Skip to main content
Global

A: Misingi ya Fizikia na Kemia muhimu kwa Microbiolojia

  • Page ID
    174942
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Kama mambo mengine yote, jambo linalojumuisha microorganisms linasimamiwa na sheria za kemia na fizikia. Mali ya kemikali na kimwili ya vimelea vya microbial-wote wa seli na cellular-kulazimisha makazi yao, kudhibiti michakato yao ya kimetaboliki, na kuamua jinsi wanavyoingiliana na mwili wa mwanadamu. Kiambatisho hiki hutoa mapitio ya baadhi ya kanuni za msingi za kemia na fizikia ambazo ni muhimu kwa uelewa wa mikrobiolojia. Wengi wa sura katika maandishi hii-hasa Microbial Biokemia na Microbial Metabolism -kudhani kwamba msomaji tayari ana uelewa wa dhana upya hapa.

    Atomiki Muundo

    Maisha yanajumuishwa na jambo. Jambo linachukua nafasi na ina wingi. Jambo lolote linajumuisha atomi. Atomi zote zina protoni, elektroni, na nyutroni (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Mbali pekee ni hidrojeni (H), ambayo hufanywa kwa protoni moja na elektroni moja. Protoni ni chembe yenye chaji chanya inayokaa katika kiini (kiini cha atomi) cha atomi na ina masi ya kitengo cha umati atomia 1 (amu) na chaji ya +1. Elektroni ni chembe yenye chaji hasi inayosafiri angani kuzunguka kiini. Electroni husambazwa katika viwango mbalimbali vya nishati vinavyoitwa maganda ya elektroni. Electroni zina masi duni na chaji ya —1. Neutroni, kama protoni, hukaa katika kiini cha atomu. Wana molekuli ya amu 1 na hakuna malipo (neutral). Chanya (proton) na hasi (elektroni) mashtaka yanafanana katika atomi ya neutral, ambayo ina malipo ya sifuri wavu. Kwa sababu protoni na nyutroni kila mmoja huwa na masi ya amu 1, masi ya atomu ni sawa na idadi ya protoni na nyutroni za atomu hiyo. Idadi ya elektroni haiingii katika masi ya jumla kwa sababu masi ya elektroni ni ndogo sana.

    Atomu ina neutroni mbili zisizo na upande na protoni mbili chanya katika kiini chake. Ganda lake la nje lina elektroni mbili hasi.
    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Atomi zinajumuishwa na protoni na nyutroni ziko ndani ya kiini na elektroni zinazozunguka kiini.

    Mambo ya Kemikali

    Jambo lolote linajumuisha atomi za elementi. Elementi zina tabia za kipekee za kimwili na kemikali na ni dutu ambazo haziwezi kubadilishwa kwa urahisi ama kimwili au kemikali kuwa vitu vingine. Kila elementi imepewa jina, kwa kawaida linatokana na Kilatini au Kiingereza. Elementi pia zina alama moja au mbili za herufi zinazowakilisha jina; kwa mfano, sodiamu (Na), dhahabu (Au), na fedha (Ag) zina vifupisho vinavyotokana na majina yao ya awali ya Kilatini natrium, aurum, na argentum, mtawalia. Mifano yenye vifupisho vya Kiingereza ni kaboni (C), hidrojeni (H), oksijeni (O), na nitrojeni (N). Jumla ya vipengele 118 tofauti (92 ambavyo hutokea kwa kawaida) vimetambuliwa na kupangwa katika meza ya mara kwa mara ya vipengele. Kati ya vipengele vya asili, chini ya 30 hupatikana katika viumbe duniani, na nne kati ya hizo (C, H, O, na N) hufanya takriban 96% ya masi ya kiumbe. 1

    Kila elementi ya pekee hutambuliwa na idadi ya protoni katika kiini chake atomia. Mbali na protoni, kiini atomiki cha kila elementi kina idadi sawa au kubwa ya neutroni (isipokuwa hidrojeni, ambayo ina protoni moja tu). Idadi ya protoni kwa elementi inaelezewa kama namba atomia, na masi ya pamoja ya protoni na nyutroni huitwa masi atomia au namba ya molekuli. Kwa hiyo, inawezekana kuamua idadi ya neutroni kwa kuondoa namba ya atomiki kutoka namba ya wingi.

    Isotopi ni aina tofauti za elementi moja ambazo zina idadi sawa ya protoni, lakini idadi tofauti ya nyutroni. Elementi nyingi zina isotopi kadhaa zenye isotopi moja au mbili zinazotokea kwa kawaida katika asili. Kwa mfano, kaboni-12 (12 C), isotopu ya kawaida ya kaboni (98.6% ya C yote inayopatikana duniani), 2 ina protoni sita na nyutroni sita. Kwa hiyo, ina idadi kubwa ya 12 (protoni 6 + 6 neutroni) na namba atomia ya 6.

    Kuna aina mbili za ziada za isotopi katika asili: isotopi nzito, na radioisotopu. Isotopi nzito zina nyutroni moja au zaidi ya ziada huku bado kudumisha kiini atomia imara. Mfano wa isotopu nzito ni kaboni-13 (13 C) (1.1% ya kaboni yote). 3 13 C ina idadi kubwa ya 13 (protoni 6 + 7 neutroni). Kwa kuwa namba atomia ya 13 C ni 6, bado ni elementi kaboni; hata hivyo, ina masi zaidi kuliko umbo la kawaida la elementi, 12 C, kwa sababu ya nyutroni ya ziada katika kiini. Kaboni-14 (14 C) (0.0001% ya kaboni yote) 4 ni mfano wa radioisotopu. 14 C ina idadi kubwa ya 14 (protoni 6 + 8 neutroni); hata hivyo, nyutroni za ziada katika 14 C husababisha kiini kisicho na msimamo. Ukosefu huu unasababisha mchakato wa kuoza kwa mionzi. Uozo wa mionzi unahusisha upotevu wa neutroni moja au zaidi na kutolewa kwa nishati kwa njia ya mionzi ya gamma, chembe za alpha, au chembe za beta (kulingana na isotopu).

    Isotopi nzito na radioisotopu za kaboni na elementi nyingine zimethibitisha kuwa na manufaa katika utafiti, viwanda, na dawa.

    Kemikali vifungo

    Kuna aina tatu za vifungo vya kemikali ambazo ni muhimu wakati wa kuelezea mwingiliano wa atomi ndani na kati ya molekuli katika microbiolojia: (1) vifungo vya covalent, ambavyo vinaweza kuwa polar au zisizo polar, (2) vifungo vya ionic, na (3) vifungo vya hidrojeni. Kuna aina nyingine za mwingiliano kama vile vikosi vya utawanyiko wa London na vikosi vya van der Waals ambavyo vinaweza pia kujadiliwa wakati wa kuelezea tabia za kimwili na kemikali za mwingiliano wa intermolecular wa atomi, lakini hatutajumuisha maelezo ya majeshi haya hapa.

    Uunganisho wa kemikali unatambuliwa na shell ya nje ya elektroni, inayoitwa elektroni ya valence (VE), ya atomi. Idadi ya VE ni muhimu wakati wa kuamua idadi na aina ya vifungo vya kemikali atomi itaunda.

    Covalent vifungo

    Nguvu ya kemikali yenye nguvu kati ya atomi mbili au zaidi ni dhamana ya covalent. Vifungo hivi vinaunda wakati elektroni inashirikiwa kati ya atomi mbili, na hizi ni aina ya kawaida ya dhamana ya kemikali katika viumbe hai. Vifungo vyema vinaunda kati ya atomi za vipengele vinavyofanya molekuli za kibiolojia katika seli zetu. Mfano wa molekuli rahisi inayotengenezwa na vifungo vya covalent ni maji, H 2 O, na VE moja kwa atomi H na 6 VE kwa atomi O. Kwa sababu ya usanidi wa VE, kila atomu H ina uwezo wa kukubali VE moja ya ziada na kila atomi O ina uwezo wa kukubali VE mbili za ziada. Wakati wa kugawana elektroni, atomi za hidrojeni na oksijeni zinazochanganya kuunda molekuli za maji zimeunganishwa pamoja na vifungo vya covalent (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Electroni kutoka atomi ya hidrojeni hugawanya muda wake kati ya ganda la elektroni la nje la atomu ya hidrojeni na ganda la elektroni la nje la atomu ya oksijeni. Ili kujaza kabisa ganda la nje la atomu ya oksijeni, elektroni mbili kutoka atomi mbili za hidrojeni zinahitajika, kwa hiyo subscript “2” inayoonyesha atomi mbili za H katika molekuli ya H 2 O. kugawana hii ni hali ya chini ya nishati kwa atomi zote zinazohusika kuliko kama zilikuwepo bila maganda yao ya nje yaliyojaa.

