Какие органические вещества содержатся в живых организмах
Метан, CH4; одно из простейших органических веществ
Органи́ческие соединения, органические вещества́ — вещества, относящиеся к углеводородам или их производным, то есть это класс химических соединений, объединяющий почти все химические соединения, в состав которых входит углерод[1] (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, некоторых оксидов углерода, роданидов, цианидов).
Органические соединения редки в земной коре, но обладают большой важностью, потому что все известные формы жизни основаны на органических соединениях. Такие вещества часто включены в дальнейший круговорот жизни, как например органические вещества почвы (к слову, годовая продукция биосферы составляет 380 млрд.т)[2]. Основные дистилляты нефти считаются строительными блоками органических соединений[3]. Органические соединения, кроме углерода (C), чаще всего содержат водород (H), кислород (O), азот (N), значительно реже — серу (S), фосфор (P), галогены (F, Cl, Br, I), бор (B) и некоторые металлы (порознь или в различных комбинациях)[4].
История[править | править код]
Название органические вещества появилось на ранней стадии развития химии во времена господства виталистических воззрений, продолжавших традицию Аристотеля и Плиния Старшего о разделении мира на живое и неживое. В 1807 году шведский химик Якоб Берцелиус предложил назвать вещества, получаемые из организмов, органическими, а науку, изучающую их, — органической химией. Считалось, что для синтеза органических веществ необходима особая «жизненная сила» (лат. vis vitalis), присущая только живому, и поэтому синтез органических веществ из неорганических невозможен. Это представление было опровергнуто Фридрихом Вёлером, учеником Берцелиуса, в 1829 году путём синтеза «органической» мочевины из «минерального» цианата аммония, однако деление веществ на органические и неорганические сохранилось в химической терминологии и по сей день.
Количество известных органических соединений составляет почти 27 млн.
Таким образом, органические соединения — самый обширный класс химических соединений. Многообразие органических соединений связано с уникальным свойством углерода образовывать цепочки из атомов, что в свою очередь обусловлено высокой стабильностью (то есть энергией) углерод-углеродной связи. Связь углерод-углерод может быть как одинарной, так и кратной — двойной, тройной. При увеличении кратности углерод-углеродной связи возрастает её энергия, то есть стабильность, а длина уменьшается. Высокая валентность углерода — 4, а также возможность образовывать кратные связи, позволяет образовывать структуры различной размерности (линейные, плоские, объёмные).
Классификация[править | править код]
Основные классы органических соединений биологического происхождения — белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты — содержат, помимо углерода, преимущественно водород, азот, кислород, серу и фосфор. Именно поэтому «классические» органические соединения содержат прежде всего водород, кислород, азот и серу — несмотря на то, что элементами, составляющими органические соединения, помимо углерода могут быть практически любые элементы.
Соединения углерода с другими элементами составляют особый класс органических соединений — элементоорганические соединения. Металлоорганические соединения содержат связь металл-углерод и составляют обширный подкласс элементоорганических соединений.
Характерные свойства[править | править код]
Существует несколько важных свойств, которые выделяют органические соединения в отдельный, ни на что не похожий класс химических соединений.
- Органические соединения обычно представляют собой газы, жидкости или легкоплавкие твёрдые вещества, в отличие от неорганических соединений, которые в большинстве своём представляют собой твёрдые вещества с высокой температурой плавления.
- Органические соединения большей частью построены ковалентно, а неорганические соединения — ионно.
- Различная топология образования связей между атомами, образующими органические соединения (прежде всего, атомами углерода), приводит к появлению изомеров — соединений, имеющих один и тот же состав и молекулярную массу, но обладающих различными физико-химическими свойствами. Данное явление носит название изомерии.
- Явление гомологии — существование рядов органических соединений, в которых формула любых двух соседей ряда (гомологов) отличается на одну и ту же группу — гомологическую разницу CH2. Целый ряд физико-химических свойств в первом приближении изменяется симбатно (мера схожести зависимостей в математическом анализе) по ходу гомологического ряда. Это важное свойство используется в материаловедении при поиске веществ с заранее заданными свойствами.
