Obiectivele de Învățare
- a Discuta despre relațiile dintre materie, masă, elemente, compuși de atomi, și particule subatomice
- Distinge între numărul atomic și numărul de masă
- Identifica principalele distincție între izotopii aceluiași element
- Explica de ce electronii ocupă coji de electroni și contribuția acestora la un atom de stabilitate relativă
substanța universului—de la un grăunte de nisip la o stea—este numită materie., Oamenii de știință definesc materia ca orice lucru care ocupă spațiu și are masă. Masa unui obiect și greutatea sa sunt concepte înrudite, dar nu la fel. Masa unui obiect este cantitatea de materie conținută în obiect, iar masa obiectului este aceeași, indiferent dacă acel obiect se află pe pământ sau în mediul de gravitație zero al spațiului cosmic. Greutatea unui obiect, pe de altă parte, este masa sa afectată de atracția gravitației. În cazul în care gravitația trage puternic pe masa unui obiect greutatea sa este mai mare decât este în cazul în care gravitația este mai puțin puternică., Un obiect cu o anumită masă cântărește mai puțin pe lună, de exemplu, decât pe Pământ, deoarece gravitatea Lunii este mai mică decât cea a Pământului. Cu alte cuvinte, greutatea este variabilă și este influențată de gravitate. O bucată de brânză care cântărește un kilogram pe Pământ cântărește doar câteva uncii pe lună.
elemente și compuși
toată materia din lumea naturală este compusă din una sau mai multe dintre cele 92 de substanțe fundamentale numite elemente., Un element este o substanță pură care se distinge de toate celelalte materii prin faptul că nu poate fi creată sau descompusă prin mijloace chimice obișnuite. În timp ce corpul tău poate asambla mulți dintre compușii chimici necesari vieții din elementele lor constitutive, nu poate face elemente. Trebuie să provină din mediul înconjurător. Un exemplu familiar al unui element pe care trebuie să îl luați este calciul (ca++). Calciul este esențial pentru corpul uman, este absorbit și utilizat pentru o serie de procese, inclusiv întărirea oaselor., Când consumați produse lactate, sistemul digestiv descompune alimentele în componente suficient de mici pentru a trece în sânge. Printre acestea se numără calciul, care, deoarece este un element, nu poate fi descompus în continuare. Calciul elementar din brânză, prin urmare, este același cu calciul care vă formează oasele. Unele alte elemente pe care le-ați putea cunoaște sunt oxigenul, sodiul și fierul. Elementele din corpul uman sunt prezentate în tabelul 1, începând cu cele mai abundente: oxigen (O), carbon (C), hidrogen (H) și azot (N)., Numele fiecărui element poate fi înlocuit cu un simbol de una sau două litere; vă veți familiariza cu unele dintre acestea în timpul acestui curs. Toate elementele din corpul tău sunt derivate din alimentele pe care le consumi și din aerul pe care îl respiri.în natură, elementele rareori apar singure. În schimb, ele se combină pentru a forma compuși. Un compus este o substanță compusă din două sau mai multe elemente unite prin legături chimice. De exemplu, compusul glucoză este un combustibil important pentru organism. Este întotdeauna compus din aceleași trei elemente: carbon, hidrogen și oxigen., Mai mult, elementele care alcătuiesc orice compus dat apar întotdeauna în aceleași cantități relative. În glucoză, există întotdeauna șase unități de carbon și șase unități de oxigen pentru fiecare douăsprezece unități de hidrogen. Dar care sunt, mai exact, aceste” unități ” de elemente?
atomi și particule subatomice
un atom este cea mai mică cantitate a unui element care păstrează proprietățile unice ale acelui element. Cu alte cuvinte, un atom de hidrogen este o unitate de hidrogen—cea mai mică cantitate de hidrogen care poate exista. După cum s-ar putea ghici, atomii sunt aproape de nepătruns de mici., Perioada de la sfârșitul acestei propoziții este de milioane de atomi.
Structura atomică și energia
atomii sunt alcătuiți din particule subatomice chiar mai mici, dintre care trei tipuri sunt importante: protonul, neutronul și electronul. Numărul de protoni încărcați pozitiv și neutroni neîncărcați („neutri”), dă masa atomului, iar numărul fiecăruia din nucleul atomului determină elementul. Numărul de electroni încărcați negativ care „se rotesc” în jurul nucleului aproape de viteza luminii este egal cu numărul de protoni., Un electron are aproximativ 1 / 2000th masa unui proton sau neutron.figura 1 prezintă două modele care vă pot ajuta să vă imaginați structura unui atom—în acest caz, heliu (He). În modelul planetar, cei doi electroni ai heliului sunt prezentați în jurul nucleului într-o orbită fixă reprezentată ca un inel. Deși acest model este util în vizualizarea structurii atomice, în realitate, electronii nu călătoresc în orbite fixe, ci se învârt în jurul nucleului haotic într-un așa-numit nor de electroni.
