيئية للمركب وسلوك الترابط لذراته الفردية غالبًا ما يسمح لك بالتنبؤ بقدر كبير عن بنيته.
الجزيئات الأولية في علم الأحياء
ال أربع فئات من الجزيئات الحيوية هي الأحماض النووية والكربوهيدرات, البروتينات، و الدهون (أو الدهون). الثلاثة الأخيرة من هؤلاء قد تعرفهم باسم "وحدات الماكرو" لأنها الفئات الثلاث من المغذيات الكبيرة التي تشكل النظام الغذائي للإنسان.
الاثنان احماض نووية هي الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) ، وتحملان الكود الجيني اللازمة لتجميع الكائنات الحية وكل ما بداخلها.
الكربوهيدرات أو "الكربوهيدرات" مصنوعة من ذرات C و H و O. هذه دائمًا بنسبة 1: 2: 1 بهذا الترتيب ، مما يُظهر مرة أخرى أهمية الشكل الجزيئي. تحتوي الدهون أيضًا على ذرات C و H و O فقط ، ولكنها مرتبة بشكل مختلف تمامًا عن الكربوهيدرات ؛ تضيف البروتينات بعض ذرات N إلى الثلاثة الأخرى.
ال أحماض أمينية في البروتينات أمثلة على الأحماض في الأنظمة الحية. السلاسل الطويلة المكونة من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة في الجسم هي تعريف البروتين ، بمجرد أن تصبح سلاسل الأحماض طويلة بما فيه الكفاية.
روابط كيميائية
لقد قيل الكثير عن الروابط هنا ، ولكن ما هي بالضبط هذه الروابط في الكيمياء؟
في روابط تساهمية، الإلكترونات مشتركة بين الذرات. في الرابطة الأيونية، تتخلى ذرة واحدة عن إلكتروناتها تمامًا للذرة الأخرى. روابط هيدروجينية يمكن اعتباره نوعًا خاصًا من الرابطة التساهمية ، ولكن واحد على مستوى جزيئي مختلف لأن الهيدروجين يحتوي على إلكترون واحد فقط لتبدأ به.
تفاعلات فان دير فال هي "روابط" تحدث بين جزيئات الماء ؛ تتشابه روابط الهيدروجين وتفاعلات فان دير فالس.