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2.1: Materie - Biologie

2.1: Materie - Biologie


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Atome, Moleküle und Verbindungen

Auf seiner grundlegendsten Ebene besteht das Leben aus Gegenstand. Alle Materie besteht aus Elemente, Stoffe, die nicht chemisch abgebaut oder in andere Stoffe umgewandelt werden können. Jedes Element besteht aus Atomen mit einer konstanten Anzahl von Protonen und einzigartigen Eigenschaften. Insgesamt wurden 118 Elemente definiert; jedoch kommen nur 92 natürlich vor und weniger als 30 werden in lebenden Zellen gefunden. Die restlichen 26 Elemente sind instabil und existieren daher nicht sehr lange oder sind theoretisch und müssen noch entdeckt werden. Jedes Element wird durch sein chemisches Symbol (wie H, N, O, C und Na) bezeichnet und besitzt einzigartige Eigenschaften. Diese einzigartigen Eigenschaften ermöglichen es den Elementen, sich auf spezifische Weise zu kombinieren und miteinander zu verbinden.

Ein Atom ist die kleinste Komponente eines Elements, die alle chemischen Eigenschaften dieses Elements beibehält. Ein Wasserstoffatom hat zum Beispiel alle Eigenschaften des Elements Wasserstoff, da es bei Raumtemperatur als Gas vorliegt und sich mit Sauerstoff zu einem Wassermolekül verbindet. Wasserstoffatome können nicht in kleinere Teile zerlegt werden, während die Eigenschaften von Wasserstoff erhalten bleiben. Würde ein Wasserstoffatom in subatomare Teilchen zerlegt, hätte es nicht mehr die Eigenschaften von Wasserstoff. Auf der grundlegendsten Ebene bestehen alle Organismen aus einer Kombination von Elementen. Sie enthalten Atome, die sich zu Molekülen verbinden. In mehrzelligen Organismen wie Tieren können Moleküle interagieren, um Zellen zu bilden, die sich zu Geweben verbinden, die Organe bilden. Diese Kombinationen dauern an, bis ganze mehrzellige Organismen gebildet sind.

Alle Materie, sei es ein Gestein oder ein Organismus, besteht aus Atomen. Oft verbinden sich diese Atome zu Moleküle. Moleküle sind Chemikalien, die aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Atomen bestehen. Einige Moleküle sind sehr einfach, wie O2, das nur aus zwei Sauerstoffatomen besteht. Einige Moleküle, die von Organismen verwendet werden, wie die DNA, bestehen aus vielen Millionen Atomen. Alle Atome enthalten Protonen, Elektronen und Neutronen (Abbildung (PageIndex{1}) unten). Einzige Ausnahme ist Wasserstoff (H), der aus einem Proton und einem Elektron besteht. EIN Proton ist ein positiv geladenes Teilchen, das sich im Kern (dem Kern des Atoms) eines Atoms befindet und eine Masse von 1 und eine Ladung von +1 hat. Ein Elektron ist ein negativ geladenes Teilchen, das sich im Raum um den Kern herum bewegt. Mit anderen Worten, es befindet sich außerhalb des Kerns. Es hat eine vernachlässigbare Masse und eine Ladung von -1. Neutronen, befinden sich wie Protonen im Kern eines Atoms. Sie haben eine Masse von 1 und keine Ladung. Die positiven (Protonen) und negativen (Elektronen) Ladungen gleichen sich in einem neutralen Atom aus, das eine Nettoladung von Null hat.

Jedes Element enthält eine unterschiedliche Anzahl von Protonen und Neutronen, was ihm seine eigene Ordnungszahl und Massenzahl verleiht. Die Ordnungszahl eines Elements ist gleich der Anzahl der Protonen, die das Element enthält. Die Massenzahl ist die Anzahl der Protonen plus die Anzahl der Neutronen dieses Elements. Daher ist es möglich, die Neutronenzahl durch Subtrahieren der Ordnungszahl von der Massenzahl zu bestimmen.

Isotope sind verschiedene Formen desselben Elements, die die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben. Einige Elemente wie Kohlenstoff, Kalium und Uran haben natürlich vorkommende Isotope. Kohlenstoff 12, das häufigste Isotop von Kohlenstoff, enthält sechs Protonen und sechs Neutronen. Daher hat es eine Massenzahl von 12 (sechs Protonen und sechs Neutronen) und eine Ordnungszahl von 6 (was es zu Kohlenstoff macht). Kohlenstoff 14 enthält sechs Protonen und acht Neutronen. Daher hat es eine Massenzahl von 14 (sechs Protonen und acht Neutronen) und eine Ordnungszahl von 6, was bedeutet, dass es immer noch das Element Kohlenstoff ist. Diese beiden alternativen Kohlenstoffformen sind Isotope. Einige Isotope sind instabil und verlieren Protonen, andere subatomare Teilchen oder Energie, um stabilere Elemente zu bilden. Diese nennt man radioaktive Isotope oder Radioisotope.