- Горючесть. [источник не указан 1437 дней]
Номенклатура[править | править код]
Органическая номенклатура — это система классификации и наименований органических веществ.
В настоящее время распространена номенклатура ИЮПАК.
Классификация органических соединений построена на важном принципе, согласно которому физические и химические свойства органического соединения в первом приближении определяются двумя основными критериями — строением углеродного скелета соединения и его функциональными группами.
В зависимости от природы углеродного скелета органические соединения можно разделить на ациклические и циклические. Среди ациклических соединений различают предельные и непредельные. Циклические соединения разделяются на карбоциклические (алициклические и ароматические) и гетероциклические.
- Органические соединения
- Углеводороды
- Ациклические соединения
- Предельные углеводороды (алканы)
- Непредельные углеводороды
- Алкены
- Алкины
- Алкадиены (диеновые углеводороды)
- Циклические углеводороды
- Карбоциклические соединения
- Алициклические соединения
- Ароматические соединения
- Гетероциклические соединения
- Карбоциклические соединения
- Ациклические соединения
- Функциональные производные углеводородов:
- Спирты, Фенолы
- Простые эфиры
- Альдегиды, Кетоны
- Карбоновые кислоты
- Сложные эфиры
- Жиры
- Углеводы
- Моносахариды
- Олигосахариды
- Полисахариды
- Мукополисахариды
- Амины
- Аминокислоты
- Белки
- Нуклеиновые кислоты
- Углеводороды
Алифатические соединения[править | править код]
Алифатические соединения — органические вещества, не содержащие в структуре ароматических систем.
Углеводороды — Алканы — Алкены — Диены или Алкадиены — Алкины — Галогенуглеводороды — Спирты — Тиолы — Простые эфиры — Альдегиды — Кетоны — Карбоновые кислоты — Сложные эфиры — Углеводы или сахара — Нафтены — Амиды — Амины — Липиды — Нитрилы
Ароматические соединения[править | править код]
Ароматические соединения, или арены, — органические вещества, в структуру которых входит одна (или более) ароматическая циклическая система (см. Ароматизация).
Бензол-Толуол-Ксилол-Анилин-Фенол-Ацетофенон-Бензонитрил-
Галогенарены-Нафталин-Антрацен-Фенантрен-Бензпирен-Коронен-Азулен-Бифенил-Ионол.
Гетероциклические соединения[править | править код]
Гетероциклические соединения — вещества, в молекулярной структуре которых присутствует хотя бы один цикл с одним (или несколькими) гетероатомом.
Пиррол-Тиофен-Фуран-Пиридин
Полимеры[править | править код]
Полимеры представляют собой особый вид веществ, также известный как высокомолекулярные соединения. В их структуру обычно входят многочисленные сегменты (соединения) меньшего размера. Эти сегменты могут быть идентичны, и тогда речь идёт о гомополимере. Полимеры относятся к макромолекулам — классу веществ, состоящих из молекул очень большого размера и массы.
Полимеры могут быть органическими (полиэтилен, полипропилен, плексиглас и т. д.) или неорганическими (силикон); синтетическими (поливинилхлорид) или природными (целлюлоза, крахмал).
Структурный анализ[править | править код]
В настоящее время существует несколько методов характеристики органических соединений:
- Кристаллография (рентгеноструктурный анализ) — наиболее точный метод, требующий, однако, наличия высококачественного кристалла достаточного размера для получения высокого разрешения. Поэтому пока этот метод не используется слишком часто.
- Элементный анализ — деструктивный метод, использующийся для количественного определения содержания элементов в молекуле вещества.
- Инфракрасная спектроскопия (ИК): используется главным образом для доказательства наличия (или отсутствия) определённых функциональных групп.
- Масс-спектрометрия: используется для определения молекулярных масс веществ и способов их фрагментации.
- Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ЯМР.
- Ультрафиолетовая спектроскопия (УФ): используется для определения степени сопряжения в системе.
См. также[править | править код]
- Неорганические вещества
- Органическая химия
Примечания[править | править код]
Источник
Урок биологии в 5 классе, УМК Т.С. Суховой, В.И. Строганова
«Какие органические и неорганические вещества содержат живые организмы»
Тип урока: урок «открытие», нового знания.
Цель урока: сформировать понятие об органических и неорганических веществах, необходимых для жизнедеятельности организма; развивать умения анализировать содержание демонстрационных опытов, определять цель, ход и результат каждого опыта, формулировать выводы, применять полученные опытным путём результаты в повседневной жизни, работать с рисунком как источником информации.
Планируемый результат ( для учащихся): познакомиться с важнейшими веществами, содержащимися в живых организмах: белках, жирах, углеводах, изучить источники поступления органических веществ и минеральных солей для живых организмов.
Оборудование:
презентация ;
для опыта: клубень картофеля, семянка подсолнечника, фильтровальная бумага, марлевый мешочек с мукой, раствор йода, стакан с водой.
Формирование УУД
I. Актуализация знаний и фиксирование индивидуального затруднения:
Орг. Момент (приветствие, проверка готовности к уроку).
Показывается слайд №1 ( иллюстрация опыта горения органического вещества (сахара) и неорганического вещества (поваренной соли) данная тема изучалась на предыдущем занятии).
Учитель. Какой метод познания природы показан?
Учащиеся. Эксперимент (опыт)
Учитель. Опишите в чем суть данного опыта?
Учащиеся. Опыт демонстрирует различные свойства органических и неорганических веществ.
Учитель. Какой вывод можно сделать, исходя из результата опыта?
Учащиеся. Органические вещества при нагревании обугливаются, а неорганические не изменяются. Органические вещества образуются в живых организмах, неорганические поступают в организм из окружающей среды.
Учитель. А можете ли вы перечислить какие именно органические и неорганические вещества входят в состав живого организма?
Учащиеся. (затрудняются ответить)
Познавательные УУД
1) формируем умение на основе анализа объектов делать выводы;
2) формируем умение обобщать и квалифицировать по признакам.
Регулятивные УУД
1) формируем умение проговари вать последовательность действий.
Коммуникативные УУД
1) формируем умение слушать и понимать речь других.
II. Мотивирование к учебной деятельности:
Учитель. Как вы думаете, какова тема урока сегодня?
Учащиеся. Состав живых организмов
Учитель. Тема урока : «Какие органические и неорганические вещества содержат живые организмы»
Познавательные УУД
1) формируем умение на основе анализа объектов делать выводы;
2) формируем умение высказывать свое предположение на основе жизненного опыта.
Регулятивные УУД
1) формируем умение прогнозировать
предстоящую работу.
2) формируем умение определять и формулировать тему урока.
Коммуникативные УУД
1) формируем умение слушать и понимать речь других;
2) формируем умение строить речевое высказывание в соответствии с поставленными задачами.
III. Построение проекта выхода из затруднения (цель и тема, способ, план, средство)
Учитель. Представьте, что вы –исследователи природы , перед вами задача – выявить химический состав живого организма. С чего вы начнете?
Учащиеся. Выдвигают различные гипотезы, предлагают методы исследования.
Познавательные УУД
1) формируем умение ориентироваться в своей системе знаний: отличать новое от уже известного;
2) формируем умение выявлять сущность, особенности объектов.
Регулятивные УУД
1) формируем умение прогнозировать предстоящую работу.
Коммуникативные УУД
1) формируем умение оформлять мысли в устной форме.
IV. Реализация построения проекта
Слайд7 ( рисунок подсолнечника)
Учитель. Как называется данное растение? С какой целью человек выращивает его?
Учащиеся. Подсолнечник выращивают для получения растительного масла.
