2.4: Athari za Kemikali

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Tofautisha kati ya nishati ya kinetic na uwezo, na kati ya athari za kemikali za exergonic na endergonic
• Kutambua aina nne za nishati muhimu katika utendaji wa binadamu
• Eleza aina tatu za msingi za athari za kemikali
• Kutambua mambo kadhaa yanayoathiri kiwango cha athari za kemikali

Tabia moja ya viumbe hai ni kimetaboliki, ambayo ni jumla ya jumla ya athari zote za kemikali zinazoendelea kudumisha afya na maisha ya kiumbe hicho. michakato bonding umejifunza hadi sasa ni anabolic kemikali athari; yaani, wao kuunda molekuli kubwa kutoka molekuli ndogo au atomi. Lakini kumbuka kwamba kimetaboliki inaweza kuendelea katika mwelekeo mwingine: katika athari za kemikali za catabolic, vifungo kati ya vipengele vya molekuli kubwa huvunja, ikitoa molekuli ndogo au atomi. Aina zote mbili za majibu huhusisha kubadilishana sio tu ya suala, bali ya nishati.

Jukumu la Nishati katika athari za Kemikali

Athari za kemikali zinahitaji kiasi cha kutosha cha nishati ili kusababisha jambo hilo kugongana na usahihi wa kutosha na nguvu kwamba vifungo vya zamani vya kemikali vinaweza kuvunjika na vipya vipya viumbewe. Kwa ujumla, nishati ya kinetic ni aina ya nishati inayoimarisha aina yoyote ya suala katika mwendo. Fikiria unajenga ukuta wa matofali. Nishati inachukua ili kuinua na kuweka matofali moja juu ya mwingine ni nishati ya kinetic - jambo la nishati lina kwa sababu ya mwendo wake. Mara ukuta ulipo mahali, huhifadhi nishati inayoweza. Nishati ya uwezo ni nishati ya msimamo, au suala la nishati lina kwa sababu ya nafasi au muundo wa vipengele vyake. Ikiwa ukuta wa matofali huanguka, nishati ya uwezo iliyohifadhiwa hutolewa kama nishati ya kinetic kama matofali yanaanguka.

Katika mwili wa binadamu, nishati inayoweza kuhifadhiwa huhifadhiwa katika vifungo kati ya atomi na molekuli. Nishati ya kemikali ni aina ya nishati ambayo nishati huhifadhiwa katika vifungo vya kemikali. Wakati vifungo hivyo vinapoundwa, nishati ya kemikali imewekeza, na wakati wa kuvunja, nishati ya kemikali hutolewa. Angalia kwamba nishati ya kemikali, kama nishati zote, haijaundwa wala kuharibiwa; badala yake, inabadilishwa kutoka fomu moja hadi nyingine. Wakati kula bar nishati kabla ya viongozi nje ya mlango kwa kuongezeka, asali, karanga, na vyakula vingine bar ina ni kuvunjwa chini na kupangwa upya na mwili wako katika molekuli kwamba seli misuli yako kubadilisha na nishati kinetic.

Athari za kemikali ambazo hutoa nishati zaidi kuliko zinavyoweza kunyonya zinahusika kama exergonic. Catabolism ya vyakula katika bar yako ya nishati ni mfano. Baadhi ya nishati ya kemikali kuhifadhiwa katika bar ni kufyonzwa ndani ya molekuli mwili wako anatumia kwa ajili ya mafuta, lakini baadhi yake ni iliyotolewa-kwa mfano, kama joto. Kwa upande mwingine, athari za kemikali ambazo hupata nishati zaidi kuliko kutolewa ni endergonic. Athari hizi zinahitaji pembejeo ya nishati, na molekuli inayosababisha sio tu nishati ya kemikali katika vipengele vya awali, lakini pia nishati iliyosababisha majibu. Kwa sababu nishati haijaundwa wala kuharibiwa, nishati inahitajika kwa athari za endergonic zinatoka wapi? Mara nyingi, hutoka kwa athari za exergonic.

Aina za Nishati muhimu katika Utendaji wa Binadamu

Tayari umejifunza kwamba nishati ya kemikali inafyonzwa, kuhifadhiwa, na iliyotolewa na vifungo vya kemikali. Mbali na nishati ya kemikali, mitambo, radiant, na nishati ya umeme ni muhimu katika utendaji wa binadamu.

