Biologie pentru specializări I

Identificați elementele constitutive ale materiei

La nivelul cel mai fundamental, viața este alcătuită din materie. Materia este orice substanță care ocupă spațiu și are masă. Elementele sunt forme unice de materie cu proprietăți chimice și fizice specifice, care nu pot fi descompuse în substanțe mai mici prin reacții chimice obișnuite. Există 118 elemente, dar numai 92 apar în mod natural. Elementele rămase sunt sintetizate în laboratoare și sunt instabile.

Atomi

Structura atomului

Pentru a înțelege cum se unesc elementele, trebuie să discutăm mai întâi despre cea mai mică componentă sau bloc de construcție a unui element, atomul. Un atom este cea mai mică unitate de materie care păstrează toate proprietățile chimice ale unui element. De exemplu, un atom de aur are toate proprietățile aurului, în sensul că este un metal solid la temperatura camerei. O monedă de aur este pur și simplu un număr foarte mare de atomi de aur modelați în forma unei monede și care conțin cantități mici de alte elemente cunoscute sub numele de impurități. Atomii de aur nu pot fi descompuși în ceva mai mic, păstrând în același timp proprietățile aurului.

Un atom este compus din două regiuni: nucleul, care se află în centrul atomului și conține protoni și neutroni, și regiunea cea mai exterioară a atomului care deține electronii pe orbită în jurul nucleului, așa cum este ilustrat în figura 1. Atomii conțin protoni, electroni și neutroni, printre alte particule subatomice. Singura excepție este hidrogenul (H), care este alcătuit dintr-un proton și un electron, fără neutroni.

Figura 1. Elementele, cum ar fi heliul, reprezentat aici, sunt alcătuite din atomi. Atomii sunt compuși din protoni și neutroni localizați în interiorul nucleului, cu electroni în orbitalele care înconjoară nucleul.

Protonii și neutronii au aproximativ aceeași masă, aproximativ 1,67 × 10-24 grame. Oamenii de știință definesc în mod arbitrar această cantitate de masă ca fiind o unitate de masă atomică (amu) sau un Dalton, așa cum se arată în tabelul 1. Deși au o masă similară, protonii și neutronii diferă în ceea ce privește sarcina electrică. Un proton este încărcat pozitiv, în timp ce un neutron nu este încărcat. Prin urmare, numărul de neutroni dintr-un atom contribuie în mod semnificativ la masa sa, dar nu și la sarcina sa. Electronii au o masă mult mai mică decât protonii, cântărind doar 9,11 × 10-28 grame, adică aproximativ 1/1800 de unitate de masă atomică. Prin urmare, ei nu contribuie prea mult la masa atomică totală a unui element. Prin urmare, atunci când se ia în considerare masa atomică, se obișnuiește să se ignore masa oricăror electroni și să se calculeze masa atomului doar pe baza numărului de protoni și neutroni. Deși nu contribuie în mod semnificativ la masă, electronii contribuie în mare măsură la sarcina atomului, deoarece fiecare electron are o sarcină negativă egală cu sarcina pozitivă a unui proton. În cazul atomilor neutrii, fără sarcină, numărul de electroni care orbitează în jurul nucleului este egal cu numărul de protoni din interiorul nucleului. In these atoms, the positive and negative charges cancel each other out, leading to an atom with no net charge.

Accounting for the sizes of protons, neutrons, and electrons, most of the volume of an atom—greater than 99 percent—is, in fact, empty space. With all this empty space, one might ask why so-called solid objects do not just pass through one another. The reason they do not is that the electrons that surround all atoms are negatively charged and negative charges repel each other.

Numărul atomic și masa

Atomii fiecărui element conțin un număr caracteristic de protoni și electroni. Numărul de protoni determină numărul atomic al unui element și este folosit pentru a distinge un element de altul. Numărul de neutroni este variabil, rezultând izotopi, care sunt forme diferite ale aceluiași atom care variază doar prin numărul de neutroni pe care îl posedă. Împreună, numărul de protoni și numărul de neutroni determină numărul de masă al unui element, așa cum este ilustrat în figura 2. Rețineți că, la calcularea numărului de masă, nu se ia în considerare contribuția mică de masă a electronilor. Această aproximare a masei poate fi utilizată pentru a calcula cu ușurință câți neutroni are un element prin simpla scădere a numărului de protoni din numărul de masă. Deoarece izotopii unui element vor avea numere de masă ușor diferite, oamenii de știință determină, de asemenea, masa atomică, care este media calculată a numărului de masă pentru izotopii care apar în mod natural. Adesea, numărul rezultat conține o fracție. De exemplu, masa atomică a clorului (Cl) este 35,45 deoarece clorul este compus din mai mulți izotopi, unii (majoritatea) cu masa atomică 35 (17 protoni și 18 neutroni) și alții cu masa atomică 37 (17 protoni și 20 de neutroni).