Учитель. Предлагает провести исследование. Взять фильтровальную бумагу и раздавить семя подсолнечника на нем.
Учитель. Что мы видим на бумаге?
Учащиеся. На бумаге появилось жирное пятно.
Учитель. Какой вывод можно сделать на основании данного опыта?
Учащиеся. В состав живого организма входит жир (записываем вывод в рабочую тетрадь)
Слайд 9 (рисунок сахарной свеклы и сахарного тростника)
Учитель. Какие растения показаны на рисунке? С какой целью их выращивают?
Учащиеся. Из данных растений получают сахар.
Учитель. Как древние люди обнаружили сахар в этих растениях?
Учащиеся. Они поняли это по сладкому вкусу.
Учитель. Как обнаружить сахар в растениях? Например, в плодах?
Учащиеся. Попробовать их на вкус, если сладкие, значит, содержат сахар в своем составе.
Учитель. А можно ли обнаружить сахар опытным путем?
Учащиеся затрудняются.
Учитель. При взаимодействии крахмала (сахаром, содержащимся в растениях) и йода образуется стойкое синее окрашивание раствора. Проведем опыт. Муку (получили из зерен пшеницы, т.е. живого организма) насыпем в марлевый мешочек и промоем в воде, затем добавим раствор йода. Что наблюдаем?
Учащиеся. Сначала мутно-белый раствор приобрел синий цвет.
Учитель. Какое вещество содержалось в муке, а потом в растворе?
Учащиеся. Крахмал.
Учитель. Какой вывод мы должны сделать?
Учащиеся. В состав живых организмов входит сахар (углевод ). Записываем вывод в тетрадь.
Учитель. В мешочке осталось какое-то вещество, оно не растворилось в воде. Если его помять в руках, то можно убедиться в том, что оно липкое, пластичное. Это клейковина. Как вы думаете, почему так назвали это вещество?
Учащиеся. Потому, что оно клейкое.
Учитель. Верно. Клейковина-это белок. Какой вывод можно сделать?
Учащиеся. В состав живого организма входит белок.
Учитель. А теперь проведем еще один опыт. Поместим кусочек сырого картофеля в фильтровальную бумагу. Что мы видим на бумаге?
Учащиеся. Пятно.
Учитель. Чем образовано пятно? Это жир?
Учащиеся. Нет, это пятно от сока, который выделил картофель.
Учитель. Что входит в состав сока? Почему он жидкий?
Учащиеся. В состав сока входит вода.
Учитель. А к какой группе веществ относится вода?
Учащиеся. Вода относится к неорганическим веществам.
Учитель. Какой вывод можно сделать, исходя из опыта?
Учащиеся. В состав организма входит вода.
Учитель. Кроме воды в организм вместе с пищей поступают минеральные соли. Докажите, что это так.
Учащиеся. Пищу солят поваренной солью, а соль относится к группе минеральных солей. Это неорганическое вещество.
ФИЗКУЛЬМИНУТКА
Познавательные УУД
1) формируем умение ориентироваться в своей системе знаний: отличать новое от уже известного.
Регулятивные УУД
1) формируем умение прогнозировать предстоящую работу.
Коммуникативные УУД
1) формируем умение строить речевое высказывание в соответствии с поставленными задачами.
2) формируем умение работать в паре.
V. Первичное закрепление с проговариванием во внешней речи
(На данном этапе учащиеся в форме коммуникации (фронтально, в группах, в парах) решают типовые.)
Учитель. Попробуйте в парах составить по 1 вопросу к той информации, которую вы услышали на уроке, а также к рис. на стр.15 учебника об источниках поступления веществ в организм.
Задайте свой вопрос другим учащимся класса. (работа в парах)
Познавательные УУД
1) формируем умение добывать новые знания: находить ответы на вопросы;
2)формируем умение извлекать информацию из схем, иллюстраций, текстов;
Регулятивные УУД
1) формируем умение проговаривать последовательность действий.
