Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 86)
Таблица П.1.1. Положение в атоме, масса и заряд протонов, нейтронов и электронов
Нейтрон состоит из одного протона и одного электрона, поэтому он электрически нейтрален, т. е. его заряд равен нулю.
Атом электрически нейтрален, потому что число протонов в его ядре равно числу электронов, движущихся вокруг ядра.
Число протонов в ядре атома называется атомным номером данного элемента. Он также равен числу электронов этого атома. Сумма числа протонов и числа нейтронов данного атома называется его массовым числом.
Атомы одного и того же элемента существуют в разных формах, называемых изотопами, которые отличаются друг от друга массовым числом (разд. П.1.3). Атомной массой называют среднюю массу данного атома; обычно под этим понимается средняя величина для природной смеси его изотопов. Хлор, например, представляет собой смесь изотопов с массовыми числами 35 и 37; соотношение этих изотопов таково, что у встречающегося в природе хлора атомная масса равна 35,5.
В настоящее время известно свыше 100 элементов. Их можно расположить в порядке возрастания атомных номеров, как это сделано в табл. П.1.2. Электроны размещаются вокруг ядра, заполняя ряд электронных оболочек (табл. П.1.2). В первой электронной оболочке (ближайшей к ядру и потому наименьшей) могут удерживаться два электрона, во второй — до восьми, в третьей — до 18 и в четвертой — до 32.
Таблица П.1.2. Первые 20 элементов (в порядке возрастания атомных номеров)[34]
У более крупных атомов число электронных оболочек больше четырех, но мы здесь о них говорить не будем. На рис. П.1.1 представлено размещение электронов в электронных оболочках первых 12 элементов.
Рис. П.1.1. Размещение электронов в электронных оболочках первых 12 элементов. (Ядро показано только у атома водорода.)
Любой элемент, у которого внешняя электронная оболочка заполнена целиком, практически нереакционноспособен. По этой причине гелий и неон (табл. П.1.2) настолько инертны, что крайне редко вступают в соединение с другими атомами. Поэтому их называют благородными газами.
Все прочие элементы стремятся заполнить свои электронные оболочки, вступая в реакцию с другими элементами. Когда два атома реагируют друг с другом, образуя соединение, между ними может возникнуть либо ионная, либо ковалентная связь.
П.1.1.2. Ионные связи
При возникновении ионных связей электроны передаются от одного атома к другому. Рассмотрим реакцию между натрием и хлором (рис. П.1.2, А). Атом натрия, теряя электрон, получает положительный заряд +1 (его ядро, содержащее 11 положительно заряженных протонов, окружено теперь 10 отрицательно заряженными электронами). Атом хлора, приобретая электрон, получает отрицательный заряд -1. У обоих атомов внешние электронные оболочки оказываются заполненными и, следовательно, стабильными.
Рис. П.1.2. А Образование хлорида натрия. Б. Образование хлорида кальция. В. Образование молекул хлора (два одинаковых атома связаны ковалентной связью). Г. Формула метана. Д. Формула этена. Для наглядности электроны, принадлежащие разным атомам, обозначены разными значками (крестиком, черными и белыми кружками). В действительности все электроны одинаковы. На рис. В, Г и Д показаны только внешние электронные оболочки
Такие заряженные частицы уже не являются настоящими атомами. Их называют ионами. Ион натрия обозначают Na+, а ион хлора (хлорид-ион) — С1-. Положительно заряженные ионы называются катионами, а отрицательно заряженные — анионами. Соединение, образовавшееся в результате реакции между натрием и хлором, называют хлоридом натрия (формула: NaCl), но молекул NaCl не существует. Вместо молекул кристаллическая решетка хлорида натрия состоит из ионов натрия и хлорид-ионов в равных соотношениях (ионная формула: Na+Cl-). Подобные соединения, образовавшиеся в результате переноса электронов, называются ионными соединениями. Образуются они главным образом тогда, когда металлы реагируют с неметаллами. Металл образует катион, а неметалл-анион. Все соли представляют собой ионные соединения.
Другим типичным примером ионного соединения может служить хлорид кальция (СаС12) (рис. П.1.2, Б). В этом случае атом кальция теряет два электрона, а каждый атом хлора приобретает по одному. Ион кальция обозначают поэтому Са++ или Са2+.
Число передаваемых электронов (которые теряются или приобретаются) характеризует валентность атома, т. е. его способность к образованию химических связей. Из сказанного выше видно, что натрий и хлор одновалентны, а кальций — двухвалентен. Таким образом, число, стоящее в символе иона перед знаком "плюс" или "минус", указывает его валентность; например, валентность иона калия и иона гидроксила (К+ и ОН-) равна 1, валентность иона магния и сульфат — иона (Mg2+ и SO42-) равна 2, а валентность иона алюминия (А13+) равна 3.