    Kuna aina mbili za vifungo vya covalent: polar na nonpolar. Nonpolar covalent vifungo fomu kati ya atomi mbili ya mambo sawa au tofauti kwamba kushiriki elektroni sawa (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Katika dhamana ya covalent ya polar, elektroni zilizoshirikiwa na atomi hutumia muda zaidi karibu na kiini kimoja kuliko kiini kingine. Kwa sababu ya usambazaji usio sawa wa elektroni kati ya viini tofauti, chaji kidogo chanya (δ+) au kidogo hasi (δ—) huendelea. Maji ni mfano wa molekuli iliyoundwa na vifungo vya polar covalent (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

    Molekuli ya maji inaitwa “dhamana ya covalent ya polar”; linajumuisha atomi ya kati ya oksijeni na elektroni 8 katika shell yake ya nje, 4 ambayo inashirikiwa (2 kila mmoja) na atomi 2 za hidrojeni; atomi za hidrojeni zina malipo kidogo na atomi ya oksijeni ina malipo kidogo. Molekuli ya methane inaitwa “dhamana isiyo ya kawaida ya covalent”; ina atomi ya kaboni ya kati yenye elektroni 8 katika ganda lake la nje, zote ambazo zinashirikiwa (2 kila mmoja) na atomi 4 za hidrojeni; molekuli haipatikani. Uundaji wa kloridi ya sodiamu huonyeshwa, na atomi ya sodiamu inayotoa elektroni pekee katika shell yake ya nje kwa chembe ya klorini, na kusababisha atomi ya sodiamu isiyo na elektroni katika shell yake ya nje na chaji chanya wavu, na chembe ya klorini yenye elektroni 8 katika shell yake ya nje na malipo ya wavu hasi .
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Molekuli ya maji (juu kushoto) inaonyesha dhamana ya polar na malipo kidogo mazuri kwenye atomi za hidrojeni na malipo kidogo hasi kwenye oksijeni. Methane (juu kulia) ni mfano wa dhamana isiyo ya kawaida ya covalent. Kloridi ya sodiamu (chini) ni dutu inayotokana na vifungo vya ionic kati ya sodiamu na klorini.

    Ions na Ionic vifungo

    Wakati atomu haina idadi sawa ya protoni na elektroni, inaitwa ioni. Kwa sababu idadi ya elektroni haifai idadi ya protoni, kila ion ina chaji wavu. Ions nzuri huundwa kwa kupoteza elektroni na huitwa cations. Ions hasi huundwa kwa kupata elektroni na huitwa anions.

    Kwa mfano, atomi ya sodiamu ina elektroni moja tu katika shell yake ya nje. Inachukua nishati kidogo kwa atomi ya sodiamu kuchangia hiyo elektroni moja kuliko inavyofanya ili kukubali elektroni saba zaidi, ambayo ingehitaji kujaza ganda lake la nje. Ikiwa atomu ya sodiamu inapoteza elektroni, sasa ina protoni 11 na elektroni 10 pekee, ikiacha kwa malipo ya jumla ya +1. Sasa inaitwa ion ya sodiamu (Na +).

    Atomu ya klorini ina elektroni saba katika ganda lake la nje. Tena, ni ufanisi zaidi wa nishati kwa atomi ya klorini kupata elektroni moja kuliko kupoteza saba. Kwa hiyo, itawezekana zaidi kupata elektroni kuunda ioni yenye protoni 17 na elektroni 18, ikitoa chaji ya wavu hasi (-1). Sasa inaitwa ioni ya kloridi (Cl -). Mwendo huu wa elektroni kutoka atomi moja hadi nyingine hujulikana kama uhamisho wa elektroni. Kwa sababu mashtaka mazuri na hasi huvutia, ions hizi hukaa pamoja na kuunda dhamana ya ionic, au dhamana kati ya ions. Wakati Na + na Cl ions kuchanganya kuzalisha NaCl, elektroni kutoka atomi ya sodiamu anakaa na nyingine saba kutoka chembe ya klorini, na ioni za sodiamu na kloridi huvutia kila mmoja katika kimiani ya ions yenye malipo ya sifuri (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

    Ioni za polyatomiki zinajumuisha atomi nyingi zilizounganishwa na vifungo vya covalent; lakini tofauti na molekuli, ioni ya polyatomiki ina chaji chanya au hasi. Ni tabia kama cation au anion na hivyo inaweza kuunda vifungo ionic na ions nyingine kuunda misombo ionic. Atomi katika ion polyatomiki inaweza kuwa kutoka elementi moja au elementi tofauti.