Întrebare practică

Carbonul are un număr atomic de șase și doi izotopi stabili cu numere de masă de doisprezece și, respectiv, treisprezece. Masa sa atomică este de 12,11.

Figura 2. Carbon-12 și carbon-13

Câți neutroni au carbon-12 și, respectiv, carbon-13?

Arată răspunsul

Carbonul-12 are șase neutroni. Carbon-13 are șapte neutroni.

Tabloul periodic al elementelor

Diferitele elemente sunt organizate și afișate în tabelul periodic. Conceput de chimistul rus Dmitri Mendeleev (1834-1907) în 1869, tabelul grupează elemente care, deși unice, împărtășesc anumite proprietăți chimice cu alte elemente. Proprietățile elementelor sunt responsabile de starea lor fizică la temperatura camerei: acestea pot fi gaze, solide sau lichide. Elementele au, de asemenea, o reactivitate chimică specifică, capacitatea de a se combina și de a se lega chimic între ele.

În tabelul periodic, prezentat în figura 3, elementele sunt organizate și afișate în funcție de numărul lor atomic și sunt dispuse într-o serie de rânduri și coloane pe baza proprietăților chimice și fizice comune. În plus față de furnizarea numărului atomic pentru fiecare element, tabelul periodic afișează, de asemenea, masa atomică a elementului. Dacă ne uităm la carbon, de exemplu, apar simbolul său (C) și numele său, precum și numărul său atomic de șase (în colțul din stânga sus) și masa sa atomică de 12,11.

Figura 3. Tabelul periodic arată masa atomică și numărul atomic al fiecărui element. Numărul atomic apare deasupra simbolului elementului, iar masa atomică aproximativă apare sub acesta.

Tabloul periodic grupează elementele în funcție de proprietățile chimice. Diferențele de reactivitate chimică dintre elemente se bazează pe numărul și distribuția spațială a electronilor unui atom. Atomii care reacționează chimic și se leagă între ei formează molecule. Moleculele sunt pur și simplu doi sau mai mulți atomi legați chimic între ei. În mod logic, atunci când doi atomi se leagă chimic pentru a forma o moleculă, electronii lor, care formează regiunea cea mai exterioară a fiecărui atom, se unesc primii, deoarece atomii formează o legătură chimică.

Electroni

Electron Shells and the Bohr Model

Figura 4. Modelul Bohr.

Trebuie subliniat faptul că există o legătură între numărul de protoni dintr-un element, numărul atomic care distinge un element de altul, și numărul de electroni pe care îl are. În toți atomii neutrii din punct de vedere electric, numărul de electroni este același cu numărul de protoni. Astfel, fiecare element, cel puțin atunci când este neutru din punct de vedere electric, are un număr caracteristic de electroni egal cu numărul său atomic.

Un prim model al atomului a fost dezvoltat în 1913 de către omul de știință danez Niels Bohr (1885-1962). În acest model, electronii există în interiorul unor învelișuri principale. Un electron există în mod normal în învelișul cu cea mai mică energie disponibilă, care este cel mai apropiat de nucleu. Energia provenită de la un foton de lumină îl poate urca într-o cochilie de energie mai mare, dar această situație este instabilă, iar electronul se dezintegrează rapid înapoi la starea fundamentală. În acest proces, se eliberează un foton de lumină.

Modelul Bohr prezintă atomul ca fiind un nucleu central care conține protoni și neutroni, cu electronii în orbitale circulare la distanțe specifice față de nucleu, așa cum este ilustrat în figura 4. Aceste orbite formează învelișuri de electroni sau niveluri de energie, care sunt o modalitate de a vizualiza numărul de electroni din învelișurile cele mai exterioare. Aceste niveluri de energie sunt desemnate printr-un număr și prin simbolul „n”. De exemplu, 1n reprezintă primul nivel energetic situat cel mai aproape de nucleu.

Electronii umplu orbitele într-o ordine consecventă: mai întâi umplu orbitele cele mai apropiate de nucleu, apoi continuă să umple orbitele cu energie din ce în ce mai mare mai departe de nucleu. Dacă există mai mulți orbitali de energie egală, aceștia vor fi umpluți cu câte un electron în fiecare nivel energetic înainte de a se adăuga un al doilea electron. Electronii din nivelul energetic cel mai exterior determină stabilitatea energetică a atomului și tendința acestuia de a forma legături chimice cu alți atomi pentru a forma molecule.