Ионные формулы
Ионные соединения существуют не в молекулярной, а в ионной форме. Ионная формула показывает соотношение, в котором элементы входят в данное соединение; например, ионная формула оксида алюминия, А12О3, означает, что ионы А13+ и О2- входят в это соединение в соотношении 2:3. Если ион состоит из нескольких атомов, как, например, сульфат-ион (SO42-), и если таких ионов в соединении несколько, то в ионной формуле используются скобки, например A12(SО4)3; в ионной формуле Na2SО4 скобки не нужны, поскольку в этом соединении присутствует только один сульфат-ион.
П.1.1.3. Ковалентные связи
При возникновении связей этого типа атомы, участвующие в их образовании, не отдают и не принимают электронов; вместо этого электроны оказываются поделенными (обобществленными) между двумя атомами. Представим себе два атома хлора. У каждого из них во внешней электронной оболочке имеется семь электронов (электронная конфигурация 2. 8. 7). При ковалентном связывании каждый из двух атомов хлора привносит в обобществленную пару электронов по одному электрону: образуется молекула хлора — С12. Таким путем оба атома приобретают электронную конфигурацию, приближающуюся к конфигурации благородного газа, и вместо ионов образуются молекулы (рис. П.1.2, В). Поделенную пару электронов принято обозначать как одинарную связь: С-С. Хлор одновалентен (т. е. обобществляет один из своих электронов). Другой пример — метан, СН4. Атомный номер углерода 6 и в его внешней электронной оболочке имеются 4 электрона (2. 4); водород (атомный номер — 1) имеет во внешней электронной оболочке только один электрон (рис. П.1.2, Г).
В молекуле этена (этилена), С2Н4, между углеродными атомами поделены две пары электронов и эти две пары представлены двойной связью (рис. П.1.2, Д). В некоторых соединениях, в частности в этине (ацетилене), С2Н2, имеется тройная связь, указывающая на три пары обобществленных электронов.
Ковалентные соединения встречаются в биологических системах гораздо чаще, чем ионные.
В табл. П.1.3 указаны валентности некоторых широко распространенных элементов и заряды часто встречающихся ионов.
Таблица П.1.3. Валентность некоторых элементов и заряды некоторых ионов. А. Валентность некоторых элементов
Таблица П.1.3. Валентность некоторых элементов и заряды некоторых ионов. Б. Заряды некоторых ионов, состоящих из одного элемента
Таблица П.1.3. Валентность некоторых элементов и заряды некоторых ионов. В. Заряды некоторых ионов, состоящих из нескольких элементов
Формулы ковалентных соединений
Формулы простых ковалентных соединений указывают число атомов каждого типа, присутствующих в данной молекуле; так, формула СО2 (диоксида углерода) показывает, что в этой молекуле один атом углерода соединен с двумя атомами кислорода.
П.1.1.4. Химические уравнения
В химическом уравнении не только формулы всех веществ, участвующих в реакции, должны быть записаны правильно, но уравнение должно быть еще и сбалансировано, т. е. на правой и на левой его стороне число атомов каждого элемента должно быть одинаковым.
1. Запишите уравнение словами, например: Метан + Кислород → Диоксид углерода + Вода
2. Замените слова формулами этих соединений: СН4 + О2 → СО2 + Н2О.
3. Проверьте, сбалансировано ли уравнение. Уравнение в п. 2 не сбалансировано, поскольку на правой стороне указано три атома кислорода, а на левой — только два; атомы водорода также не сбалансированы: четыре стоят слева и два — справа.
4. Сбалансируйте уравнение, проставив для этого перед соответствующими формулами требуемые цифры (напомним, что сами формулы менять нельзя): СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О. (2О2 означает две молекулы кислорода (4 атома кислорода); 2Н2О означает две молекулы воды (4 атома водорода, 2 атома кислорода).)
Ионные уравнения
Реакции с участием ионных соединений могут описываться просто ионными уравнениями. Рассмотрим следующую реакцию:
(Все три соединения — в водном растворе.) Уравнение можно записать таким образом, чтобы показать все присутствующие в системе ионы:
Исключив все ионы, показанные и слева, и справа (не участвующие в реакции), получим ионное уравнение:
Только эта реакция в данном случае и имела место.
П.1.1.5. Кислоты, основания, соли, рН и буферы
Атом водорода состоит из одного электрона и одного протона. Если электрон утрачивается, то остается один протон, так что протон можно рассматривать как ион водорода; обычно его обозначают Н+. Кислотой называется вещество, способное служить донором протонов; при диссоциации (диссоциация-разделение на ионы, из которых состоит данное вещество) кислота образует в качестве катиона Н+. В этой книге мы будем пользоваться определением, согласно которому кислота — это вещество, которое, диссоциируя в воде, дает в качестве катиона ионы Н+. Сильной кислотой (примером может служить соляная кислота, НСl) называется кислота, диссоциирующая почти полностью. Сильная кислота является, таким образом, более эффективным донором протонов, нежели слабая кислота, например уксусная или угольная, у которых лишь небольшая часть молекул диссоциирует с образованием ионов Н+: