2.2: Elements na Atomi - Vitalu vya Ujenzi wa Suala

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Jadili uhusiano kati ya suala, wingi, vipengele, misombo, atomi, na chembe za subatomic
• Tofautisha kati ya idadi ya atomiki na idadi ya
• Tambua tofauti muhimu kati ya isotopi za elementi sawa
• Eleza jinsi elektroni huchukua maganda ya elektroni na mchango wao kwa utulivu wa jamaa wa atomu

Dutu ya ulimwengu, kutoka kwenye punje ya mchanga hadi nyotamu—inaitwa jambo. Wanasayansi wanafafanua jambo kama kitu chochote kinachukua nafasi na kina wingi. Masi ya kitu na uzito wake ni dhana zinazohusiana, lakini sio sawa. Masi ya kitu ni kiasi cha jambo kilichomo katika kitu, na masi ya kitu ni sawa kama kitu hicho kiko duniani au katika mazingira ya mvuto wa sifuri wa anga la nje. Uzito wa kitu, kwa upande mwingine, ni wingi wake kama unaathiriwa na kuvuta kwa mvuto. Ambapo mvuto huvuta sana masi ya kitu uzito wake ni mkubwa kuliko ilivyo pale ambapo mvuto hauna nguvu. Kitu cha masi fulani kina uzito kidogo juu ya mwezi, kwa mfano, kuliko ulivyo duniani kwa sababu mvuto wa mwezi ni mdogo kuliko ule wa Dunia. Kwa maneno mengine, uzito ni tofauti, na huathiriwa na mvuto. Kipande cha jibini kinachozidi pauni duniani kinazidi ounces chache tu kwenye mwezi.

Elements na Misombo

Jambo lolote katika ulimwengu wa asili linajumuisha moja au zaidi ya vitu 92 vya msingi vinavyoitwa vipengele. Elementi ni dutu safi ambayo inatofautishwa na mambo mengine yote kwa ukweli kwamba haiwezi kuundwa au kuvunjika kwa njia za kawaida za kemikali. Wakati mwili wako unaweza kukusanyika wengi wa misombo ya kemikali zinahitajika kwa ajili ya maisha kutokana na mambo yao Constituent, haiwezi kufanya mambo. Lazima kuja kutoka mazingira. Mfano unaojulikana wa kipengele ambacho unapaswa kuchukua ni kalsiamu (Ca). Calcium ni muhimu kwa mwili wa binadamu; inachukuliwa na kutumika kwa michakato kadhaa, ikiwa ni pamoja na kuimarisha mifupa. Unapotumia bidhaa za maziwa mfumo wako wa utumbo huvunja chakula ndani ya vipengele vidogo vya kutosha kuvuka kwenye damu. Kati ya hizi ni kalsiamu, ambayo, kwa sababu ni elementi, haiwezi kuvunjika zaidi. Calcium ya msingi katika jibini, kwa hiyo, ni sawa na kalsiamu inayounda mifupa yako. Baadhi ya mambo mengine unaweza kuwa ukoo na ni oksijeni, sodiamu, na chuma. Mambo katika mwili wa binadamu yanaonyeshwa kwenye Mchoro 2.2, kuanzia na wingi zaidi: oksijeni (O), kaboni (C), hidrojeni (H), na nitrojeni (N). Jina la kila kipengele linaweza kubadilishwa na alama moja au mbili za barua; utakuwa ukoo na baadhi ya haya wakati wa kozi hii. Mambo yote katika mwili wako yanatokana na vyakula unavyokula na hewa unayopumua.

Kielelezo 2.2 Vipengele vya Mwili wa Binadamu Mambo makuu yanayotunga mwili wa mwanadamu yanaonyeshwa kutoka kwa wingi zaidi hadi angalau.

Kwa asili, vipengele mara chache hutokea peke yake. Badala yake, huchanganya kuunda misombo. Kiwanja ni dutu linajumuisha vipengele viwili au zaidi vilivyounganishwa na vifungo vya kemikali. Kwa mfano, glucose ya kiwanja ni mafuta muhimu ya mwili. Daima linajumuisha vipengele vitatu sawa: kaboni, hidrojeni, na oksijeni. Aidha, vipengele vinavyotengeneza kiwanja chochote kinachotolewa daima hutokea kwa kiasi sawa cha jamaa. Katika glucose, daima kuna vitengo sita vya kaboni na sita vya oksijeni kwa kila vitengo kumi na mbili vya hidrojeni. Lakini ni nini, hasa, hizi “vitengo” vya vipengele?