EVOLUTION IN ACTION: Carbon Datierung

Kohlenstoff-14 (14C) ist ein natürlich vorkommendes Radioisotop, das durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre erzeugt wird. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, daher wird immer mehr 14C erstellt. Wenn sich ein lebender Organismus entwickelt, entspricht der relative Gehalt von 14C in seinem Körper der Konzentration von 14C in der Atmosphäre. Wenn ein Organismus stirbt, nimmt er kein 14C mehr auf, sodass das Verhältnis abnimmt. 14C zerfällt zu 14N durch einen Prozess namens Beta-Zerfall; es gibt bei diesem langsamen Prozess Energie ab. Nach etwa 5.730 Jahren wird nur die Hälfte der Ausgangskonzentration von 14C in 14N umgewandelt sein. Die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der ursprünglichen Konzentration eines Isotops in seine stabilere Form zerfällt, wird Halbwertszeit genannt.

Da die Halbwertszeit von 14C lang ist, wird es verwendet, um ehemals lebende Objekte wie Fossilien zu altern. Aus dem Verhältnis der in einem Objekt gefundenen 14C-Konzentration zu der in der Atmosphäre nachgewiesenen 14C-Konzentration kann die Menge des noch nicht zerfallenen Isotops bestimmt werden. Anhand dieser Menge lässt sich das Alter des Fossils auf etwa 50.000 Jahre berechnen (Abbildung (PageIndex{2}) unten). Isotope mit längeren Halbwertszeiten wie Kalium-40 werden verwendet, um das Alter älterer Fossilien zu berechnen. Mithilfe der Kohlenstoffdatierung können Wissenschaftler die Ökologie und Biogeographie von Organismen der letzten 50.000 Jahre rekonstruieren.

Chemische Bindungen

Wie Elemente miteinander wechselwirken, hängt von der Anzahl der Elektronen und ihrer Anordnung ab. Wenn ein Atom nicht die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen enthält, heißt es an Ion. Da die Anzahl der Elektronen nicht der Anzahl der Protonen entspricht, hat jedes Ion ein Netto aufladen. Wenn Natrium beispielsweise ein Elektron verliert, hat es jetzt 11 Protonen und nur noch 10 Elektronen, sodass es eine Gesamtladung von +1 hat. Positive Ionen entstehen durch Elektronenverlust und heißen Kationen. Negative Ionen werden durch die Aufnahme von Elektronen gebildet und heißen Anionen. Elementare anionische Namen werden so geändert, dass sie auf -ide enden. Wenn Chlor beispielsweise zu einem Ion wird, wird es als Chlorid bezeichnet.

Ionische und kovalente Bindungen sind starke Bindungen, die zwischen zwei Atomen gebildet werden. Diese Bindungen halten Atome in einem relativ stabilen Zustand zusammen. Ionische Bindungen werden zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Ionen (einem Anion und einem Kation) gebildet. Da sich positive und negative Ladungen anziehen, werden diese Ionen zusammengehalten, ähnlich wie zwei gegensätzlich geladene Magnete zusammenkleben würden. Kovalente Bindungen entstehen, wenn Elektronen zwischen zwei Atomen geteilt werden. Jedes Atom teilt sich eines seiner Elektronen, das dann die Kerne beider Atome umkreist und die beiden Atome zusammenhält. Kovalente Bindungen sind die stärkste und häufigste Form chemischer Bindungen in Organismen. Im Gegensatz zu den meisten ionischen Bindungen dissoziieren kovalente Bindungen in Wasser nicht.