    Jedwali\(\PageIndex{1}\) linaorodhesha baadhi ya cations na anions ambazo hutokea kwa kawaida katika mikrobiolojia. Kumbuka kuwa meza hii inajumuisha monoatomic pamoja na ions polyatomic.

    Jedwali\(\PageIndex{1}\): Baadhi ya Ions ya kawaida katika Microbiology
    Cations Anions
    sodiamu Na + kloridi Cl
    haidrojeni H + bikabonati \(\ce{HCO3-}\)
    potasiamu K + kaboni \(\ce{CO3^2-}\)
    amonia \(\ce{NH4+}\) sulfate ya hid \(\ce{H2SO4^2-}\)
    shaba (I) Cu + sulfidi hidrojeni HS
    shaba (II) Cu 2+ hydroxide OH
    chuma (II) Fe 2+ haipokloraiti ClO -
    chuma (III) Fe 3+ nitriti \(\ce{NO2-}\)
        nitreti \(\ce{NO3-}\)
        peroksidi \(\ce{O2^2-}\)
        fosfati \(\ce{PO4^3-}\)
        pyrophosphate \(\ce{P2O7^4-}\)
        sulfiti \(\ce{SO3^2-}\)
        thiosulfate \(\ce{S2O3^2-}\)

    Mfumo wa Masi, Misa ya Masi, na Mole

    Kwa molekuli zinazoundwa na vifungo vya covalent, formula ya Masi inawakilisha idadi na aina ya atomi za msingi zinazounda molekuli. Kwa mfano, fikiria molekuli ya glucose, ambayo ina formula ya Masi C 6 H 12 O 6. Fomu hii ya Masi inaonyesha kwamba molekuli moja ya glucose hutengenezwa kutoka atomi sita za kaboni, atomi kumi na mbili za hidrojeni, na atomi sita za oksijeni

    Masi ya molekuli ya molekuli inaweza kuhesabiwa kwa kutumia fomula ya Masi na masi atomia ya kila elementi katika molekuli. Idadi ya kila aina ya atomu huongezeka kwa molekuli atomia; halafu bidhaa hizo zinaongezwa ili kupata masi ya molekuli. Kwa mfano molekuli ya molekuli ya glucose, C 6 H 12 O 6 (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)), imehesabiwa kama:

    \ [kuanza {safu} {l}
    \ maandishi {molekuli ya kaboni} & =12\:\ Frac {\ mathrm {amu}} {\ mathrm {atomi}}\ mara 6\ maandishi {atomi} =72\ maandishi {amu}\\ maandishi {amu}\
    \ maandishi {molekuli ya hidrojeni} & =1\:\ frac {\ mathrm {amu}} {\ mathrm atomi {}}\ mara 12\ maandishi {atomi} =12\ maandishi {amu}\
    \ Nakala {molekuli ya oksijeni} & ; =16\:\ frac {\ mathrm {amu} {\ mathrm {atomi}}\ mara 6\ maandishi {atomi} =96\ maandishi {amu}\
    \ maandishi {amu}\\ maandishi {masi ya glucose} & =72\ maandishi {amu} +12\ maandishi {amu} +96\ maandishi {amu} =180
    \ maandishi {amu}\]

    Muundo wa kemikali wa glucose.
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): muundo Masi ya glucose kuonyesha idadi ya kaboni, oksijeni, na atomi hidrojeni. Glucose ina molekuli ya Masi ya amu 180.

    Idadi ya vyombo vinavyotengeneza mole imekuwa imedhamiriwa kuwa 6.022 × 10 23, mara kwa mara ya msingi inayoitwa namba ya Avogadro (NA) au mara kwa mara ya Avogadro. Mara kwa mara hii inaripotiwa vizuri na kitengo cha wazi cha “kwa mole.”

    Nishati

    Thermodynamics inahusu utafiti wa uhamisho wa nishati na nishati inayohusisha suala la kimwili.