Atomi na chembe za Subatomic

Atomu ni kiasi kidogo cha elementi ambacho kinahifadhi mali ya pekee ya elementi hiyo. Kwa maneno mengine, atomu ya hidrojeni ni kitengo cha hidrojeni-kiasi kidogo cha hidrojeni kinachoweza kuwepo. Kama unaweza nadhani, atomi ni karibu unfathomably ndogo. Kipindi cha mwisho wa sentensi hii ni mamilioni ya atomi pana.

Atomiki Muundo na Nishati

Atomi zinajumuishwa na chembe ndogo za subatomiki, aina tatu ambazo ni muhimu: protoni, neutroni, na elektroni. Idadi ya protoni zenye kushtakiwa vyema na neutroni zisizo za kushtakiwa (“neutral”), hutoa wingi kwa atomi, na idadi ya protoni huamua elementi. Idadi ya elektroni za kushtakiwa vibaya ambazo “huzunguka” kuzunguka kiini karibu na kasi ya nuru ni sawa na idadi ya protoni. Elektroni ina takriban 1/2000 masi ya protoni au neutroni.

Kielelezo 2.3 kinaonyesha mifano miwili ambayo inaweza kukusaidia kufikiria muundo wa atomi-katika kesi hii, heliamu (Yeye). Katika mfano wa sayari, elektroni mbili za heliamu zinaonyeshwa kuzunguka kiini katika obiti iliyowekwa iliyoonyeshwa kama pete. Ingawa mfano huu ni muhimu katika taswira muundo wa atomiki, katika hali halisi, elektroni si kusafiri katika orbits fasta, lakini whiz kuzunguka kiini erratically katika kinachojulikana elektroni wingu.

Kielelezo 2.3 Mifano mbili za muundo wa Atomiki (a) Katika mfano wa sayari, elektroni za heliamu zinaonyeshwa katika njia za kudumu, zinaonyeshwa kama pete, kwa umbali sahihi kutoka kiini, kiasi fulani kama sayari zinazozunguka jua. (b) Katika mfano wa wingu wa elektroni, elektroni za heliamu zinaonyeshwa katika maeneo mbalimbali ambayo wangekuwa nayo kwa umbali tofauti kutoka kiini kwa muda.

Protoni na elektroni za atomi hubeba mashtaka ya umeme. Protons, pamoja na malipo yao mazuri, huteuliwa p ⁺. Electroni, ambazo zina malipo hasi, huteuliwa e ^—. Neutroni za atomu hazina chaji: hazina upande wowote wa umeme. Kama vile sumaku inavyoweka kwenye jokofu ya chuma kwa sababu mashtaka yao kinyume huvutia, protoni za kushtakiwa vyema huvutia elektroni za kushtakiwa vibaya. Mvuto huu wa pamoja huwapa atomi utulivu wa kimuundo. Kivutio na kiini chenye kushtakiwa chanya husaidia kuweka elektroni zisizopotea mbali. Idadi ya protoni na elektroni ndani ya atomu zisizo na upande wowote ni sawa, hivyo chaji ya jumla ya atomu ni ya usawa.

Idadi Atomiki na Idadi ya Misa

Atomu ya kaboni ni ya pekee kwa kaboni, lakini protoni ya kaboni si. Protoni moja ni sawa na nyingine, iwapo inapatikana katika atomu ya kaboni, sodiamu (Na), au chuma (Fe). Vilevile ni kweli kwa nyutroni na elektroni. Hivyo, nini anatoa kipengele tabia yake tofauti-nini hufanya kaboni kuwa tofauti na sodiamu au chuma? Jibu ni wingi wa kipekee wa protoni kila mmoja ana. Kaboni kwa ufafanuzi ni elementi ambayo atomi zake zina protoni sita. Hakuna elementi nyingine ina protoni sita hasa katika atomi zake. Aidha, atomi zote za kaboni, zinapatikana katika ini yako au kwenye pua ya makaa ya mawe, zina protoni sita. Hivyo, idadi ya atomiki, ambayo ni idadi ya protoni katika kiini cha atomi, inatambua elementi. Kwa sababu atomu huwa na idadi sawa ya elektroni kama protoni, namba atomia inatambua idadi ya kawaida ya elektroni pia.