Kovalente Bindungen gibt es in zwei Varianten: polar und unpolar. EIN unpolare kovalente Bindung tritt auf, wenn Elektronen gleichmäßig zwischen den beiden Atomen aufgeteilt werden. Polare kovalente Bindungen bilden sich, wenn die Elektronen ungleich verteilt sind. Warum tritt dies auf? Jedes Element hat einen bekannten Elektronegativität: ein Maß für ihre Affinität für Elektronen. Einige Elemente, wie zum Beispiel Sauerstoff, sind sehr elektronegativ, weil sie Elektronen von anderen Atomen stark anziehen. Wasserstoff hingegen hat eine geringe Elektronegativität und zieht damit vergleichsweise schwach Elektronen an. Polare kovalente Bindungen bilden sich, wenn die beiden beteiligten Atome signifikant unterschiedliche Elektronegativitäten aufweisen. In biologischen Systemen tritt dies auf, wenn sich Sauerstoff mit Wasserstoff verbindet und wenn Stickstoff (ebenfalls ziemlich elektronegativ) mit Wasserstoff bindet.

Bei der Bindung von Sauerstoff und Wasserstoff zum Beispiel werden die gemeinsamen Elektronen stärker in Richtung Sauerstoff und damit weiter weg vom Wasserstoffkern gezogen. Da sich die Elektronen weiter vom Wasserstoff entfernen, wird er leicht positiv geladen (δ+). Der Sauerstoff wird leicht negativ geladen, wenn sich die Elektronen ihm nähern (δ–). Nähern sich zwei Moleküle mit polaren kovalenten Bindungen aneinander, können sie durch Anziehung entgegengesetzter elektrischer Ladungen wechselwirken. Zum Beispiel kann die leichte positive Ladung von Wasserstoff in einem Wassermolekül von der leichten negativen Ladung von Sauerstoff in einem anderen Wassermolekül angezogen werden (Abbildung (PageIndex{3})). Diese Wechselwirkung zwischen zwei polaren Molekülen heißt a Wasserstoffverbindung. Diese Art der Bindung ist bei Organismen sehr verbreitet. Insbesondere Wasserstoffbrücken verleihen Wasser die einzigartigen Eigenschaften, die das Leben erhalten. Ohne Wasserstoffbrückenbindung wäre Wasser bei Raumtemperatur eher ein Gas als eine Flüssigkeit.

WASSER IST ENTSCHEIDEND FÜR DIE ERHALTUNG DES LEBENS

Haben Sie sich jemals gefragt, warum Wissenschaftler ihre Zeit damit verbringen, auf anderen Planeten nach Wasser zu suchen? Das liegt daran, dass Wasser lebensnotwendig ist; sogar winzige Spuren davon auf einem anderen Planeten können darauf hinweisen, dass Leben auf diesem Planeten existierte oder existierte. Wasser ist eines der am häufigsten vorkommenden Moleküle in lebenden Zellen und das wichtigste für das Leben, wie wir es kennen. Etwa 60 bis 70 Prozent Ihres Körpers bestehen aus Wasser. Ohne sie würde das Leben einfach nicht existieren.