În condiții standard, atomii umplu mai întâi învelișurile interioare, rezultând adesea un număr variabil de electroni în învelișul cel mai exterior. Învelișul cel mai interior are cel mult doi electroni, dar următoarele două învelișuri electronice pot avea fiecare maximum opt electroni. Acest lucru este cunoscut sub numele de regula octetului, care afirmă, cu excepția învelișului cel mai interior, că atomii sunt mai stabili din punct de vedere energetic atunci când au opt electroni în învelișul de valență, învelișul electronic cel mai exterior. În figura 5 sunt prezentate exemple ale unor atomi neutri și configurațiile electronice ale acestora. Observați că, în această figură, heliul are un înveliș electronic exterior complet, cu doi electroni care îi umplu primul și singurul înveliș. În mod similar, neonul are un înveliș exterior 2n complet, conținând opt electroni. În schimb, clorul și sodiul au șapte și, respectiv, unul în învelișurile lor exterioare, dar, teoretic, ar fi mai stabile din punct de vedere energetic dacă ar urma regula octetului și ar avea opt.

Înțelegerea faptului că organizarea tabelului periodic se bazează pe numărul total de protoni (și electroni) ne ajută să știm cum sunt distribuiți electronii între învelișul exterior. Tabelul periodic este aranjat în coloane și rânduri pe baza numărului de electroni și a locului în care sunt localizați acești electroni. Aruncați o privire mai atentă asupra unora dintre elementele din coloana din extrema dreaptă a tabelului periodic din figura 3.

Atomii din grupa 18, heliu (He), neon (Ne) și argon (Ar), toți au învelișurile exterioare de electroni pline, ceea ce face ca aceștia să nu fie necesar să împartă electroni cu alți atomi pentru a atinge stabilitatea; ei sunt foarte stabili ca atomi individuali. Nereactivitatea lor a făcut ca acestea să fie denumite gaze inerte (sau gaze nobile). Comparați aceste elemente cu cele din grupa 1 din coloana din stânga. Aceste elemente, inclusiv hidrogenul (H), litiul (Li) și sodiul (Na), au toate câte un electron în straturile lor cele mai exterioare. Aceasta înseamnă că pot obține o configurație stabilă și un înveliș exterior plin prin donarea sau împărțirea unui electron cu un alt atom sau cu o moleculă precum apa. Hidrogenul își va dona sau împărți electronul pentru a obține această configurație, în timp ce litiul și sodiul își vor dona electronul pentru a deveni stabile. Ca urmare a pierderii unui electron cu sarcină negativă, aceștia devin ioni cu sarcină pozitivă. Elementele din grupa 17, inclusiv fluorul și clorul, au șapte electroni în învelișurile lor cele mai exterioare, astfel încât au tendința de a umple acest înveliș cu un electron de la alți atomi sau molecule, devenind astfel ioni cu sarcină negativă. Elementele din grupa 14, dintre care carbonul este cel mai important pentru sistemele vii, au patru electroni în învelișul lor exterior, ceea ce le permite să realizeze mai multe legături covalente (discutate mai jos) cu alți atomi. Astfel, coloanele tabelului periodic reprezintă potențiala stare comună a învelișurilor electronice exterioare ale acestor elemente, care este responsabilă de caracteristicile lor chimice similare.

Orbitalii electronilor

Deși este util pentru a explica reactivitatea și legăturile chimice ale anumitor elemente, modelul Bohr al atomului nu reflectă cu exactitate modul în care electronii sunt distribuiți spațial în jurul nucleului. Aceștia nu se învârt în jurul nucleului așa cum pământul orbitează în jurul soarelui, ci se găsesc în orbitali electronici. Aceste forme relativ complexe rezultă din faptul că electronii nu se comportă doar ca niște particule, ci și ca niște unde. Ecuațiile matematice din mecanica cuantică, cunoscute sub numele de funcții de undă, pot prezice, cu un anumit nivel de probabilitate, unde s-ar putea afla un electron la un moment dat. Zona în care este cel mai probabil să se afle un electron se numește orbitalul său.

Figura 6. Faceți clic pentru o imagine mai mare. Subshell-urile s au forma unor sfere. Atât învelișurile principale 1n, cât și 2n au un orbital s, dar dimensiunea sferei este mai mare în cazul orbitalului 2n. Fiecare sferă este un singur orbital. subshell-urile p sunt alcătuite din trei orbitali în formă de halteră. Învelișul principal 2n are o subînveliș p, dar învelișul 1 nu are.