Katika hali yao ya kawaida, elementi nyingi pia zina idadi sawa ya nyutroni kama protoni. Aina ya kawaida ya kaboni, kwa mfano, ina nyutroni sita pamoja na protoni sita, kwa jumla ya chembe za subatomiki 12 katika kiini chake. Nambari ya molekuli ya elementi ni jumla ya idadi ya protoni na nyutroni katika kiini chake. Hivyo aina ya kawaida ya idadi ya molekuli ya kaboni ni 12. (Electroni zina wingi mdogo sana kwamba hazichangia kwa wingi wa atomi.) Kaboni ni elementi nyepesi kiasi. Uranium (U), kinyume chake, ina idadi kubwa ya 238 na inajulikana kama chuma nzito. Namba atomia yake ni 92 (ina protoni 92) lakini ina nyutroni 146; ina masi kubwa kuliko elementi zote zinazotokea kiasili.

Jedwali la mara kwa mara la vipengele, lililoonyeshwa kwenye Mchoro 2.4, ni chati inayobainisha vipengele 92 vilivyopatikana katika asili, pamoja na vipengele kadhaa vikubwa, visivyo na uhakika vilivyogunduliwa kwa majaribio. Elementi zinapangwa kwa utaratibu wa idadi yao ya atomia, na hidrojeni na heliamu juu ya meza, na elementi kubwa zaidi chini. Jedwali la mara kwa mara ni kifaa muhimu kwa sababu kwa kila elementi, inatambua ishara ya kemikali, namba atomia, na namba ya wingi, huku ikiandaa vipengele kulingana na uwezo wao wa kuguswa na vipengele vingine. Idadi ya protoni na elektroni katika elementi ni sawa. Idadi ya protoni na nyutroni inaweza kuwa sawa kwa baadhi ya elementi, lakini si sawa kwa wote.

Kielelezo 2.4 Jedwali la Mara kwa mara la Elements (mikopo: R.A Dragoset, A. Musgrove, C.W Clark, W.C Martin)

Interactive Link

Tembelea tovuti hii ili uone meza ya mara kwa mara. Katika meza ya mara kwa mara ya vipengele, vipengele katika safu moja vina idadi sawa ya elektroni ambayo inaweza kushiriki katika mmenyuko wa kemikali. Elektroni hizi zinajulikana kama “elektroni za valence.” Kwa mfano, elementi katika safu ya kwanza zote zina elektroni moja ya valence, elektroni inayoweza “kuchangia” katika mmenyuko wa kemikali na atomu nyingine. Nini maana ya idadi kubwa inavyoonekana katika mabano?

Isotopu

Ingawa kila elementi ina idadi ya pekee ya protoni, inaweza kuwepo kama isotopi tofauti. Isotopi ni mojawapo kati ya aina tofauti za elementi, zinajulikana kutoka kwa kila mmoja kwa namba tofauti za nyutroni. Isotopi ya kawaida ya kaboni ni ¹² C, inayoitwa kaboni kumi na mbili. ¹² C ina protoni sita na nyutroni sita, kwa idadi kubwa ya kumi na mbili. Isotopi zote za kaboni zina idadi sawa ya protoni; kwa hiyo ¹³ C ina nyutroni saba, na ¹⁴ C ina nyutroni nane. Isotopi tofauti za elementi zinaweza pia kuonyeshwa kwa namba ya wingi iliyochapishwa (kwa mfano, C-12 badala ya ¹² C). Hidrojeni ina isotopu tatu za kawaida, zilizoonyeshwa kwenye Kielelezo 2.5.

Kielelezo 2.5 Isotopes ya protiamu ya hidrojeni, iliyochaguliwa ¹ H, ina protoni moja na hakuna neutroni. Ni kwa mbali isotopi tele zaidi ya hidrojeni katika asili. Deuterium, iliyochaguliwa ² H, ina protoni moja na neutroni moja. Tritium, iliyochaguliwa ³ H, ina neutroni mbili.

Isotopi ambayo ina zaidi ya idadi ya kawaida ya nyutroni inajulikana kama isotopi nzito. Mfano ni ¹⁴ C. isotopi nzito huwa na msimamo, na isotopi thabiti ni mionzi. Isotopu ya mionzi ni isotopu ambayo kiini chake kinaharibika kwa urahisi, kutoa chembe za subatomiki na nishati ya umeme. Isotopi tofauti za mionzi (pia huitwa radioisotopu) hutofautiana katika nusumaisha yao, muda unaotumika kwa nusu ya sampuli yoyote ya ukubwa wa isotopu kuoza. Kwa mfano, nusu ya maisha ya tritiumi-isotopu radioisotopu ya hidrojeni-ni takriban miaka 12, ikionyesha inachukua miaka 12 kwa nusu ya viini vya tritiamu katika sampuli ili kuoza. Kutokeza kwa kiasi kikubwa kwa isotopu za mionzi kunaweza kuharibu seli za binadamu na hata kusababisha kasoro za kansa na kuzaliwa, lakini wakati mfiduo unadhibitiwa, isotopu za mionzi zinaweza kuwa na manufaa katika dawa Kwa habari zaidi, angalia Kazi Connections.