  • Wasser ist polar. Die Wasserstoff- und Sauerstoffatome innerhalb von Wassermolekülen bilden polare kovalente Bindungen. Die gemeinsamen Elektronen verbringen mehr Zeit mit dem Sauerstoffatom als mit Wasserstoffatomen. Ein Wassermolekül hat keine Gesamtladung, aber jedes Wasserstoffatom weist eine leichte positive Ladung und das Sauerstoffatom eine leichte negative Ladung auf. Aufgrund dieser Ladungen stoßen sich die leicht positiven Wasserstoffatome gegenseitig ab und bilden die einzigartige Form. Jedes Wassermolekül zieht aufgrund der positiven und negativen Ladungen in den verschiedenen Teilen des Moleküls andere Wassermoleküle an. Wasser zieht auch andere polare Moleküle (wie Zucker) an, die sich in Wasser auflösen können und als hydrophil („wasserliebend“) bezeichnet werden.
  • Wasser stabilisiert die Temperatur. Durch die Wasserstoffbrückenbindungen im Wasser kann es Wärmeenergie langsamer aufnehmen und abgeben als viele andere Stoffe. Die Temperatur ist ein Maß für die Bewegung (kinetische Energie) von Molekülen. Wenn die Bewegung zunimmt, ist die Energie höher und damit die Temperatur höher. Wasser nimmt viel Energie auf, bevor seine Temperatur steigt. Erhöhte Energie unterbricht die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wassermolekülen. Da diese Bindungen schnell aufgebaut und aufgebrochen werden können, nimmt Wasser einen Energiezuwachs und Temperaturänderungen nur minimal auf. Dies bedeutet, dass Wasser Temperaturänderungen innerhalb von Organismen und in ihrer Umgebung mildert.
  • Wasser ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel. Da Wasser polar ist, mit leichten positiven und negativen Ladungen, können sich ionische Verbindungen und polare Moleküle darin leicht auflösen. Wasser ist daher ein sogenanntes Lösungsmittel – eine Substanz, die eine andere Substanz auflösen kann. Die geladenen Teilchen bilden mit einer umgebenden Schicht aus Wassermolekülen Wasserstoffbrückenbindungen.
  • Wasser ist kohäsiv. Haben Sie schon einmal ein Glas Wasser bis zum Rand aufgefüllt und dann langsam noch ein paar Tropfen hinzugegeben? Bevor es überläuft, bildet das Wasser tatsächlich eine kuppelartige Form über dem Rand des Glases. Dieses Wasser kann aufgrund der Kohäsionseigenschaft über dem Glas bleiben. Bei der Kohäsion werden Wassermoleküle (aufgrund von Wasserstoffbrückenbindungen) voneinander angezogen und halten die Moleküle an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft (Gas) zusammen, obwohl im Glas kein Platz mehr ist. Durch die Kohäsion entsteht die Oberflächenspannung, die Fähigkeit einer Substanz, bei Spannung oder Belastung dem Bruch zu widerstehen. Wenn Sie ein kleines Stück Papier auf einen Wassertropfen fallen lassen, schwimmt das Papier auf dem Wassertropfen, obwohl das Objekt dichter (schwerer) als das Wasser ist. Dies geschieht aufgrund der Oberflächenspannung, die durch die Wassermoleküle erzeugt wird. Kohäsion und Oberflächenspannung halten die Wassermoleküle intakt und das Objekt schwimmt auf der Oberseite. Es ist sogar möglich, eine Stahlnadel auf einem Glas Wasser zu „schwimmen“, wenn Sie sie vorsichtig platzieren, ohne die Oberflächenspannung zu brechen. Diese Kohäsionskräfte hängen auch mit der Adhäsionseigenschaft des Wassers oder der Anziehung zwischen Wassermolekülen und anderen Molekülen zusammen. Dies wird beobachtet, wenn Wasser einen Strohhalm hochklettert, der in ein Glas Wasser gelegt wird. Sie werden feststellen, dass das Wasser an den Seiten des Strohhalms höher erscheint als in der Mitte. Dies liegt daran, dass die Wassermoleküle vom Strohhalm angezogen werden und daher daran haften. Kohäsions- und Adhäsionskräfte sind wichtig für die Erhaltung des Lebens. Aufgrund dieser Kräfte kann beispielsweise Wasser von den Wurzeln bis zur Spitze der Pflanzen fließen, um die Pflanze zu ernähren.

Puffer, pH, Säuren und Basen

Die pH einer Lösung ist ein Maß für ihre Säure oder Alkalinität. Die pH-Skala reicht von 0 bis 14. Eine Änderung der pH-Skala um eine Einheit entspricht einer Änderung der Wasserstoffionenkonzentration um den Faktor 10, eine Änderung um zwei Einheiten einer Änderung der Wasserstoffionenkonzentration um den Faktor von 100. Somit bedeuten kleine pH-Änderungen große Änderungen der Konzentrationen von Wasserstoffionen. Reines Wasser ist neutral. Es ist weder sauer noch basisch und hat einen pH-Wert von 7,0. Alles unter 7,0 (von 0,0 bis 6,9) ist sauer und alles über 7,0 (von 7,1 bis 14,0) ist alkalisch. Das Blut in Ihren Venen ist leicht alkalisch (pH = 7,4). Die Umgebung in Ihrem Magen ist stark sauer (pH = 1 bis 2). Orangensaft ist leicht sauer (pH = ca. 3,5), während Backpulver basisch ist (pH = 9,0).

Säuren sind Substanzen, die Wasserstoffionen (H+) und einen niedrigeren pH-Wert liefern, während Basen liefern Hydroxidionen (OH–) und erhöhen den pH-Wert. Je stärker die Säure, desto eher spendet sie H+. Salzsäure und Zitronensaft sind beispielsweise sehr sauer und geben leicht H+ ab, wenn sie Wasser hinzugefügt werden. Umgekehrt sind Basen solche Substanzen, die leicht OH– abgeben. Die OH–-Ionen verbinden sich mit H+ zu Wasser, das den pH-Wert einer Substanz anhebt. Natronlauge und viele Haushaltsreiniger sind stark alkalisch und geben in Wasser schnell OH– ab, wodurch der pH-Wert ansteigt.