• Nishati ya mitambo, ambayo huhifadhiwa katika mifumo ya kimwili kama vile mashine, injitokeza, au mwili wa binadamu, inawezesha moja kwa moja harakati ya jambo. Unapoinua matofali mahali pa ukuta, misuli yako hutoa nishati ya mitambo inayohamisha matofali.
• Nishati ya radiant ni nishati iliyotolewa na kuambukizwa kama mawimbi badala ya jambo. Mawimbi haya yanatofautiana kwa urefu kutoka mawimbi marefu ya redio na microwaves hadi mawimbi mafupi ya gamma yanayotokana na viini atomiki vinavyooza. Wigo kamili wa nishati ya radiant hujulikana kama wigo wa umeme. Mwili hutumia nishati ya ultraviolet ya jua kubadilisha kiwanja katika seli za ngozi kwa vitamini D, ambayo ni muhimu kwa utendaji wa binadamu. Jicho la mwanadamu lilibadilika ili kuona wavelengths zinazounda rangi za upinde wa mvua, kutoka nyekundu hadi violet, hivyo kwamba mbalimbali katika wigo huitwa “mwanga unaoonekana.”
• Nishati ya umeme, inayotolewa na electrolytes katika seli na maji ya mwili, huchangia mabadiliko ya voltage ambayo husaidia kusambaza msukumo katika seli za neva na misuli.

Tabia ya athari za Kemikali

Athari zote za kemikali huanza na reactant, neno la jumla kwa dutu moja au zaidi zinazoingia katika mmenyuko. Ions ya sodiamu na kloridi, kwa mfano, ni majibu katika uzalishaji wa chumvi la meza. Dutu moja au zaidi zinazozalishwa na mmenyuko wa kemikali huitwa bidhaa.

Katika athari za kemikali, vipengele vya reactants-elementi zinazohusika na idadi ya atomi za kila mmoja—zote zipo katika bidhaa (s). Vile vile, hakuna kitu kilichopo katika bidhaa ambazo hazipo katika majibu. Hii ni kwa sababu athari za kemikali zinatawaliwa na sheria ya uhifadhi wa molekuli, ambayo inasema kwamba jambo haliwezi kuundwa au kuharibiwa katika mmenyuko wa kemikali.

Kama vile unaweza kueleza mahesabu ya hisabati katika equations kama vile 2 + 7 = 9, unaweza kutumia equations kemikali kuonyesha jinsi reactants kuwa bidhaa. Kama ilivyo katika hesabu, milinganyo ya kemikali huendelea kutoka kushoto kwenda kulia, lakini badala ya ishara sawa, huajiri mshale au mishale inayoonyesha mwelekeo ambao mmenyuko wa kemikali unaendelea. Kwa mfano, mmenyuko wa kemikali ambayo atomi moja ya nitrojeni na atomi tatu za hidrojeni huzalisha amonia ingeandikwa kama$\text{N + 3 H}\to {\text{NH}}_{\text{3}}$. Vivyo hivyo, kuvunjika kwa amonia katika sehemu yake itakuwa imeandikwa kama${\text{NH}}_{\text{3}}\to \text{N + 3H.}$

Kumbuka kwamba, katika mfano wa kwanza, atomi ya nitrojeni (N) na atomi tatu za hidrojeni (H) zimefungwa kuunda kiwanja. Menyu hii ya anabolic inahitaji nishati, ambayo huhifadhiwa ndani ya vifungo vya kiwanja. Athari hizo hujulikana kama athari za awali. Mmenyuko wa awali ni mmenyuko wa kemikali ambayo husababisha awali (kujiunga) ya vipengele ambavyo vilikuwa tofauti (Kielelezo 2.12 a). Tena, nitrojeni na hidrojeni ni reactants katika mmenyuko wa awali ambao huzaa amonia kama bidhaa. Equation ya jumla kwa mmenyuko wa awali ni$\text{A + B}\to \text{AB.}$

Kielelezo 2.12 Tatu Msingi Chemical Reactions atomi na molekuli kushiriki katika athari tatu za msingi kemikali inaweza kufikiri kama maneno.