Figura 1. Două modele de structură atomică., (a) în modelul planetar, electronii heliului sunt prezentați în orbite fixe, reprezentate ca inele, la o distanță precisă de nucleu, oarecum ca planetele care orbitează Soarele. (b) în modelul norului de electroni, electronii carbonului sunt prezentați în varietatea de locații pe care le-ar avea la distanțe diferite de nucleu în timp.protonii și electronii unui atom poartă sarcini electrice. Protonii, cu sarcina lor pozitivă, sunt desemnați p+. Electronii, care au o sarcină negativă, sunt desemnați e–. Neutronii unui atom nu au nicio sarcină: sunt neutri din punct de vedere electric., La fel cum un magnet se lipește de un frigider din oțel, deoarece încărcăturile lor opuse atrag, protonii încărcați pozitiv atrag electronii încărcați negativ. Această atracție reciprocă conferă atomului o anumită stabilitate structurală. Atracția nucleului încărcat pozitiv ajută la menținerea electronilor departe. Numărul de protoni și electroni dintr-un atom neutru este egal, astfel, sarcina totală a atomului este echilibrată.
numărul Atomic și numărul de masă
un atom de carbon este unic pentru carbon, dar un proton de carbon nu este., Un proton este același cu altul, indiferent dacă se găsește într-un atom de carbon, sodiu (Na) sau fier (Fe). Același lucru este valabil și pentru neutroni și electroni. Deci, ce conferă unui element proprietățile sale distinctive—ce face carbonul atât de diferit de sodiu sau fier? Răspunsul este cantitatea unică de protoni pe care o conține fiecare. Carbonul prin definiție este un element al cărui atomi conțin șase protoni. Niciun alt element nu are exact șase protoni în atomii săi. Mai mult, toți atomii de carbon, indiferent dacă se găsesc în ficat sau într-o bucată de cărbune, conțin șase protoni., Astfel, numărul atomic, care este numărul de protoni din nucleul atomului, identifică elementul. Deoarece un atom are de obicei același număr de electroni ca și protonii, numărul atomic identifică și numărul obișnuit de electroni.în forma lor cea mai comună, multe elemente conțin, de asemenea, același număr de neutroni ca și protonii. Cea mai comună formă de carbon, de exemplu, are șase neutroni, precum și șase protoni, pentru un total de 12 particule subatomice în nucleul său. Numărul de masă al unui element este suma numărului de protoni și neutroni din nucleul său., Deci, cea mai comună formă a numărului de masă al carbonului este 12. (Electronii au o masă atât de mică încât nu contribuie în mod apreciabil la masa unui atom.) Carbonul este un element relativ ușor. Uraniul (U), în schimb, are un număr de masă de 238 și este denumit un metal greu. Numărul său atomic este 92 (are 92 de protoni), dar conține 146 de neutroni; are cea mai mare masă dintre toate elementele care apar în mod natural.,tabelul periodic al elementelor, prezentat în Figura 2, este o diagramă care identifică cele 92 de elemente găsite în natură, precum și câteva elemente mai mari, instabile descoperite experimental. Elementele sunt aranjate în ordinea numărului lor atomic, cu hidrogen și heliu în partea de sus a tabelului, iar elementele mai masive de mai jos. Tabelul periodic este un dispozitiv util, deoarece pentru fiecare element, identifică simbolul chimic, numărul atomic și numărul de masă, organizând în același timp elementele în funcție de tendința lor de a reacționa cu alte elemente., Numărul de protoni și electroni dintr-un element este egal. Numărul de protoni și neutroni poate fi egal pentru unele elemente, dar nu este egal pentru toți.
Figura 2. Tabelul Periodic al elementelor. (credit: R. A. Dragoset, A. Musgrove, C. W. Clark, W. C. Martin)
izotopi
deși fiecare element are un număr unic de protoni, acesta poate exista ca izotopi diferiți. Un izotop este una dintre diferitele forme ale unui element, distinse unul de altul prin numere diferite de neutroni. Izotopul standard al carbonului este 12C, denumit în mod obișnuit carbon doisprezece. 12C are șase protoni și șase neutroni, pentru un număr de masă de doisprezece., Toți izotopii carbonului au același număr de protoni; prin urmare, 13C are șapte neutroni, iar 14C are opt neutroni. Izotopii diferiți ai unui element pot fi, de asemenea, indicați cu numărul de masă în cratimă (de exemplu, C-12 în loc de 12C). Hidrogenul are trei izotopi comuni, prezentați în Figura 3.