Kazi Connection

Radiologist Interventional

Matumizi ya kudhibitiwa ya radioisotopu yameongeza utambuzi wa matibabu na matibabu ya magonjwa. Radiologists interventional ni madaktari ambao kutibu magonjwa kwa kutumia mbinu minimally vamizi kuwashirikisha mionzi. Hali nyingi ambazo zinaweza kutibiwa mara moja tu kwa operesheni ndefu na ya kutisha sasa zinaweza kutibiwa bila upasuaji, kupunguza gharama, maumivu, urefu wa kukaa hospitali, na muda wa kupona kwa wagonjwa. Kwa mfano, katika siku za nyuma, chaguo pekee kwa mgonjwa mwenye tumors moja au zaidi katika ini zilikuwa upasuaji na chemotherapy (utawala wa madawa ya kulevya kutibu kansa). Baadhi ya uvimbe wa ini, hata hivyo, ni vigumu kupata upasuaji, na wengine wanaweza kuhitaji upasuaji kuondoa sana ya ini. Aidha, chemotherapy ni sumu kali kwa ini, na tumors fulani hazijibu vizuri. Katika baadhi ya matukio hayo, radiologist interventional inaweza kutibu tumors kwa kuvuruga damu yao, ambayo wanahitaji kama wataendelea kukua. Katika utaratibu huu, unaoitwa radioembolization, radiologist hupata ini na sindano nzuri, iliyofungwa kupitia moja ya mishipa ya damu ya mgonjwa. Radiologist kisha huingiza “mbegu” ndogo za mionzi ndani ya mishipa ya damu ambayo hutoa tumors. Katika siku na wiki zifuatazo utaratibu, mionzi iliyotokana na mbegu huharibu vyombo na huua moja kwa moja seli za tumor karibu na matibabu.

Radioisotopu hutoa chembe za subatomiki zinazoweza kugunduliwa na kufuatiliwa na teknolojia za upig Moja ya matumizi ya juu zaidi ya radioisotopes katika dawa ni positron chafu tomography (PET) Scanner, ambayo hutambua shughuli katika mwili wa sindano ndogo sana ya glucose mionzi, sukari rahisi ambayo seli hutumia kwa nishati. Kamera ya PET inaonyesha kwa timu ya matibabu ambayo tishu za mgonjwa zinachukua glucose zaidi. Hivyo, tishu nyingi za kimetaboliki zinaonyesha kama “matangazo ya moto” mkali kwenye picha (Mchoro 2.6). PET inaweza kudhihirisha baadhi ya raia wa saratani kwa sababu seli za saratani hutumia glucose kwa kiwango cha juu ili kuimarisha uzazi wao wa haraka.

Kielelezo 2.6 PET Scan PET inaonyesha maeneo katika mwili ambapo kuna matumizi ya juu ya glucose, ambayo ni tabia ya tishu za saratani. Scan hii ya PET inaonyesha maeneo ya kuenea kwa tumor kubwa ya msingi kwenye maeneo mengine.

Tabia ya elektroni

Katika mwili wa binadamu, atomi hazipo kama vyombo vya kujitegemea. Badala yake, wao hujibu mara kwa mara na atomi nyingine kuunda na kuvunja vitu vingi zaidi. Ili kuelewa kikamilifu anatomy na physiolojia lazima ufahamu jinsi atomi kushiriki katika athari hizo. Kitu muhimu ni kuelewa tabia ya elektroni.

Ingawa elektroni hazifuati njia rigid umbali uliowekwa mbali na kiini cha atomi, huwa na kukaa ndani ya mikoa fulani ya nafasi inayoitwa maganda ya elektroni. Ganda la elektroni ni safu ya elektroni inayozunguka kiini kwa kiwango tofauti cha nishati.

Atomi za elementi zinazopatikana katika mwili wa binadamu zina maganda ya elektroni moja hadi tano, na maganda yote ya elektroni yanashikilia elektroni nane isipokuwa ganda la kwanza, ambalo linaweza kushikilia mbili tu. Usanidi huu wa maganda ya elektroni ni sawa kwa atomi zote. Idadi sahihi ya maganda hutegemea idadi ya elektroni katika atomu. Hidrojeni na heli zina elektroni moja na mbili tu, kwa mtiririko huo. Ikiwa utaangalia meza ya mara kwa mara ya vipengele, utaona kwamba hidrojeni na heliamu huwekwa peke yake pande zote za mstari wa juu; wao ni mambo pekee ambayo yana shell moja tu ya elektroni (Kielelezo 2.7). Ganda la pili ni muhimu kushikilia elektroni katika elementi zote kubwa kuliko hidrojeni na heli.