Katika mfano wa pili, amonia ni catabolized katika vipengele vyake vidogo, na nishati inayoweza kuhifadhiwa katika vifungo vyake inatolewa. Athari hizo hujulikana kama athari za kuharibika. Mmenyuko wa kuharibika ni mmenyuko wa kemikali ambayo huvunja au “de-composes” kitu kikubwa katika sehemu zake za sehemu (angalia Mchoro 2.12 b). Equation ya jumla kwa mmenyuko wa kuharibika ni:$\text{AB}\to \text{A}+\text{B}$.

Mmenyuko wa kubadilishana ni mmenyuko wa kemikali ambapo awali na utengano hutokea, vifungo vya kemikali vinatengenezwa na kuvunjika, na nishati ya kemikali hufanywa, kuhifadhiwa, na kutolewa (tazama Mchoro 2.12 c). Fomu rahisi ya mmenyuko wa kubadilishana inaweza kuwa:$\text{A}+\text{BC}\to \text{AB}+\text{C}$. Kumbuka kwamba, ili kuzalisha bidhaa hizi, B na C walipaswa kuvunja katika mmenyuko wa kuharibika, wakati A na B walipaswa kushikamana katika mmenyuko wa awali. tata zaidi kubadilishana majibu inaweza kuwa:$\text{AB}+\text{CD}\to \text{AC}+\text{BD}$. Mfano mwingine huenda:$\text{AB}+\text{CD}\to \text{TANGAZO}+\text{BC}$.

Kwa nadharia, mmenyuko wowote wa kemikali unaweza kuendelea katika mwelekeo wowote chini ya hali sahihi. Wafanyabiashara wanaweza kuunganisha ndani ya bidhaa ambayo baadaye imeharibika. Reversibility pia ni ubora wa athari kubadilishana. Kwa mfano,$\text{A}+\text{BC}\to \text{AB}+\text{C}$inaweza kisha reverse kwa$\text{AB}+\text{C}\to \text{A}+\text{BC}$. Ukosefu huu wa mmenyuko wa kemikali unaonyeshwa kwa mshale mara mbili:$\text{A}+\text{BC}\rightleftarrows \text{AB}+\text{C}$. Hata hivyo, katika mwili wa mwanadamu, athari nyingi za kemikali zinaendelea katika mwelekeo wa kutabirika, ama njia moja au nyingine. Unaweza kufikiria njia hii ya kutabirika zaidi kama njia ya upinzani mdogo kwa sababu, kwa kawaida, mwelekeo mbadala inahitaji nishati zaidi.

Mambo yanayoathiri Kiwango cha Athari za Kemikali

Ikiwa unamwaga siki ndani ya soda ya kuoka, mmenyuko ni mara moja; concoction itakuwa Bubble na fizz. Lakini athari nyingi za kemikali huchukua muda. Sababu mbalimbali huathiri kiwango cha athari za kemikali. Sehemu hii, hata hivyo, itazingatia tu muhimu zaidi katika utendaji wa binadamu.

Mali ya Reactants

Ikiwa athari za kemikali zitatokea haraka, atomi katika reactants zinapaswa kuwa na upatikanaji rahisi kwa kila mmoja. Kwa hiyo, eneo kubwa la uso wa wahusika, kwa urahisi zaidi wataingiliana. Unapopiga mchemraba wa jibini ndani ya kinywa chako, unachunguza kabla ya kumeza. Miongoni mwa mambo mengine, kutafuna huongeza eneo la uso wa chakula ili kemikali za utumbo zinaweza kupata urahisi zaidi. Kama kanuni ya jumla, gesi huwa na kuguswa kwa kasi zaidi kuliko majimaji au yabisi, tena kwa sababu inachukua nishati kutenganisha chembe za dutu, na gesi kwa ufafanuzi tayari zina nafasi kati ya chembe zao. Vile vile, kubwa molekuli, kubwa idadi ya vifungo jumla, hivyo athari kuwashirikisha molekuli ndogo, na vifungo wachache jumla, itakuwa inatarajiwa kuendelea kwa kasi.

Kwa kuongeza, kumbuka kwamba baadhi ya vipengele ni tendaji zaidi kuliko wengine. Athari zinazohusisha elementi zenye tendaji kama hidrojeni huendelea haraka zaidi kuliko athari zinazohusisha elementi ndogo za tendaji. Mitikio yanayohusisha elementi imara kama heliamu haziwezekani kutokea kabisa.