    Suala kushiriki katika kesi fulani ya uhamisho wa nishati inaitwa mfumo, na kila kitu nje ya jambo hilo kinaitwa mazingira. Kuna aina mbili za mifumo: kufunguliwa na kufungwa. Katika mfumo wa wazi, nishati inaweza kubadilishana na mazingira yake. Mfumo uliofungwa hauwezi kubadilishana nishati na mazingira yake. Viumbe vya kibaiolojia ni mifumo ya wazi. Nishati hubadilishana kati yao na mazingira yao wanapotumia nishati kutoka jua kufanya usanisinuru au hutumia molekuli za kuhifadhi nishati na kutolewa nishati kwa mazingira kwa kufanya kazi na kutoa joto. Kama vitu vyote katika ulimwengu wa kimwili, nishati inakabiliwa na sheria za kimwili. Kwa ujumla, nishati hufafanuliwa kama uwezo wa kufanya kazi, au kuunda aina fulani ya mabadiliko. Nishati ipo katika aina tofauti. Kwa mfano, nishati ya umeme, nishati ya mwanga, na nishati ya joto ni aina zote za nishati. Sheria ya kwanza ya thermodynamics, mara nyingi hujulikana kama sheria ya uhifadhi wa nishati, inasema kwamba jumla ya nishati katika ulimwengu ni mara kwa mara na kuhifadhiwa. Nishati ipo katika aina nyingi tofauti. Kwa mujibu wa sheria ya kwanza ya thermodynamics, nishati inaweza kuhamishwa kutoka sehemu kwa mahali au kubadilishwa kuwa aina tofauti, lakini haiwezi kuundwa au kuharibiwa.

    Changamoto kwa viumbe hai wote ni kupata nishati kutoka mazingira yao katika fomu ambazo zinaweza kuhamisha au kubadilisha kuwa nishati inayoweza kutumika kufanya kazi. Vijiumbe vimebadilika ili kukidhi changamoto hii. Nishati ya kemikali iliyohifadhiwa ndani ya molekuli za kikaboni kama vile sukari na mafuta huhamishwa na kubadilishwa kupitia mfululizo wa athari za kemikali za mkononi kuwa nishati ndani ya molekuli za ATP. Nishati katika molekuli za ATP zinapatikana kwa urahisi kufanya kazi. Mifano ya aina za kazi ambazo seli zinahitaji kufanya ni pamoja na kujenga molekuli tata, kusafirisha vifaa, kuimarisha mwendo wa cilia au flagella, na kuambukizwa nyuzi za misuli ili kuunda harakati.

    Kazi ya msingi ya microorganism ya kupata, kubadilisha, na kutumia nishati kufanya kazi inaweza kuonekana rahisi. Hata hivyo, sheria ya pili ya thermodynamics inaelezea kwa nini kazi hizi ni ngumu zaidi kuliko zinaonekana. Uhamisho wote wa nishati na mabadiliko haujawahi ufanisi kabisa. Katika kila uhamisho wa nishati, kiasi fulani cha nishati kinapotea kwa fomu ambayo haitumiki. Mara nyingi, fomu hii ni nishati ya joto. Thermodynamically, nishati ya joto hufafanuliwa kama nishati iliyohamishwa kutoka kwenye mfumo mmoja hadi mwingine ambayo haifanyi kazi. Kwa mfano, nishati fulani inapotea kama nishati ya joto wakati wa athari za metabolic za mkononi.

    Nishati zaidi ambayo imepotea na mfumo kwa mazingira yake, chini ya kuamuru na zaidi random mfumo ni. Wanasayansi wanataja kipimo cha randomness au machafuko ndani ya mfumo kama entropy. Entropy ya juu ina maana ugonjwa wa juu na nishati ya chini. Molekuli na athari za kemikali zina entropy tofauti pia. Kwa mfano, entropy huongezeka kama molekuli kwenye mkusanyiko wa juu katika sehemu moja huenea na kuenea nje. Sheria ya pili ya thermodynamics inasema kuwa nishati daima itapotea kama joto katika uhamisho wa nishati au mabadiliko. Microorganisms zinaamuru sana, zinahitaji pembejeo ya nishati ya mara kwa mara kudumishwa katika hali ya entropy ya chini.