Коммуникативные УУД
1) формируем умение слушать и понимать речь других.
VI. Самостоятельная работа с самопроверкой по эталону.
(Учащиеся самостоятельно выполняют задания нового типа и осуществляют их самопроверку)
Работа с текстом. Найдите ошибки в тексте:
Письмо Незнайки
Я начал изучать очень интересную науку о живых организмах – географию. Сегодня я узнал, что оказывается все организмы имеют в своем составе сложные вещества. Они бывают неорганическими и органическими. Органические вещества можно встретить повсюду. Сахар, который добавляют в конфеты, добывают прямо из недр Земли, в шахтах. Соль добывают рядом с сахарными шахтами, в соляных копях. Раз соль входит в состав живого организма -это органическое вещество! Вода – тоже органическое вещество, вот я ел виноград сегодня, он сочный оттого, что в составе его вода. Я убедился, что вода – вещество органическое. Я думаю, что я хорошо уже изучил географию, пора мне приступать к изучению химии, я сделаю много открытий и прославлюсь как величайший ученый!
Познавательные УУД
1) формируем умение на основе анализа объектов делать выводы;
2) формируем умение извлекать информацию из текста.
Регулятивные УУД
1) формируем умение осуществлять познавательную и личностную рефлексию.
Коммуникативные УУД
1) формируем умение слушать и понимать речь других.
VII.
Рефлексия учебной деятельности на уроке.
Организуется рефлексия и самооценка учениками собственной учебной деятельности
Учитель. Итак, ребята, какой вы можете сделать вывод по теме урока?
Учащиеся. Живые организмы состоят из органических (жиры, белки, углеводы) и неорганических веществ (вода, минеральные соли).
Учитель. Что интересного было на уроке? Что больше всего понравилось?
Самооценка своей деятельности на уроке
Учитель. Как полученная на уроке информация может вам пригодиться в жизни?
Познавательные УУД
1) формируем умение на основе анализа объектов делать выводы.
Коммуникативные УУД
1)формируем умение слушать и понимать речь других.
Личностные УУД
1) формирование способности к самооценке на основе критерия успешной учебной деятельности.
Коммуникативные УУД
1) формируем умение строить речевое высказывание в соответствии с поставленными задачами.
VIII. Домаш
нее задание.
Стр.14 выполнить задание (заполнить таблицу)
Подумать над вопросом: «Почему пища человека должна быть разнообразной?»
Источник
Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические, а также находятся в свободном состоянии — в виде ионов. Все 94 элемента естественного происхождения имеют разное число протонов, расположение и количество электронов. Когда в XIX в. Дмитрий Менделеев выстроил их в таблицу согласно номерам, он открыл одну из величайших закономерностей естествознания: элементы демонстрируют химические свойства, которые по повторяемости можно объединить в 8 групп. Эта закономерная картина дала таблице своё название: Периодическая таблица химических элементов.
Периодическая таблица отображает химические элементы согласно атомному номеру и их свойству
Периодичность элементов, найденная Менделеевым, основана на взаимодействии электронов разных атомов на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, и их контакты являются основой химических реакций. Для большинства атомов, важных для жизни, внешний энергетический уровень может содержать не более 8 электронов. Химическое поведение элемента зависит от того, сколько из его восьми позиций заполнено.
Элементы, обладающие всеми восьмью электронами внешнего энергетического уровня (у гелия 2) являются инертными, т. е. нереактивными. К ним относятся: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar) и другие благородные газы. Напротив, элементы с семью электронами внешнего энергетического уровня, такие как фтор (F), хлор (Cl) и бром (Br) реактивны. Как правило, они получают дополнительные электроны, необходимые для заполнения энергетического уровня.
Другие элементы с одним электроном в их внешнем энергетическом уровне: литий (Li), натрий (Na) и калий (K) имеют тенденцию к потере одного своего электрона.