Joto

Karibu athari zote za kemikali hutokea kwa kiwango cha kasi zaidi kwenye joto la juu. Kumbuka kwamba nishati ya kinetic ni nishati ya suala katika mwendo. Nishati ya kinetic ya chembe za subatomic huongezeka kwa kukabiliana na ongezeko la nishati ya joto. Ya juu ya joto, kasi ya chembe huhamia, na uwezekano mkubwa wao watawasiliana na kuguswa.

Mkazo na Shinikizo

Ikiwa watu wachache tu wanacheza kwenye klabu, hawana uwezekano wa kutembea kwenye vidole vya kila mmoja. Lakini kama watu zaidi na zaidi wanasimama ngoma - hasa kama muziki ni haraka-migongano ni uwezekano wa kutokea. Ni sawa na athari za kemikali: chembe zaidi zilizopo ndani ya nafasi iliyotolewa, kuna uwezekano mkubwa zaidi wa chembe hizo zitapungua ndani ya kila mmoja. Hii ina maana kwamba wanakemia wanaweza kuharakisha athari za kemikali si tu kwa kuongeza mkusanyiko wa chembe—idadi ya chembe katika nafasi—lakini pia kwa kupunguza kiasi cha nafasi, ambayo ingeweza kuongeza shinikizo. Kama kulikuwa na wachezaji 100 katika klabu hiyo, na meneja ghafla alihamisha chama kwa chumba nusu ya ukubwa, mkusanyiko wa wachezaji ingekuwa mara mbili katika nafasi mpya, na uwezekano wa migongano ingeongezeka ipasavyo.

Enzymes na Vichocheo vingine

Kwa kemikali mbili katika asili ya kuguswa na kila mmoja wao kwanza wanapaswa kuwasiliana, na hii hutokea kwa njia ya migongano ya random. Kwa sababu joto husaidia kuongeza nishati ya kinetic ya atomi, ions, na molekuli, inakuza mgongano wao. Lakini katika mwili, joto kubwa sana-kama vile homa kubwa sana-inaweza kuharibu seli za mwili na kuwa kutishia maisha. Kwa upande mwingine, joto la kawaida la mwili sio juu ya kutosha kukuza athari za kemikali zinazoendeleza maisha. Hapo ndipo vichocheo vinaingia.

Katika kemia kichocheo ni dutu inayoongeza kiwango cha mmenyuko wa kemikali bila yenyewe kufanyiwa mabadiliko yoyote. Unaweza kufikiria kichocheo kama wakala wa mabadiliko ya kemikali. Wanasaidia kuongeza kiwango na nguvu ambayo atomi, ions, na molekuli hugongana, na hivyo kuongeza uwezekano kwamba elektroni zao za shell za valence zitaingiliana.

Kichocheo muhimu zaidi katika mwili wa binadamu ni enzymes. Enzyme ni kichocheo kinachojumuisha protini au asidi ya ribonucleic (RNA), ambayo yote yatajadiliwa baadaye katika sura hii. Kama vichocheo vyote, enzymes hufanya kazi kwa kupunguza kiwango cha nishati kinachohitaji kuwekeza katika mmenyuko wa kemikali. Nishati ya uanzishaji wa mmenyuko wa kemikali ni kiwango cha “kizingiti” cha nishati kinachohitajika kuvunja vifungo katika majibu. Mara vifungo hivyo ni kuvunjwa, mipango mpya inaweza kuunda. Bila enzyme kutenda kama kichocheo, uwekezaji mkubwa wa nishati unahitajika ili kuwaka mmenyuko wa kemikali (Mchoro 2.13).

Kielelezo 2.13 Enzymes Enzymes hupunguza nishati ya uanzishaji inahitajika kwa mmenyuko wa kemikali iliyotolewa kutokea. (a) Bila enzyme, pembejeo ya nishati inayohitajika kwa majibu ya kuanza ni ya juu. (b) Kwa msaada wa enzyme, nishati ndogo inahitajika kwa majibu kuanza.

Enzymes ni muhimu kwa utendaji wa afya wa mwili. Wanasaidia, kwa mfano, na kuvunjika kwa chakula na uongofu wake kwa nishati. Kwa kweli, wengi wa athari za kemikali katika mwili huwezeshwa na enzymes.