    Kemikali Athari

    Athari za kemikali hutokea wakati atomi mbili au zaidi zinaunganishwa pamoja ili kuunda molekuli au wakati atomi zilizounganishwa zinavunjika mbali. Dutu zinazotumiwa katika mmenyuko wa kemikali huitwa reactants (kwa kawaida hupatikana upande wa kushoto wa equation ya kemikali), na vitu vinavyotokana na mmenyuko hujulikana kama bidhaa (kwa kawaida hupatikana upande wa kulia wa equation ya kemikali). Mshale ni kawaida inayotolewa kati ya reactants na bidhaa kuonyesha mwelekeo wa mmenyuko wa kemikali; mwelekeo huu si mara zote “njia moja ya barabara.”

    Mfano wa mmenyuko rahisi wa kemikali ni kuvunja molekuli ya peroxide ya hidrojeni, ambayo kila moja ina atomi mbili za hidrojeni zilizounganishwa na atomi mbili za oksijeni (H 2 O 2). Peroxide ya hidrojeni iliyojitokeza imevunjwa ndani ya maji, yenye atomi moja ya oksijeni inayofungwa na atomi mbili za hidrojeni (H 2 O), na oksijeni, ambayo ina atomi mbili za oksijeni zilizounganishwa (O 2). Katika equation chini, majibu ni pamoja na molekuli mbili peroxide ya hidrojeni na molekuli mbili za maji. Huu ni mfano wa usawa kemikali equation, ambayo idadi ya atomi ya kila kipengele ni sawa katika kila upande wa equation. Kwa mujibu wa sheria ya uhifadhi wa suala, idadi ya atomi kabla na baada ya mmenyuko wa kemikali inapaswa kuwa sawa, kama kwamba hakuna atomi, chini ya hali ya kawaida, iliyoundwa au kuharibiwa.

    \[\ce{2H2O2\:(hydrogen\: peroxide)⟶2H2O\:(water) + O2\:(oxygen)}\]

    Baadhi ya athari za kemikali, kama vile zilizoonyeshwa hapo juu, zinaweza kuendelea katika mwelekeo mmoja mpaka majibu yote yatumiwe. Ulinganisho unaoelezea athari hizi zina mshale usio na mwelekeo na haukubaliki. Athari zinazobadilishwa ni wale ambao wanaweza kwenda katika mwelekeo wowote. Katika athari zinazobadilishwa, majibu yanageuka kuwa bidhaa, lakini wakati mkusanyiko wa bidhaa unapoongezeka juu ya kizingiti fulani (tabia ya mmenyuko fulani), baadhi ya bidhaa hizi zitabadilishwa tena kuwa reactants; kwa hatua hii, majina ya bidhaa na reactants yanabadilishwa. Mabadiliko katika mkusanyiko yanaendelea hadi usawa fulani wa jamaa katika mkusanyiko kati ya majibu na bidhaa hutokea—hali inayoitwa usawa wa kemikali. Kwa hatua hii, athari zote za mbele na za nyuma zinaendelea kutokea, lakini hufanya hivyo kwa kiwango sawa, hivyo viwango vya reactants na bidhaa hazibadilika. Hali hizi za athari za kurekebishwa mara nyingi zinaashiria na equation ya kemikali na mshale unaoongozwa mara mbili unaoelekeza kuelekea majibu na bidhaa zote mbili. Kwa mfano, dioksidi kaboni inapopasuka ndani ya maji, inaweza kufanya hivyo kama gesi iliyovunjwa ndani ya maji au kwa kujibu na maji ili kuzalisha asidi kaboni. Katika seli za microorganisms fulani, kiwango cha uzalishaji wa asidi ya kaboni kinaharakishwa na anhydrase ya kaboni ya enzyme, kama ilivyoonyeshwa katika equation ifuatayo:

    \[\ce{CO2 + H2O \stackrel{carbonic}{\stackrel{anhydrase}{\rightleftharpoons}} H2CO3 \rightleftharpoons H+ + HCO3-}\]

    Mali ya Maji na Solutions

    Atomi za hidrojeni na oksijeni ndani ya molekuli za maji huunda vifungo vya covalent vya Hakuna malipo ya jumla kwa molekuli ya maji, lakini kuna + moja kwenye kila atomi ya hidrojeni na mbili kwenye atomu ya oksijeni. Kila molekuli ya maji huvutia molekuli nyingine za maji kwa sababu ya mashtaka mazuri na mabaya katika sehemu tofauti za molekuli (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Maji pia huvutia molekuli nyingine za polar (kama vile sukari), na kutengeneza vifungo vya hidrojeni. Wakati dutu hutengeneza vifungo vya hidrojeni kwa maji, inaweza kufuta ndani ya maji na inajulikana kama hydrophilic (“upendo wa maji”). Vifungo vya hidrojeni haviundwa kwa urahisi na vitu visivyo na nonpolar kama mafuta na mafuta. Misombo hii isiyo ya kawaida ni hydrophobic (“kuogopa maji”) na itaelekea mbali na kuepuka maji.