Reamintim că modelul Bohr descrie configurația învelișului electronic al unui atom. În cadrul fiecărei învelișuri de electroni există subînvelișuri, iar fiecare subînveliș are un număr specificat de orbitali care conțin electroni. Deși este imposibil de calculat cu exactitate unde se află un electron, oamenii de știință știu că acesta se află cel mai probabil în interiorul traiectoriei sale orbitale. Subînvelișurile sunt desemnate prin literele s, p, d și f. Subînvelișul s este de formă sferică și are un singur orbital. Învelișul principal 1n are doar un singur orbital s, care poate conține doi electroni. Învelișul principal 2n are un subshell s și un subshell p și poate conține un total de opt electroni. Subshell-ul p are trei orbitali în formă de halteră, așa cum este ilustrat în figura 6. Subshell-urile d și f au forme mai complexe și conțin cinci și, respectiv, șapte orbitali. Aceștia nu sunt prezentați în ilustrație. Învelișul principal 3n are subînvelișurile s, p și d și poate conține 18 electroni. Învelișul principal 4n are orbitali s, p, d și f și poate conține 32 de electroni. Îndepărtându-se de nucleu, numărul de electroni și de orbitali care se găsesc în nivelurile energetice crește. Progresând de la un atom la altul în tabelul periodic, structura electronică poate fi elaborată prin încadrarea unui electron suplimentar în următorul orbital disponibil.

Orbitalul cel mai apropiat de nucleu, numit orbitalul 1s, poate conține până la doi electroni. Acest orbital este echivalent cu cel mai interior înveliș electronic din modelul Bohr al atomului. Se numește orbitalul 1s deoarece este sferic în jurul nucleului. Orbitalul 1s este cel mai apropiat orbital de nucleu și este întotdeauna ocupat primul, înainte de a putea fi ocupat orice alt orbital. Hidrogenul are un singur electron; prin urmare, are un singur loc ocupat în orbitalul 1s. Acesta este desemnat ca 1s1, unde 1 se referă la un singur electron din orbitalul 1s. Heliul are doi electroni; prin urmare, poate umple complet orbitalul 1s cu cei doi electroni ai săi. Acesta este desemnat ca 1s2, referindu-se la cei doi electroni ai heliului în orbitalul 1s. Pe tabelul periodic Figura 6, hidrogenul și heliul sunt singurele două elemente din primul rând (perioadă); acest lucru se datorează faptului că au doar electroni în prima lor înveliș, orbitalul 1s. Hidrogenul și heliul sunt singurele două elemente care au orbitalul 1s și niciun alt orbital de electroni în stare neutră din punct de vedere electric.

Cel de-al doilea înveliș electronic poate conține opt electroni. Acest înveliș conține un alt orbital s sferic și trei orbitali p în formă de „halteră”, fiecare dintre aceștia putând conține câte doi electroni, așa cum se arată în figura 6. După ce orbitalul 1s este umplut, se umple al doilea înveliș electronic, umplând mai întâi orbitalul 2s și apoi cei trei orbitali p ai acestuia. La umplerea orbitalilor p, fiecare dintre ei primește un singur electron; odată ce fiecare orbital p are un electron, se poate adăuga un al doilea. Litiul (Li) conține trei electroni care ocupă primul și al doilea înveliș. Doi electroni umplu orbitalul 1s, iar al treilea electron umple apoi orbitalul 2s. Configurația sa electronică este 1s22s1. Neonul (Ne), pe de altă parte, are în total zece electroni: doi se află în orbitalul 1s cel mai interior, iar opt îi umplu al doilea înveliș (câte doi în orbitalul 2s și trei în orbitalul p); astfel, este un gaz inert și este stabil din punct de vedere energetic ca un singur atom care rareori va forma o legătură chimică cu alți atomi. Elementele mai mari au orbitali suplimentari, care alcătuiesc al treilea înveliș electronic. Deși conceptele de învelișuri de electroni și orbitali sunt strâns legate, orbitalii oferă o reprezentare mai precisă a configurației electronice a unui atom, deoarece modelul orbital specifică diferitele forme și orientări speciale ale tuturor locurilor pe care le pot ocupa electronii.

Vizionați această animație vizuală pentru a vedea dispunerea spațială a orbitalilor p și s. Note that this video has no audio.

Video Review

This video gives another overview of the electron:

Check Your Understanding

Answer the question(s) below to see how well you understand the topics covered in the previous section. This short quiz does not count toward your grade in the class, and you can retake it an unlimited number of times.

Use this quiz to check your understanding and decide whether to (1) study the previous section further or (2) move on to the next section.