Figura 3. Izotopi de hidrogen. Protium, desemnat 1H, are un proton și nu are neutroni. Este de departe cel mai abundent izotop al hidrogenului din natură. Deuteriu, desemnat 2H, are un proton și un neutron., Tritiul, desemnat 3H, are doi neutroni.un izotop care conține mai mult decât numărul obișnuit de neutroni este denumit izotop greu. Un exemplu este 14C. izotopii grei tind să fie instabili, iar izotopii instabili sunt radioactivi. Un izotop radioactiv este un izotop al cărui nucleu se descompune ușor, dând particule subatomice și energie electromagnetică. Diferiți izotopi radioactivi (numiți și radioizotopi) diferă în timpul lor de înjumătățire, timpul necesar pentru ca jumătate din orice probă de dimensiune a unui izotop să se descompună., De exemplu, timpul de înjumătățire al tritiului-un radioizotop de hidrogen—este de aproximativ 12 ani, ceea ce indică faptul că este nevoie de 12 ani pentru ca jumătate din nucleele de tritiu dintr—o probă să se descompună. Expunerea excesivă la izotopi radioactivi poate deteriora celulele umane și chiar poate provoca cancer și defecte la naștere, dar atunci când expunerea este controlată, unii izotopi radioactivi pot fi utili în medicină. Pentru mai multe informații, consultați conexiunile de carieră.
conexiune de carieră: radiolog intervențional
utilizarea controlată a radioizotopilor a avansat diagnosticul medical și tratamentul bolii., Radiologii intervenționali sunt medici care tratează boala folosind tehnici minim invazive care implică radiații. Multe afecțiuni care ar putea fi tratate odată doar cu o operație lungă și traumatică pot fi tratate acum non-chirurgical, reducând costul, durerea, durata șederii în spital și timpul de recuperare pentru pacienți. De exemplu, în trecut, singurele opțiuni pentru un pacient cu una sau mai multe tumori în ficat au fost chirurgia și chimioterapia (administrarea de medicamente pentru tratarea cancerului)., Unele tumori hepatice, cu toate acestea, sunt dificil de accesat chirurgical, iar altele ar putea solicita chirurgului să îndepărteze prea mult din ficat. Mai mult, Chimioterapia este foarte toxică pentru ficat, iar anumite tumori nu răspund bine la aceasta oricum. În unele astfel de cazuri, un radiolog intervențional poate trata tumorile prin întreruperea alimentării cu sânge, de care au nevoie dacă vor continua să crească. În această procedură, numită radioembolizare, radiologul accesează ficatul cu un ac fin, filetat printr-unul dintre vasele de sânge ale pacientului., Radiologul introduce apoi mici „semințe” radioactive în vasele de sânge care furnizează tumorile. În zilele și săptămânile următoare procedurii, radiația emisă din semințe distruge vasele și ucide direct celulele tumorale din vecinătatea tratamentului.radioizotopii emit particule subatomice care pot fi detectate și urmărite prin tehnologii imagistice., Una dintre cele mai avansate utilizări ale radioizotopilor în medicină este scanerul de tomografie cu emisie de pozitroni (PET), care detectează activitatea în organism a unei injecții foarte mici de glucoză radioactivă, zahărul simplu pe care celulele îl folosesc pentru energie. Camera PET dezvăluie echipei medicale care dintre țesuturile pacientului ocupă cea mai mare cantitate de glucoză. Astfel, țesuturile cele mai active din punct de vedere metabolic apar ca „puncte fierbinți” luminoase pe imagini (Figura 4). PET poate dezvălui unele mase canceroase, deoarece celulele canceroase consumă glucoză la o rată ridicată pentru a-și alimenta reproducerea rapidă.,
Figura 4. Scanare PET. PET evidențiază zonele din organism în care există o utilizare relativ ridicată a glucozei, caracteristică țesutului canceros. Această scanare PET prezintă site-uri de răspândire a unei tumori primare mari în alte site-uri.