    Molekuli tatu za maji zinaonyeshwa. Atomi za kila molekuli ya maji (hidrojeni na oksijeni) zinaunganishwa na dhamana ya covalent. Molekuli ya maji huunganishwa na vifungo vya hidrojeni.
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Hidrojeni dhamana fomu kati kidogo chanya (+) na kidogo hasi (—) mashtaka ya polar covalent molekuli kama vile maji.

    Vifungo vya hidrojeni ndani ya maji huruhusu kunyonya na kutolewa nishati ya joto polepole zaidi kuliko vitu vingine vingi. Hii ina maana kwamba maji hupunguza mabadiliko ya joto ndani ya viumbe na katika mazingira yao. Kama pembejeo ya nishati inaendelea, uwiano kati ya malezi ya dhamana ya hidrojeni na kuvunja swings kuelekea vifungo wachache hidrojeni: vifungo zaidi ni kuvunjwa kuliko ni sumu. Utaratibu huu unasababisha kutolewa kwa molekuli ya maji ya mtu binafsi kwenye uso wa kiowevu (kama vile mwili wa maji, majani ya mmea, au ngozi ya kiumbe) katika mchakato unaoitwa uvukizi.

    Kinyume chake, kama mwendo wa Masi unapungua na joto hupungua, nishati ndogo iko sasa kuvunja vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli za maji. Vifungo hivi hubakia intact na kuanza kuunda muundo rigid, lattice-kama (kwa mfano, barafu). Wakati waliohifadhiwa, barafu ni ndogo mnene (molekuli ni mbali zaidi) kuliko maji ya kioevu. Hii ina maana kwamba barafu inaelea juu ya uso wa mwili wa maji. Katika maziwa, mabwawa, na bahari, barafu itaunda juu ya uso wa maji, na kujenga kizuizi cha kuhami kulinda maisha ya wanyama na mimea chini kutoka kufungia ndani ya maji. Ikiwa halikutokea, mimea na wanyama wanaoishi katika maji wangeweza kufungia kwenye kizuizi cha barafu na hakuweza kusonga kwa uhuru, na kufanya maisha katika joto la baridi kuwa vigumu au haiwezekani.

    Kwa sababu maji ni polar, na mashtaka mazuri na hasi, misombo ya ionic na molekuli za polar zinaweza kufuta kwa urahisi ndani yake. Kwa hiyo, maji ni nini kinachojulikana kama kutengenezeza-dutu inayoweza kufuta dutu nyingine. Chembe za kushtakiwa zitaunda vifungo vya hidrojeni na safu inayozunguka ya molekuli za maji. Hii inajulikana kama nyanja ya hydration na hutumikia kuweka ions kutengwa au kutawanyika katika maji (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Sehemu hizi za usawaji pia hujulikana kama shells za hydration. Polarity ya molekuli ya maji inafanya kuwa kutengenezea kwa ufanisi na ni muhimu katika majukumu yake mengi katika mifumo ya maisha.

    Molekuli ya maji inaonyeshwa kwa mashtaka mazuri kwenye atomi za hidrojeni na chaji hasi kwenye atomu ya oksijeni; inaitwa “molekuli moja ya maji yenye mashtaka ya sehemu.” Ioni ya klorini na ion ya sodiamu huonyeshwa kuzungukwa na molekuli za maji. Atomi za hidrojeni za molekuli za maji huvutiwa na ioni ya klorini, wakati atomi za oksijeni za molekuli za maji zinavutiwa na ioni za sodiamu.
    Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Wakati chumvi la meza (NaCl) linachanganywa katika maji, nyanja za kutengeneza maji huunda karibu na ions.

    Uwezo wa wadudu kuelea juu na skate katika matokeo ya maji ya bwawa kutoka mali ya mshikamano. Katika mshikamano, molekuli za maji huvutiwa (kwa sababu ya kuunganisha hidrojeni), kuweka molekuli pamoja kwenye interface ya kioevu-hewa (gesi). Ushirikiano hutoa mvutano wa uso, uwezo wa dutu kuhimili kupasuka wakati umewekwa chini ya mvutano au dhiki.