Wie kommt es, dass wir saure oder basische Stoffe aufnehmen oder einatmen können und nicht sterben? Puffer sind der Schlüssel. Puffer absorbieren leicht überschüssiges H+ oder OH– und halten den pH-Wert des Körpers sorgfältig in dem oben genannten engen Bereich. Kohlendioxid ist Teil eines bedeutenden Puffersystems im menschlichen Körper; es hält den pH-Wert im richtigen Bereich. Dieses Puffersystem beinhaltet Kohlensäure (H2CO3) und Bicarbonat (HCO3–) Anion. Wenn zu viel H+ in den Körper gelangt, verbindet sich Bikarbonat mit dem H+, um Kohlensäure zu bilden und die Abnahme des pH-Werts zu begrenzen. Wenn zu viel OH– in das System eingeführt wird, verbindet sich Kohlensäure damit, um Bicarbonat zu bilden und den pH-Anstieg zu begrenzen. Während Kohlensäure ein wichtiges Produkt dieser Reaktion ist, ist ihre Anwesenheit nur flüchtig, da die Kohlensäure bei jeder Atmung als Kohlendioxidgas aus dem Körper freigesetzt wird. Ohne dieses Puffersystem würde der pH-Wert in unserem Körper zu stark schwanken und wir würden nicht überleben.

Biologische Moleküle

Neben Wasser sind die zum Leben notwendigen Moleküle organisch. Organische Moleküle sind solche, die Kohlenstoff kovalent an Wasserstoff gebunden enthalten. Darüber hinaus können sie Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel und weitere Elemente enthalten. Es gibt vier Hauptklassen organischer Moleküle: Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, und Nukleinsäuren. Jeder ist ein wichtiger Bestandteil der Zelle und führt eine breite Palette von Funktionen aus.

Es wird oft gesagt, dass das Leben „auf Kohlenstoff“ basiert. Dies bedeutet, dass Kohlenstoffatome, die an andere Kohlenstoffatome oder andere Elemente gebunden sind, die grundlegenden Komponenten vieler Moleküle bilden, die einzigartig in Lebewesen vorkommen. Andere Elemente spielen in biologischen Molekülen eine wichtige Rolle, aber Kohlenstoff ist sicherlich das „Grundelement“ für Moleküle in Lebewesen. Es sind die Bindungseigenschaften von Kohlenstoffatomen, die für seine wichtige Rolle verantwortlich sind.

Kohlenstoff kann mit anderen Atomen oder Molekülen vier kovalente Bindungen eingehen. Das einfachste organische Kohlenstoffmolekül ist Methan (CH4), bei dem vier Wasserstoffatome an ein Kohlenstoffatom binden (Abbildung (PageIndex{5})). Kohlenhydrate Dazu gehören sogenannte Einfachzucker wie Glukose und komplexe Kohlenhydrate wie Stärke. Während viele Arten von Kohlenhydraten zur Energiegewinnung verwendet werden, werden einige von den meisten Organismen, einschließlich Pflanzen und Tieren, zur Struktur verwendet. Cellulose ist beispielsweise ein komplexes Kohlenhydrat, das den Zellwänden von Pflanzen Festigkeit und Festigkeit verleiht. Das Suffix „-ose“ bezeichnet ein Kohlenhydrat, aber beachten Sie, dass nicht allen Kohlenhydraten dieses Suffix bei Namen gegeben wurde (z. B. Stärke).

Lipide umfassen eine vielfältige Gruppe von Verbindungen, die durch ein gemeinsames Merkmal vereint sind. Lipide sind hydrophob („wasserangst“) oder in Wasser unlöslich, da sie unpolare Moleküle sind (Moleküle, die unpolare kovalente Bindungen enthalten) . Lipide erfüllen viele verschiedene Funktionen in einer Zelle. Zellen speichern Energie für den langfristigen Gebrauch in Form von Lipiden, die als Fette bezeichnet werden. Lipide bieten auch eine Isolierung gegenüber der Umwelt für Pflanzen und Tiere. Sie tragen beispielsweise dazu bei, Wasservögel und Säugetiere aufgrund ihrer wasserabweisenden Natur trocken zu halten. Lipide sind auch die Bausteine ​​vieler Hormone und ein wichtiger Bestandteil von Zellmembranen. Lipide umfassen Fette, Öle, Wachse, Phospholipide und Steroide.