comportamentul electronilor
în corpul uman, atomii nu există ca entități independente. Mai degrabă, ei reacționează constant cu alți atomi pentru a forma și a descompune substanțe mai complexe., Pentru a înțelege pe deplin anatomia și fiziologia, trebuie să înțelegeți modul în care atomii participă la astfel de reacții. Cheia este înțelegerea comportamentului electronilor.deși electronii nu urmează orbite rigide la o distanță stabilită de nucleul atomului, ei tind să rămână în anumite regiuni ale spațiului numite cochilii de electroni. O coajă de electroni este un strat de electroni care înconjoară nucleul la un nivel distinct de energie.,atomii elementelor găsite în corpul uman au de la una la cinci cochilii de electroni, iar toate cochilii de electroni dețin opt electroni, cu excepția primei cochilii, care poate deține doar două. Această configurație a cojilor de electroni este aceeași pentru toți atomii. Numărul exact de cochilii depinde de numărul de electroni din atom. Hidrogenul și heliul au doar unul și, respectiv, doi electroni., Dacă vă uitați la tabelul periodic al elementelor, veți observa că hidrogenul și heliul sunt plasate singure pe ambele părți ale rândului de sus; ele sunt singurele elemente care au doar un singur înveliș de electroni (Figura 5). O a doua coajă este necesară pentru a menține electronii în toate elementele mai mari decât hidrogenul și heliul.
Figura 5. Proiectile De Electroni. Electronii orbitează nucleul atomic la niveluri distincte de energie numite cochilii de electroni. (a) cu un electron, hidrogenul își umple doar jumătate învelișul de electroni., Heliul are, de asemenea, o singură cochilie, dar cei doi electroni îl umple complet. (b) electronii de carbon umple complet primul său înveliș de electroni, dar numai jumătate-umple al doilea. (c) neonul, un element care nu apare în corp, are 10 electroni, umplând ambele cochilii de electroni.
litiu (Li), al cărui număr atomic este 3, are trei electroni. Două dintre acestea umple prima coajă de electroni, iar a treia se varsă într-o a doua coajă. A doua coajă de electroni poate găzdui până la opt electroni., Carbonul, cu cei șase electroni ai săi, umple în întregime prima cochilie și jumătate umple al doilea. Cu zece electroni, neonul (Ne) își umple în întregime cele două cochilii de electroni. Din nou, o privire asupra tabelului periodic Arată că toate elementele din al doilea rând, de la litiu la neon, au doar două cochilii de electroni. Atomii cu mai mult de zece electroni necesită mai mult de două cochilii. Aceste elemente ocupă a treia și următoarele rânduri ale tabelului periodic.factorul care guvernează cel mai puternic tendința unui atom de a participa la reacțiile chimice este numărul de electroni din carcasa sa de valență., O coajă de valență este un atom de coajă de electroni cel mai exterior. Dacă învelișul de valență este plin, atomul este stabil; ceea ce înseamnă că electronii săi sunt puțin probabil să fie îndepărtați de nucleu de sarcina electrică a altor atomi. Dacă învelișul de valență nu este plin, atomul este reactiv; ceea ce înseamnă că va tinde să reacționeze cu alți atomi în moduri care fac învelișul de valență plin. Luați în considerare hidrogenul, cu un singur electron care își umple doar jumătate Carcasa de valență. Acest singur electron este probabil să fie atras în relații cu atomii altor elemente, astfel încât învelișul unic de valență al hidrogenului poate fi stabilizat.,
toți atomii (cu excepția hidrogenului și heliului cu învelișurile lor unice de electroni) sunt cei mai stabili atunci când există exact opt electroni în învelișul lor de valență. Acest principiu este denumit regula octetului și afirmă că un atom va renunța, câștiga sau împărți electroni cu un alt atom, astfel încât să ajungă cu opt electroni în propria coajă de valență. De exemplu, oxigenul, cu șase electroni în învelișul său de valență, este probabil să reacționeze cu alți atomi într-un mod care are ca rezultat adăugarea a doi electroni la învelișul de valență al oxigenului, aducând numărul la opt., Când doi atomi de hidrogen împărtășesc fiecare electronul lor unic cu oxigen, se formează legături covalente, rezultând o moleculă de apă, H2O.
în natură, atomii unui element tind să se unească cu atomii altor elemente în moduri caracteristice. De exemplu, carbonul își umple în mod obișnuit carcasa de valență prin conectarea cu patru atomi de hidrogen. În acest sens, cele două elemente formează cea mai simplă dintre moleculele organice, metanul, care este, de asemenea, unul dintre cei mai abundenți și stabili compuși care conțin carbon de pe Pământ. După cum sa menționat mai sus, un alt exemplu este apa; oxigenul are nevoie de doi electroni pentru a-și umple carcasa de valență., De obicei interacționează cu doi atomi de hidrogen, formând H2O. De altfel, numele ” hidrogen „reflectă contribuția sa la apă (hydro – = „apă”;- gen = „maker”). Astfel, hidrogenul este ” producătorul de apă.”