    Vikosi hivi vya ushirikiano vinahusiana pia na mali ya maji ya kujitoa, au kivutio kati ya molekuli za maji na molekuli nyingine. Hii inazingatiwa wakati maji “hupanda” juu ya majani yaliyowekwa kwenye kioo cha maji. Utaona kwamba maji inaonekana kuwa ya juu pande za majani kuliko katikati. Hii ni kwa sababu molekuli ya maji huvutiwa na majani na hivyo kuambatana nayo.

    Ushirikiano na kujitoa pia ni sababu katika makoloni ya bakteria na malezi ya biofilm. Ushirikiano unaendelea koloni intact (husaidia “fimbo” juu ya uso), wakati kujitoa inaendelea seli kuzingatiwa. Vikosi vya ushirikiano na wambiso ni muhimu kwa kuendeleza maisha. Kwa mfano, kwa sababu ya majeshi haya, maji katika mazingira ya asili hutoa hali muhimu ili kuruhusu seli za bakteria na archaeal kuambatana na kujilimbikiza kwenye nyuso.

    Acids na Msingi

    PH ya suluhisho ni kipimo cha ioni ya hidrojeni (H +) na viwango vya ioni ya hidroksidi (OH ) na inaelezewa kama asidi au alkalinity, kwa mtiririko huo. Acidity na alkalinity (pia inajulikana kama basicity) inaweza kupimwa na mahesabu. pH inaweza tu kuwakilishwa na equation hisabati,\(\mathrm{pH=-\log_{10}[H^+]}\). Kwenye upande wa kushoto wa equation, “p” inamaanisha “logarithm hasi ya" na H inawakilisha [H +]. Kwenye upande wa kulia wa equation, [H +] ni mkusanyiko wa H + katika moles/L. Nini si kuwakilishwa katika equation hii rahisi ni mchango wa OH , ambayo pia kushiriki katika acidity au alkalinity. Uhesabuji wa matokeo ya pH katika idadi mbalimbali ya 0 hadi 14 inayoitwa kiwango cha pH (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Thamani ya pH kati ya 0 na 6.9 inaonyesha asidi. Pia hujulikana kama pH ya chini, kutokana na kiwango cha juu cha [H +] na cha chini cha [OH ] mkusanyiko. Thamani ya pH kati ya 7.1 na 14 inaonyesha alkali au msingi. Pia hujulikana kama pH ya juu, kutokana na kiwango cha chini cha [H +] na cha juu cha [OH ] mkusanyiko. PH ya 7 inaelezewa kama pH ya neutral na hutokea wakati [H +] sawa na [OH -].

    Kiwango cha pH kinahesabiwa kutoka 0 hadi 14, na mifano ya vinywaji kwa namba 1 hadi 13:1 ni asidi ya tumbo, 2 ni juisi ya limao, 3 ni juisi ya machungwa, 4 ni juisi ya nyanya, 5 ni kahawa nyeusi, 6 ni mkojo, 7 ni maji yaliyotumiwa, 8 ni maji ya bahari, 9 ni soda ya kuoka, 10 ni maziwa ya magnesia, 11 ni suluhisho la amonia, 12 ni maji ya sabuni , na 13 ni bleach.
    Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Kiwango cha pH kinapima mkusanyiko wa ioni za hidrojeni [H +] na [OH -] katika dutu. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Edward Stevens)

    Mabadiliko ya kitengo kimoja kwenye kiwango cha pH inawakilisha mabadiliko katika [H +] kwa sababu ya 10, mabadiliko katika vitengo viwili yanawakilisha mabadiliko katika [H +] kwa sababu ya 100. Hivyo, mabadiliko madogo katika pH yanawakilisha mabadiliko makubwa katika [H +].

    maelezo ya chini

    1. 1 Schrijver, Karel, na Iris Schrijver. Kuishi na Nyota: Jinsi Mwili wa Binadamu unavyounganishwa na Mzunguko wa Maisha ya Dunia, Sayari, na Nyota. Oxford University Press, Marekani, 2015.
    2. Utawala wa Taifa wa Bahari na Anga, “Isotopu imara na Radiocarbon ya Dioksidi kaboni Ukurasa wa wavuti. Ilipatikana Februari 19, 2016 [http://www.esrl.noaa.gov/gmd/outreac...hemistry.html]
    3. 3 ibid.
    4. 4 ibid.