Під час подорожей науковим світом або просто у повсякденному житті ви, можливо, стикалися з терміном "форма відповідає функції" або якоюсь різновидом тієї самої фрази. Як правило, це означає, що поява чогось, що трапляється вам, є ймовірною підказкою про те, що воно робить або як воно використовується. У багатьох контекстах ця максима є настільки очевидною, що не піддається дослідженню.
Наприклад, якщо ви потрапляєте на предмет, який можна утримати в руці і випромінює світло з одного кінця одним натисканням на перемикач, Ви можете бути впевнені, що пристрій є інструментом для освітлення найближчого оточення за відсутності належного природного світло.
У світі біології (тобто живих істот) ця максима все ще дотримується з деякими застереженнями. Одне з них полягає в тому, що не все, що стосується взаємозв'язку між формою та функцією, є обов'язково інтуїтивним.
Другий, що випливає з першого, полягає в тому, що крихітні шкали, що беруть участь в оцінці атомів, і молекули та сполуки, що утворюються в результаті поєднання атомів, роблять зв'язок між формою та функцію важко оцінити, якщо ви не знаєте трохи більше про те, як взаємодіють атоми та молекули, особливо в контексті динамічної живої системи з різними та мінливими моментами до моменту потреби.
Що саме являють собою атоми?
Перш ніж вивчити, як формується дана атом, молекула, елемент або сполука є необхідним для її функції, це слід розуміти саме те, що ці терміни означають у хімії, оскільки вони часто використовуються як взаємозамінні - іноді правильно, іноді ні.
Ан атом є найпростішою структурною одиницею будь-якого елемента. Всі атоми складаються з деякої кількості протонів, нейтронів та електронів, при цьому водень є єдиним елементом, що не містить нейтронів. У своїй стандартній формі всі атоми кожного елемента мають однакову кількість позитивно заряджених протонів і негативно заряджених електронів.
По мірі просування вище вгору Періодична таблиця елементів (див. нижче), ви виявите, що кількість нейтронів у найпоширенішій формі даного атома має тенденцію зростати дещо швидше, ніж кількість протонів. Атом, який втрачає або отримує нейтрони, а кількість протонів залишається фіксованим, називається ізотопом.
Ізотопи є різними версіями одного і того ж атома, причому все однакове, крім нейтронного числа. Це, як ви скоро дізнаєтесь, впливає на радіоактивність в атомах.
Елементи, молекули та сполуки: основи "речей"
Ан елемент є даним типом речовини і не може бути розділений на різні компоненти, лише менші. Кожен елемент має свій запис у періодичній таблиці елементів, де ви можете знайти фізичні властивості (наприклад, розмір, характер утворених хімічних зв’язків), які відрізняють будь-який елемент від інших 91, що зустрічаються в природі елементів.
Агломерація атомів, якою б великою вона не була, вважається такою, що існує як елемент, якщо вона не містить інших добавок. Тому ви можете трапитись із "елементарним" газом гелію (He), який складається лише з атомів He. Або ви можете трапитися з кілограмом "чистого" (тобто елементарного золота, яке містило б незбагненну кількість атомів Au; це, мабуть, не ідея, на яку слід розраховувати своє фінансове майбутнє, але фізично можливо.
A молекула є найменшим форму даної речовини; коли ви бачите хімічну формулу, таку як С6H12О6 (цукор глюкоза), ви зазвичай бачите його молекулярний формула. Глюкоза може існувати в довгих ланцюгах, які називаються глікогеном, але це не молекулярна форма цукру.
- Деякі елементи, такі як He, існують як молекули в атомній або одноатомній формі. Для них атом є молекулою. Інші, як кисень (O2) існують у двоатомній формі у своєму природному стані, оскільки це є енергетично вигідним.
Нарешті, a з'єднання - це щось, що містить більше одного виду елементів, таких як вода (H2О). Отже, молекулярний кисень не є атомним киснем; в той же час, присутні лише атоми кисню, тому газ кисню не є сполукою.
Молекулярний рівень, розмір і форма
Важливими є не тільки фактичні форми молекул, але й важлива лише можливість їх фіксувати у своєму розумі. Ви можете зробити це в "реальному світі" за допомогою моделей з кульками і палицями, а можете покластися на більше корисні двовимірні зображення тривимірних об’єктів, наявні в підручниках або онлайн.
Елемент, який знаходиться в центрі (або, якщо хочете, верхньому молекулярному рівні) практично всієї хімії, зокрема біохімії, є вуглець. Це пов’язано зі здатністю вуглецю утворювати чотири хімічні зв’язки, що робить його унікальним серед атомів.
Наприклад, метан має формулу СН4 і складається з центрального вуглецю, оточеного чотирма однаковими атомами водню. Як роблять водень атоми природно космосуються так, щоб дозволити максимальну відстань між ними?
Композиції загальних простих сполук
Як це трапляється, СН4 приймає приблизно тетраедричну або пірамідальну форму. Модель кульки і палиці, встановлена на рівній поверхні, мала б три атома Н, що утворюють основу піраміди, атом С трохи вище, а четвертий атом Н розташований прямо над атомом С. Обертаючи структуру так, що інша комбінація атомів Н утворює трикутну основу піраміди, фактично нічого не змінює.
Азот утворює три зв’язки, кисень два і водень один. Ці зв’язки можуть виникати в комбінації через одну і ту ж пару атомів.
Наприклад, молекула ціаністого водню, або HCN, складається з одинарного зв’язку між Н і С і потрійного зв’язку між С і N. Знання як молекулярної формули сполуки, так і зв'язкової поведінки окремих атомів часто дозволяє багато передбачити її структуру.
Основні молекули в біології
чотири класи біомолекул є нуклеїнові кислоти, вуглеводи, білки, і ліпіди (або жири). Останні три з них ви можете знати як "макроси", оскільки це три класи макроелементів, які складають раціон людини.
Два нуклеїнові кислоти є дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК) і рибонуклеїновою кислотою (РНК), і вони несуть генетичний код необхідні для складання живих істот і всього, що знаходиться всередині них.
Вуглеводи або «вуглеводи» складаються з атомів С, Н і О. Вони завжди знаходяться у співвідношенні 1: 2: 1 у такому порядку, що знову показує важливість молекулярної форми. У жирах також є лише атоми С, Н і О, але вони розташовані зовсім інакше, ніж у вуглеводах; білки додають трохи атомів N до інших трьох.
амінокислоти у білках - приклади кислот у живих системах. Довгі ланцюги, що складаються з 20 різних амінокислот в організмі, є визначенням білка, коли ці ланцюги кислот є досить довгими.
Хімічні зв’язки
Про зв’язки тут сказано багато, але що це саме в хімії?
В ковалентні зв’язки, електрони розподіляються між атомами. В іонні зв’язки, один атом віддає свої електрони повністю іншому. Водневі зв’язки можна розглядати як особливий вид ковалентного зв’язку, але такий на іншому молекулярному рівні, оскільки у водню для початку є лише один електрон.
Взаємодії Ван дер Ваальса є «зв’язками», що виникають між молекулами води; водневі зв’язки та взаємодії Ван-дер-Ваальса подібні.