На самом фундаментальном уровне жизнь состоит из материи.
Вещество - это любое вещество, занимающее пространство и имеющее массу. Элементы представляют собой уникальные формы материи со специфическими химическими и физическими свойствами, которые не могут распадаться на более мелкие вещества в результате обычных химических реакций. Их 118, но только 98 встречаются естественным путем. Остальные элементы нестабильны и требуют, чтобы ученые синтезировали их в лабораториях.
Каждый элемент обозначен его химическим символом, который представляет собой одну заглавную букву или, когда первая буква уже "взята" другим элементом, комбинацию из двух букв. Некоторые элементы следуют английскому термину для этого элемента, например, C для углерода и Ca для кальция. Химические символы других элементов происходят от их латинских названий. Например, символом натрия является Na, обозначающий натрий, латинское слово natrium.
Четырьмя общими для всех живых организмов элементами являются кислород (O), углерод (C), водород (H) и азот (N). В неживом мире элементы встречаются в различных пропорциях, и некоторые элементы, общие для живых организмов, относительно редки на Земле в целом. Например, атмосфера богата азотом и кислородом, но содержит мало углерода и водорода, в то время как земная кора, хотя и содержит кислород и небольшое количество водорода, имеет мало азота и углерода. Несмотря на различия в их изобилии, все элементы и химические реакции между ними подчиняются одним и тем же химическим и физическим законам независимо от того, являются ли они частью живого или неживого мира.
Структура атома
Чтобы понять, как элементы соединяются, мы должны сначала обсудить наименьший компонент элемента или строительный блок - атом. Атом - наименьшая единица вещества, сохраняющая все химические свойства элемента. Например, один атом золота обладает всеми свойствами золота в том смысле, что он является твердым металлом при комнатной температуре.
Золотая монета - это просто очень большое количество атомов золота, вылепленных в форме монеты и содержащих небольшое количество других элементов, известных как примеси. Мы не можем разбивать атомы золота ни на что меньшее, сохраняя при этом свойства золота.
Атом состоит из двух областей: ядра, которое находится в центре атома и содержит протоны и нейтроны. Самая внешняя область атома удерживает свои электроны на орбите вокруг ядра.
Атомы содержат протоны, электроны и нейтроны, среди прочих субатомных частиц. Единственным исключением является водород (Н), который состоит из одного протона и одного электрона без нейтронов.
Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, около 1,67 × 10-24 граммов. Ученые произвольно определяют это количество массы как одну атомную единицу массы (аем) или одну солтонскую. Несмотря на сходство по массе, протоны и нейтроны различаются по электрическому заряду. Протон положительно заряжается, в то время как нейтрон не заряжается. Поэтому количество нейтронов в атоме вносит существенный вклад в его массу, но не в заряд. Электроны намного меньше по массе, чем протоны, и весят всего 9,11 × 10-28 граммов, или около 1/1800 единиц атомной массы. Следовательно, они не вносят большой вклад в общую атомную массу элемента. Поэтому при рассмотрении атомной массы принято игнорировать массу любых электронов и рассчитывать массу атома только на основе количества протонов и нейтронов.
Хотя электроны и не вносят существенного вклада в массу, но вносят большой вклад в заряд атома, поскольку каждый электрон имеет отрицательный заряд, равный положительному заряду протона. В незаряженных нейтральных атомах количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов внутри ядра. В этих атомах положительный и отрицательный заряды нейтрализуют друг друга, приводя к образованию атома без чистого заряда.
Учитывая размеры протонов, нейтронов и электронов, большая часть объема атома - более 99 процентов - является пустым пространством. При всем этом пустом пространстве возникает вопрос, почему так называемые твердые объекты не проходят друг через друга. Причина этого не в том, что электроны, окружающие все атомы, отрицательно заряжены и отрицательные заряды отталкивают друг друга.
Изотопы
Изотопы - это различные формы элементов, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Некоторые элементы, такие как углерод, калий и уран, содержат естественные изотопы.
Углерод-12 содержит шесть протонов, шесть нейтронов и шесть электронов; поэтому он имеет массовое число 12 (шесть протонов и шесть нейтронов). Углерод-14 содержит шесть протонов, восемь нейтронов и шесть электронов; его атомная масса составляет 14 (шесть протонов и восемь нейтронов). Эти две альтернативные формы углерода - изотопы.
Некоторые изотопы могут испускать нейтроны, протоны и электроны и достигать более стабильной атомной конфигурации (более низкий уровень потенциальной энергии); это радиоактивные изотопы или радиоизотопы. Радиоактивный распад (распад углерода-14, который в конечном итоге превращается в азот-14) описывает потери энергии, которые происходят, когда нестабильное ядро атома испускает излучение.
Ковалентные связи и прочие взаимодействия
Другой способ удовлетворения октетному правилу - разделение электронов между атомами для формирования ковалентных связей. Эти связи сильнее и распространены гораздо чаще, чем ионные связи в молекулах живых организмов. Обычно мы находим ковалентные связи в углеродных органических молекулах, таких как наша ДНК и белки. Также ковалентные связи находятся в неорганических молекулах, таких как H2O, CO2 и O2.
Связи могут иметь одну, две или три пары электронов, образующих одинарные, двойные и тройные связи, соответственно. Чем ковалентнее связи между двумя атомами, тем сильнее их связь. Таким образом, тройные связи являются самыми прочными.
Прочность различных уровней ковалентной связи является одной из основных причин, по которой живые организмы испытывают трудности с приобретением азота для использования в конструировании своих молекул, хотя молекулярный азот, N2, является наиболее распространенным газом в атмосфере.
Молекулярный азот состоит из двух атомов азота, трижды связанных друг с другом, и, как и все молекулы, совместное использование этих трех пар электронов между двумя атомами азота позволяет заполнять их внешние электронные оболочки, делая молекулу более устойчивой, чем отдельные атомы азота. Эта сильная тройная связь затрудняет разрушение этого азота живыми системами для того, чтобы использовать его в качестве компонента белков и ДНК.
Примером ковалентного сцепления являются молекулы образующейся воды. Ковалентные связи связывают атомы водорода и кислорода, которые вместе образуют молекулы воды, как показано на рисунке 2.9. Электрон из водорода делит свое время между неполной внешней оболочкой атома водорода и неполной внешней оболочкой атома кислорода. Для полного заполнения внешней оболочки кислорода, которая имеет шесть электронов, но которая была бы более стабильна с восемью, необходимы два электрона (по одному от каждого атома водорода): отсюда и известная формула H2O. Эти два элемента имеют общие электроны для заполнения внешней оболочки каждого, что делает оба элемента более стабильными.