Lithiamu (Li), ambao namba ya atomiki ni 3, ina elektroni tatu. Mbili kati ya hizi hujaza ganda la kwanza la elektroni, na la tatu linamwagika ndani ya ganda la pili. Ganda la pili la elektroni linaweza kubeba elektroni nyingi kama nane. Kaboni, pamoja na elektroni zake sita, hujaza kabisa shell yake ya kwanza, na nusu inajaza pili yake. Kwa elektroni kumi, neon (Ne) hujaza kabisa maganda yake mawili ya elektroni. Tena, kuangalia meza ya mara kwa mara inaonyesha kwamba mambo yote katika mstari wa pili, kutoka lithiamu hadi neon, yana maganda mawili tu ya elektroni. Atomi zenye elektroni zaidi ya kumi zinahitaji maganda zaidi ya mbili. Mambo haya huchukua safu ya tatu na inayofuata ya meza ya mara kwa mara.

Kielelezo 2.7 Electron Shells elektroni obiti kiini atomiki katika ngazi tofauti ya nishati inayoitwa elektroni shells. (a) Kwa elektroni moja, hidrojeni ni nusu tu inayojaza shell yake ya elektroni. Heliamu pia ina ganda moja, lakini elektroni zake mbili zinaijaza kabisa. (b) Electroni za kaboni zinajaza kabisa ganda lake la kwanza la elektroni, lakini nusu tu hujaza pili yake. (c) Neon, elementi ambayo haitokei mwilini, ina elektroni 10, kujaza maganda yake yote ya elektroni.

Sababu ambayo inasimamia sana tabia ya atomu kushiriki katika athari za kemikali ni idadi ya elektroni katika ganda lake la valence. Ganda la valence ni shell ya nje ya elektroni ya atomi. Ikiwa ganda la valence limejaa, atomu ni imara; maana yake elektroni zake haziwezekani kuvutwa mbali na kiini kwa malipo ya umeme ya atomi nyingine. Kama ganda la valence haliko kamili, atomu ni tendaji; maana yake itaelekea kuguswa na atomi nyingine kwa njia zinazofanya ganda la valence lijazwe. Fikiria hidrojeni, na elektroni yake moja tu nusu ya kujaza shell yake ya valence. Elektroni hii moja inawezekana kuvutwa katika mahusiano na atomi za elementi nyingine, ili ganda moja la valence ya hidrojeni liweze kutulia.

Atomi zote (isipokuwa hidrojeni na heli pamoja na maganda yao ya elektroni moja) ni imara zaidi wakati kuna elektroni nane hasa katika ganda lao la valence. Kanuni hii inajulikana kama utawala wa octet, na inasema kwamba atomu itatoa, kupata, au kushiriki elektroni na atomi nyingine ili iishe na elektroni nane katika ganda lake la valence. Kwa mfano, oksijeni, ikiwa na elektroni sita katika ganda lake la valence, inawezekana kuguswa na atomi nyingine kwa namna inayosababisha kuongeza elektroni mbili kwenye shell ya valence ya oksijeni, na kuleta idadi hadi nane. Wakati atomi mbili za hidrojeni kila mmoja hushiriki elektroni yao moja na oksijeni, vifungo vya covalent vinaundwa, na kusababisha molekuli ya maji, H ₂ O.

Kwa asili, atomi za elementi moja huwa na kujiunga na atomi za elementi nyingine kwa njia za tabia. Kwa mfano, kaboni kwa kawaida hujaza ganda lake la valence kwa kuunganisha juu na atomi nne za hidrojeni. Kwa kufanya hivyo, vipengele viwili vinaunda rahisi zaidi ya molekuli za kikaboni, methane, ambayo pia ni moja ya misombo yenye wingi na imara ya kaboni duniani. Kama ilivyoelezwa hapo juu, mfano mwingine ni maji; oksijeni inahitaji elektroni mbili kujaza shell yake ya valence. Kwa kawaida huingiliana na atomi mbili za hidrojeni, kutengeneza H ₂ O. kwa bahati, jina “hidrojeni” linaonyesha mchango wake kwa maji (hydro- = “maji”; -gen = “maker”). Hivyo, hidrojeni ni “mtengenezaji wa maji.”