Строение атома лития
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0
Таким образом, Периодическая таблица Менделеева демонстрирует правило октета, или правило восьми (лат. Octo – «восемь»): атомы стремятся полностью восстановить свои внешние энергетические уровни, дополнить количество электронов на них до 8.
Химические элементы в составе живых организмов
Отгадайте, о составе какого объекта идёт речь?
- 43 кг кислорода,
- 18 кг углерода,
- 7 кг водорода,
- 1,8 кг азота,
- 0,780 кг фосфора,
- 0,0042 кг железа
- и ещё около 20 химических элементов.
Это состав человека среднего размера и веса. В отличие от неживой природы в живых существах химические элементы организованы в клетки.
Химический состав:
1 — земной коры,
2 — живых организмов
В земной коре преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. В основе живых организмов находятся 4 элемента: кислород, углерод, водород, азот. Все элементы кроме кислорода, преобладающие в живых организмах, составляют незначительную долю массы земной коры.
Основные химические элементы в живых организмах — это:
- углерод – C,
- водород – H,
- кислород – O,
- азот – N,
- фосфор – P,
- сера – S,
- натрий – Na,
- калий – K,
- кальций – Ca,
- магний – Mg,
- железо – Fe,
- хлор – Cl.
Их доля в живых организмах может составлять 0,01% и выше. Все они имеют атомные номера меньше 21, так как их атомная масса низка. Первые 4 элемента: углерод, водород, кислород и азот составляют 96,3% массы любого организма.
| Таб. 1. Химические элементы в живых организмах | |||
| Органогенные (биоэлементы), или макронутриенты | Макроэлементы | Микроэлементы (от 0,001 % до 0,000001 % массы тела) | Ультрамикроэлементы (менее 0,000001 %) |
| Кислород — 65 %; Углерод — 18 %; Водород — 10 %; Азот — 3 %. | Кальций (Са) – 0,04-2,00 Фосфор (Р) – 0,2-1,0 Калий (К) – 0,15-0,4 Сера (S) – 0,15-0,2 Хлор (Cl) – 0,05-0,1 Натрий (Na) – 0,02-0,Ц03 Магний (Mg) – 0,02-0,03 Железо (Fe) – 0,01 | Кремний (Ci) – 0,001(для растений – микроэлемент) Цинк (Zn) – 0,0003 Медь (Cu) – 0,0002 Фтор (F) – 0,0001 Йод (I) – 0,0001 Марганец (Mn) – менее 0,0001 Кобальт (Co) – менее 0,0001 Молибден (Мо) – менее 0,0001 | Золото Серебро Ртуть Селен Мышьяк Платина Цезий Бериллий Радий Уран |
Большинство молекул (кроме воды), из которых состоит наше тело, представляют собой соединения углерода, называемые органическими веществами. Органические вещества в основном и состоят из этих первых четырёх макроэлементов, чем и объясняется их распространённость в живых системах.
Некоторые микроэлементы, такие как цинк (Zn) и йод (I), хотя и присутствуют в крошечных количествах, играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Дефицит йода, например, может привести к увеличению щитовидной железы, образованию так называемого зоба.
