Jaki jest przykład w żywym systemie tego, jak krytyczny jest kształt cząsteczki?

Podczas swoich podróży po świecie nauki lub po prostu w życiu codziennym, być może spotkałeś się z terminem „forma pasuje do funkcji” lub jakąś odmianą tego samego wyrażenia. Ogólnie rzecz biorąc, oznacza to, że pojawienie się czegoś, z czym się dzieje, jest prawdopodobną wskazówką na temat tego, co robi lub jak jest używane. W wielu kontekstach ta maksyma jest tak oczywista, że ​​opiera się eksploracji.

Na przykład, jeśli natkniesz się na przedmiot, który można trzymać w dłoni i emituje światło z jednego końca za dotknięciem przełącznika, możesz mieć pewność, że urządzenie jest narzędziem do oświetlania najbliższego otoczenia w przypadku braku odpowiedniej naturalnej lekki.

W świecie biologii (tj. żywych istot) ta maksyma nadal obowiązuje z kilkoma zastrzeżeniami. Po pierwsze, nie wszystko w związku między formą a funkcją jest koniecznie intuicyjne.

Drugim, wynikającym z pierwszego, jest to, że małe skale zaangażowane w ocenę atomów oraz cząsteczek i związków, które powstają z kombinacji atomów, stanowią powiązanie między formą a funkcjonować trudno docenić, chyba że wiesz trochę więcej o interakcji atomów i molekuł, zwłaszcza w kontekście dynamicznego, żywego systemu z różnorodnymi i zmiennymi z chwili na chwilę wymagania.

Przed zbadaniem, jak kształt danego atom, cząsteczka, pierwiastek lub związek jest niezbędny do jego funkcji, konieczne jest zrozumienie dokładnie, co te terminy oznaczają w chemii, ponieważ często są używane zamiennie – czasem poprawnie, czasami nie.

Na atom jest najprostszą jednostką strukturalną dowolnego elementu. Wszystkie atomy składają się z pewnej liczby protonów, neutronów i elektronów, przy czym wodór jest jedynym pierwiastkiem niezawierającym neutronów. W swojej standardowej postaci wszystkie atomy każdego pierwiastka mają taką samą liczbę dodatnio naładowanych protonów i ujemnie naładowanych elektronów.

Gdy poruszasz się wyżej, układ okresowy pierwiastków pierwiastków (patrz niżej), okazuje się, że liczba neutronów w najpowszechniejszej postaci danego atomu ma tendencję do wzrostu nieco szybciej niż liczba protonów. Atom, który traci lub zyskuje neutrony, podczas gdy liczba protonów pozostaje stała, nazywa się izotopem.

Izotopy są różnymi wersjami tego samego atomu, w których wszystko jest takie samo, z wyjątkiem liczby neutronów. Ma to wpływ na radioaktywność atomów, o czym wkrótce się przekonasz.

Na element jest danym rodzajem substancji i nie można go rozdzielić na różne składniki, tylko na mniejsze. Każdy pierwiastek ma swój własny wpis w układzie okresowym pierwiastków, w którym można znaleźć właściwości fizyczne (np. wielkość, charakter utworzonych wiązań chemicznych), które odróżniają dowolny pierwiastek od pozostałych 91 naturalnie występujących elementy.

Aglomeracja atomów, bez względu na wielkość, jest uważana za element, jeśli nie zawiera żadnych innych dodatków. Może się więc zdarzyć, że napotkasz „elementarny” gaz hel (He), który składa się tylko z atomów He. Albo możesz się natknąć na kilogram „czystego” (tj. pierwiastka złota, które zawierałoby niezgłębioną liczbę atomów Au; prawdopodobnie nie jest to pomysł, na którym można postawić swoją finansową przyszłość, ale jest to fizycznie możliwe.

ZA cząsteczka jest najmniejszy Formularz danej substancji; gdy zobaczysz wzór chemiczny, taki jak C₆H₁₂O₆ (glukoza cukrowa), zwykle widzisz jego molekularny formuła. Glukoza może istnieć w długich łańcuchach zwanych glikogenem, ale nie jest to molekularna forma cukru.

• Niektóre pierwiastki, takie jak He, istnieją jako cząsteczki w postaci atomowej lub jednoatomowej. Dla nich atom jest cząsteczką. Inne, jak tlen (O₂) istnieją w postaci dwuatomowej w stanie naturalnym, ponieważ jest to korzystne energetycznie.

Wreszcie, złożony to coś, co zawiera więcej niż jeden rodzaj pierwiastka, na przykład woda (H₂O). Zatem tlen cząsteczkowy nie jest tlenem atomowym; jednocześnie obecne są tylko atomy tlenu, więc gazowy tlen nie jest związkiem.

Ważne są nie tylko rzeczywiste kształty molekuł, ale także możliwość ustalenia ich w umyśle. Możesz to zrobić w „prawdziwym świecie” za pomocą modeli kulkowych lub możesz polegać na bardziej przydatne z dwuwymiarowych reprezentacji obiektów trójwymiarowych dostępnych w podręcznikach lub online.

Pierwiastek, który znajduje się w centrum (lub, jeśli wolisz, na najwyższym poziomie molekularnym) praktycznie całej chemii, w szczególności biochemii, jest węgiel. Wynika to ze zdolności węgla do tworzenia czterech wiązań chemicznych, co czyni go wyjątkowym wśród atomów.

Na przykład metan ma wzór CH₄ i składa się z centralnego węgla otoczonego czterema identycznymi atomami wodoru. Jak wodór atomy w naturalny sposób oddalają się od siebie, aby zapewnić jak największą odległość między nimi?

Jak to się dzieje, CH₄ przyjmuje kształt z grubsza czworościenny lub piramidalny. Model kuli i patyka ustawiony na płaskiej powierzchni miałby trzy atomy H tworzące podstawę piramidy, z atomem C nieco wyżej i czwartym atomem H umieszczonym bezpośrednio nad atomem C. Obracanie struktury tak, aby inna kombinacja atomów H tworzyła trójkątną podstawę piramidy, w efekcie niczego nie zmienia.

Azot tworzy trzy wiązania, tlenowe dwa i wodorowe jedno. Wiązania te mogą występować w połączeniu w tej samej parze atomów.

Na przykład cząsteczka cyjanowodoru lub HCN składa się z pojedynczego wiązania pomiędzy H i C oraz potrójnego wiązania pomiędzy C i N. Znajomość zarówno wzoru cząsteczkowego związku, jak i zachowania wiązania poszczególnych atomów, często pozwala przewidzieć wiele na temat jego struktury.

cztery klasy biomolekuł czy są kwasy nukleinowe, węglowodany, białka, i lipidy (lub tłuszcze). Ostatnie trzy z nich możesz znać jako „makra”, ponieważ są to trzy klasy makroskładników odżywczych, które składają się na ludzką dietę.

Dwójka kwasy nukleinowe są kwasem dezoksyrybonukleinowym (DNA) i kwasem rybonukleinowym (RNA) i zawierają kod genetyczny potrzebne do montażu żywych istot i wszystkiego w nich.

Węglowodany lub „węglowodany” składają się z atomów C, H i O. Są one zawsze w stosunku 1:2:1 w tej kolejności, co ponownie pokazuje znaczenie kształtu cząsteczki. Tłuszcze również mają tylko atomy C, H i O, ale są one ułożone zupełnie inaczej niż w węglowodanach; białka dodają kilka atomów N do pozostałych trzech.

aminokwasy w białkach są przykładami kwasów w żywych układach. Długie łańcuchy zbudowane z 20 różnych aminokwasów w organizmie są definicją białka, gdy te łańcuchy kwasów są wystarczająco długie.

Wiele powiedziano tutaj o wiązaniach, ale co to właściwie jest w chemii?

W wiązania kowalencyjne, elektrony są dzielone między atomy. W wiązania jonowe, jeden atom całkowicie oddaje swoje elektrony drugiemu atomowi. Wiązania wodorowe można traktować jako specjalny rodzaj wiązania kowalencyjnego, ale na innym poziomie molekularnym, ponieważ wodory mają na początku tylko jeden elektron.

Interakcje van der Waalsa są „wiązaniami” zachodzącymi między cząsteczkami wody; wiązania wodorowe i interakcje van der Waalsa są poza tym podobne.