Under dine reiser i vitenskapsverdenen eller bare i hverdagen, har du kanskje møtt begrepet "form fits function" eller en eller annen variant av samme setning. Generelt betyr det at utseendet til noe du skjer over er en sannsynlig anelse om hva det gjør eller hvordan det brukes. I mange sammenhenger er denne maksimeringen så tydelig at den trosser leting.
Hvis du for eksempel kommer over et objekt som kan holdes i hånden og avgir lys fra den ene enden ved å trykke på en bryter, du kan være trygg på at enheten er et verktøy for å belyse nærmeste miljø i fravær av tilstrekkelig naturlig lys.
I biologiens verden (dvs. levende ting) holder denne maksimale fremdeles med noen få forbehold. Den ene er at ikke alt om forholdet mellom form og funksjon nødvendigvis er intuitivt.
Den andre, som følger fra den første, er at de små skalaene som er involvert i å vurdere atomer og molekylene og forbindelsene som oppstår fra kombinasjoner av atomer, utgjør koblingen mellom form og fungere vanskelig å sette pris på med mindre du vet litt mer om hvordan atomer og molekyler samhandler, spesielt i sammenheng med et dynamisk levende system med forskjellige og skiftende øyeblikk til øyeblikk behov.
Hva er egentlig atomer?
Før du utforsker hvordan formen på en gitt atom, et molekyl, et element eller en forbindelse er uunnværlig for dens funksjon, er det nødvendig å forstå nøyaktig hva disse begrepene betyr i kjemi, da de ofte brukes om hverandre - noen ganger riktig, noen ganger ikke.
An atom er den enkleste strukturelle enheten til ethvert element. Alle atomer består av et antall protoner, nøytroner og elektroner med hydrogen som det eneste elementet som ikke inneholder nøytroner. I sin standardform har alle atomene i hvert element samme antall positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner.
Når du beveger deg høyere opp periodiske tabell av elementer (se nedenfor), finner du at antall nøytroner i den vanligste formen av et gitt atom har en tendens til å stige noe raskere enn antall protoner. Et atom som mister eller får nøytroner mens antall protoner forblir fast kalles en isotop.
Isotoper er forskjellige versjoner av samme atom, med alt det samme bortsett fra nøytronnummer. Dette har implikasjoner for radioaktivitet i atomer, som du snart vil lære.
Elementer, molekyler og forbindelser: Grunnleggende om "ting"
An element er en gitt type stoff, og kan ikke skilles i forskjellige komponenter, bare mindre. Hvert element har sin egen oppføring i det periodiske elementet, der du kan finne de fysiske egenskapene (f.eks. størrelse, arten av dannede kjemiske bindinger) som skiller ethvert element fra de andre 91 naturlig forekommende elementer.
En agglomerering av atomer, uansett hvor stor, anses å eksistere som et element hvis den ikke inneholder andre tilsetningsstoffer. Du kan derfor skje over "elementær" heliumgass (He), som bare består av Han-atomer. Eller du kan skje over et kilo "rent" (dvs. elementært gull, som vil inneholde et ufattelig antall Au-atomer; dette er sannsynligvis ikke en idé å satse på din økonomiske fremtid, men det er fysisk mulig.
EN molekyl er den minste skjema av et gitt stoff når du ser en kjemisk formel, for eksempel C6H12O6 (sukker glukose), ser du vanligvis dens molekylær formel. Glukose kan eksistere i lange kjeder som kalles glykogen, men dette er ikke den molekylære formen til sukkeret.
- Noen elementer, slik som Han, eksisterer som molekyler i atom- eller monatomform. For disse er et atom et molekyl. Andre, som oksygen (O2) eksisterer i diatomisk form i sin naturlige tilstand, fordi dette er energisk gunstig.
Til slutt, a forbindelse er noe som inneholder mer enn en slags element, for eksempel vann (H2O). Dermed er ikke molekylært oksygen atomært oksygen; samtidig er bare oksygenatomer til stede, så oksygengass er ikke en forbindelse.
Molekylært nivå, størrelse og form
Ikke bare er de faktiske formene på molekyler viktige, men bare å være i stand til å fikse disse i tankene dine er også viktig. Du kan gjøre dette i den "virkelige verden" ved hjelp av ball-and-stick modeller, eller du kan stole på det mer nyttig av de todimensjonale representasjonene av tredimensjonale objekter som er tilgjengelige i lærebøker eller på nett.
Elementet som sitter i sentrum (eller hvis du foretrekker det, det øverste molekylære nivået) av praktisk talt all kjemi, spesielt biokjemi, er karbon. Dette er på grunn av karbonets evne til å danne fire kjemiske bindinger, noe som gjør det unikt blant atomer.
For eksempel har metan formelen CH4 og består av et sentralt karbon omgitt av fire identiske hydrogenatomer. Hvordan gjør det hydrogen atomer naturlig plasserer seg selv for å tillate maksimal avstand mellom dem?
Arrangementer av vanlige enkle forbindelser
Når det skjer, CH4 antar en omtrent tetraeder, eller pyramideformet form. En ball-and-stick-modell satt på en jevn overflate ville ha tre H-atomer som danner basen av pyramiden, med C-atomet litt høyere og det fjerde H-atomet perched direkte over C-atomet. Ved å rotere strukturen slik at en annen kombinasjon av H-atomer danner den trekantede basen av pyramiden, endres ingenting.
Nitrogen danner tre bindinger, oksygen to og hydrogen en. Disse bindingene kan forekomme i kombinasjon over samme par atomer.
For eksempel består molekylet hydrogencyanid, eller HCN, av en enkeltbinding mellom H og C og av en trippelbinding mellom C og N. Å kjenne både molekylformelen til en forbindelse og bindingsatferden til dens individuelle atomer lar deg ofte forutsi mye om strukturen.
De primære molekylene i biologi
De fire klasser av biomolekyler er nukleinsyrer, karbohydrater, proteiner, og lipider (eller fett). De tre siste av disse kan du kjenne som "makroer", ettersom de er de tre klassene makronæringsstoffer som utgjør det menneskelige kostholdet.
De to nukleinsyrer er deoksyribonukleinsyre (DNA) og ribonukleinsyre (RNA), og de bærer genetisk kode nødvendig for samling av levende ting og alt inni dem.
Karbohydrater eller "karbohydrater" er laget av C-, H- og O-atomer. Disse er alltid i forholdet 1: 2: 1 i den rekkefølgen, og viser igjen viktigheten av molekylær form. Fett har også bare C-, H- og O-atomer, men disse er ordnet veldig annerledes enn i karbohydrater; proteiner tilfører noen N-atomer til de andre tre.
De aminosyrer i proteiner er eksempler på syrer i levende systemer. Lange kjeder laget av de 20 forskjellige aminosyrene i kroppen er definisjonen av et protein når disse syrekjedene er tilstrekkelig lange.
Kjemiske obligasjoner
Mye har blitt sagt om obligasjoner her, men hva er disse i kjemi?
I kovalente bindingerdeles elektroner mellom atomer. I ioniske bindinger, gir det ene atomet elektronene helt til det andre atomet. Hydrogenbindinger kan betraktes som en spesiell type kovalent binding, men en på et annet molekylært nivå fordi hydrogener bare har ett elektron til å begynne med.
Van der Waals-interaksjoner er "bindinger" som oppstår mellom vannmolekyler; hydrogenbindinger og van der Waals-interaksjoner er ellers like.