Таб.2. Роль химических элементов в клетке
| Название химического элемента | Описание роли элемента в клетке | |
| 1 | Кислород (О) | Входит в состав органических молекул и воды, обеспечивает реакцию окисления, в процессе которой выделяется нужная организму энергия |
| 2 | Углерод (С) | Составляет основу всех органических соединений |
| 3 | Водород (Н) | Является составной частью всех органических веществ и молекул воды |
| 4 | Азот (N) | Входит в молекулы белков, нуклеиновых кислот, АТФ |
| 5 | Кальций (Са) | Является составной частью клеточной стенки растений. У животных входит в состав костной ткани, эмали зубов, участвует в свёртывании крови и сокращении мышц |
| 6 | Фосфор (Р) | Нужен для формирования зубной эмали и костной ткани. Входит в состав органических молекул, таких как ДНК, РНК, АТФ |
| 7 | Калий (К) | В качестве катиона участвует в создании биоэлектрического потенциала, регулируя работу клеточной мембраны. Влияет на работу сердца, участвует в процессе фотосинтеза |
| 8 | Сера (S) | Есть в составе некоторых белков и аминокислот |
| 9 | Хлор (Cl) | Является основным анионом организма животных. Находится в составе соляной кислоты желудка |
| 10 | Натрий (Na) | В качестве иона (катиона) участвует в создании биоэлектрического потенциала мембран клеток, в синтезе гормонов и регуляции сердечного ритма |
| 11 | Магний (Mg) | Входит в состав зубной эмали, костной ткани, некоторых ферментов и хлорофилла |
| 12 | Железо (Fe) | Необходимый компонент гемоглобина и миоглобина, входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах фотосинтеза и клеточного дыхания |
| 13 | Кремний (Si) | Компонент клеточной оболочки растений. Принимает участие в образовании коллагена, костной ткани |
| 14 | Цинк (Zn) | Участвует в синтезе гормонов у растений, находится в составе инсулина и некоторых ферментов |
| 15 | Медь (Cu) | Принимает участие в процессах синтеза гемоглобина, фотосинтеза, клеточного дыхания. Входит в состав дыхательных пигментов крови (гемоцианинов) и гемолимфы некоторых беспозвоночных |
| 16 | Фтор (F) | Необходим для формирования костной ткани и зубной эмали |
| 17 | Йод (I) | Необходимый компонент гормонов щитовидной железы |
| 18 | Марганец (Mn) | Делает более активными некоторые ферменты, входит в их состав, принимает участие в формировании костной ткани и в процессе фотосинтеза |
| 19 | Кобальт (Со) | Принимает участие в процессе образования клеток крови, находится в составе витамина B12 |
| 20 | Молибден (Mo) | Помогает клубеньковым бактериям связывать атмосферный азот |
Таб. 3. Основные ионы в клетках
| № | Название | |||
| Описание объекта | Изображение | Роль в клетке | ||
| 1 | Катионы | Положительно заряженные ионы. | ||
| 2 | Катионы калия и натрия | К+ Na+ | Основные катионы в организме животных. Они создают электрический потенциал клеточной мембраны, регулируют ритм сердечной деятельности. | |
| 3 | Катионы кальция | Ca2+ | Принимает участие в свёртывании крови, отвечает за сократимость мышц, входит в состав клеточной стенки растений. | |
| 4 | Катион магния | Mg2+ | Нужен растениям для осуществления фотосинтеза, так как он входит в состав хлорофилла. Является компонентом некоторых ферментов, есть в костной ткани и эмали зубов. | |
| 5 | Катионы водорода | Н+ | Отвечают за кислотность и основность внутренней среды организма (pH). | |
| 6 | Анионы | Отрицательно заряженные ионы | ||
| 7 | Анионы хлора | Сl— | Хлор – основной анион клетки животных, принимает участие в создании электрического потенциала клеточной мембраны. Присутствует в составе соляной кислоты желудочного сока. | |
| 8 | ОН— | Выполняет ту же роль что и катион водорода | ||
Как соединяются химические элементы в живых организмах?
Группа атомов, удерживаемых энергией в устойчивой ассоциации, называется молекулой или кристаллом. При изучении веществ в живых организмах нам будут встречаться следующие типы химических связей:
- ионные – когда притягиваются атомы с противоположными зарядами;
- ковалентные – характеризующиеся обобщением (перекрытием) в облако пары валентных электронов от разных атомов;
- водородные – связи между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.
Ионные связи образуют кристаллы
В обычной поваренной соли – хлориде натрия (NaCl) – атомы удерживаются ионными связями, образуя решётку. Натрий имеет 11 электронов: 2 во внутреннем энергетическом уровне (К), 8 на уровне L и 1 на внешнем уровне М (валентность). Одиночный неспаренный валентный электрон имеет тенденцию к соединению с другим непарным электроном в другом атоме.
Стабильная конфигурация достигается за счёт потери электрона одним атомом и приобретения его другим. Натрий, теряя электрон, становится положительно заряженным ионом – катионом (Na+).
Минеральные соли в клетке накапливаются в виде кристаллов.
У атома хлора 17 электронов: 2 в уровне К, 8 в уровне L и 7 на М-уровне. Одна из орбиталей на внешнем энергетическом уровне содержит неспаренный электрон. Добавление электрона от другого атома превращает атом хлора в отрицательно заряженный хлорид-ион (Cl-). Так как противоположные заряды притягиваются, натрий и хлор остаются связанными нейтральным ионным соединением.
Кристаллическая решётка хлорида натрия. Голубой цвет = Na+ Зелёный цвет = Cl−
Автор: H Padleckas
Если кристаллическую решётку соли поместить в воду, электрическое притяжение молекул воды разрушает силы, удерживающие ионные связи. Раствор соли в воде представляет собой смесь свободных катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl-).
Так как живые системы всегда содержат воду, то ионы для них важнее кристаллов. Многие химические элементы в живых организмах находятся в виде ионов. Необходимые в клеточных системах ионы – это:
- Ca2+, обеспечивающий передачу клеточных сигналов;
- K + и Na +, участвующие в проведении нервных импульсов.
Если совместить металлический натрий и газообразный хлор, реакция образования хлорида натрия будет экзотермической – быстрой и с выделением тепла.
Ковалентные связи соединяют химические элементы в живых организмах и создают стабильные молекулы
Ковалентные связи образуются, когда два атома делят одну или несколько пар валентных электронов. В качестве примера рассмотрим газообразный водород (H2). Каждый атом водорода имеет неспаренный электрон, а значит и незаполненный внешний уровень. По этой причине атом водорода нестабилен. Когда два атома водорода образуют тесную связь, оба валентных электрона притягиваются к их ядрам. Они как бы делят между собой электроны, в результате чего получается двухатомная молекула газообразного водорода.
Ковалентная связь, формирующая молекулу водорода H2 (справа), где два атома водорода перекрывают два электрона
Автор: Jacek FH, CC BY-SA 3.0
Молекула, образованная двумя атомами водорода, стабильна по трём причинам:
- Она нейтральна, так как содержит 2 протона и 2 электрона.
- Правило октета в ней выполнено. Каждый общий электрон атомов вращается вокруг обоих ядер.
- У них нет неспаренных электронов.
Многие химические элементы в живых организмах образуют ковалентные связи.
Прочность ковалентных связей
Прочность ковалентных связей зависит от количества их общих электронов. В прошлом пункте мы рассматривали одинарную связь, двойная же связь объединяет 2 пары электронов, она более крепкая. Чтобы разорвать её, требуется больше энергии. Самые сильные ковалентные связи – тройные, такие которые объединяют два атома в молекулу газообразного азота (N2).
Ковалентные связи в химических формулах показывают линиями. Каждая линия между атомами представляет собой совместное использование одной пары электронов. Структурная формула газообразного водорода H–H, кислорода O=O, а их молекулярные формулы H2 и O2. Структурный характер формулы для N2 N ≡ N.
Молекулы с несколькими ковалентными связями
Огромное количество биологических соединений состоит более чем из двух атомов. Атом, который требует двух, трёх или четырёх дополнительных электронов для заполнения внешнего уровня, может приобрести их путём обмена с двумя и более атомами.
Например, атом углерода (С) содержит шесть электронов, четыре из них находятся на его внешнем энергетическом уровне и не имеют пары. Чтобы удовлетворить правилу октета, атом углерода должен образовать 4 ковалентных связи. Так как эти 4 скрепления могут производиться разными путями, углерод образует множество молекул, например: СО2 (углекислый газ), СН4 (метан), С2Н5ОН (этанол).
Модель атома углерода
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0
Полярные и неполярные ковалентные связи
Атомы отличаются количеством электронов, это свойство называется