Proteine sind eines der am häufigsten vorkommenden organischen Moleküle in lebenden Systemen und haben das vielfältigste Funktionsspektrum aller Makromoleküle. Sie alle sind Polymere von Aminosäuren. Die Funktionen von Proteinen sind sehr vielfältig, da es 20 verschiedene chemisch unterschiedliche Aminosäuren gibt, die lange Ketten bilden, und die Aminosäuren können in beliebiger Reihenfolge sein. Proteine ​​können als Enzyme, Hormone, kontraktile Fasern, Zytoskelettstäbchen und vieles mehr fungieren. Enzyme sind lebenswichtig, weil sie als Katalysatoren bei biochemischen Reaktionen (wie der Verdauung) wirken. Jedes Enzym ist spezifisch für das Substrat (ein Reaktant, der an ein Enzym bindet), auf das es einwirkt. Enzyme können molekulare Bindungen brechen, Bindungen neu anordnen oder neue Bindungen bilden.

Nukleinsäuren sind sehr große Moleküle, die für die Kontinuität des Lebens wichtig sind. Sie tragen den genetischen Bauplan einer Zelle und damit die Anleitung zu ihrer Funktionsweise. Die beiden Haupttypen von Nukleinsäuren sind Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). DNA ist das genetische Material, das in allen Organismen vorkommt, von einzelligen Bakterien bis hin zu mehrzelligen Säugetieren. Die andere Art von Nukleinsäure, RNA, ist hauptsächlich an der Proteinsynthese beteiligt. Die DNA-Moleküle verlassen nie den Zellkern, sondern kommunizieren über einen RNA-Vermittler mit dem Rest der Zelle. Auch andere RNA-Typen sind an der Proteinsynthese und deren Regulation beteiligt.DNA und RNA bestehen aus kleinen Bausteinen, die als . bekannt sind Nukleotide. Die Nukleotide verbinden sich miteinander zu einem Polynukleotid: DNA oder RNA. Jedes Nukleotid besteht aus drei Komponenten: einer stickstoffhaltigen Base, einem Pentosezucker (fünf Kohlenstoffatome) und einem Phosphat. DNA hat eine schöne doppelhelikale Struktur (Abbildung (PageIndex{6})).

Zusätzliche Ressourcen:

Namensnennung

  • Concepts of Biology von OpenStax ist unter CC BY 4.0 lizenziert. Geändert vom Original von Matthew R. Fisher.

Atome

Ein Atom ist die kleinste Komponente eines Elements, die alle chemischen Eigenschaften dieses Elements behält. Ein Wasserstoffatom hat beispielsweise alle Eigenschaften des Elements Wasserstoff, da es bei Raumtemperatur als Gas vorliegt und sich mit Sauerstoff zu einem Wassermolekül verbindet. Wasserstoffatome können nicht in kleinere Teile zerlegt werden, während die Eigenschaften von Wasserstoff erhalten bleiben. Würde ein Wasserstoffatom in subatomare Teilchen zerlegt, hätte es nicht mehr die Eigenschaften von Wasserstoff.

Auf der grundlegendsten Ebene bestehen alle Organismen aus einer Kombination von Elementen. Sie enthalten Atome, die sich zu Molekülen verbinden. In mehrzelligen Organismen wie Tieren können Moleküle interagieren, um Zellen zu bilden, die sich zu Geweben verbinden, die Organe bilden. Diese Kombinationen dauern an, bis ganze mehrzellige Organismen gebildet sind.

Alle Atome enthalten Protonen, Elektronen, und Neutronen. Einzige Ausnahme ist Wasserstoff (H), der aus einem Proton und einem Elektron besteht. Ein Proton ist ein positiv geladenes Teilchen, das sich im Kern (der Kern des Atoms) eines Atoms und hat eine Masse von 1 und eine Ladung von +1. Ein Elektron ist ein negativ geladenes Teilchen, das sich im Raum um den Kern herum bewegt. Mit anderen Worten, es befindet sich außerhalb des Kerns. Es hat eine vernachlässigbare Masse und eine Ladung von -1.

Abbildung 2.2 Atome bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich im Kern befinden, und Elektronen, die den Kern umgeben.

Neutronen befinden sich wie Protonen im Kern eines Atoms. Sie haben eine Masse von 1 und keine Ladung. Die positiven (Protonen) und negativen (Elektronen) Ladungen gleichen sich in einem neutralen Atom aus, das eine Nettoladung von Null hat.

Da Protonen und Neutronen jeweils eine Masse von 1 haben, ist die Masse eines Atoms gleich der Anzahl der Protonen und Neutronen dieses Atoms. Die Anzahl der Elektronen geht nicht in die Gesamtmasse ein, weil ihre Masse so klein ist.

Wie bereits erwähnt, hat jedes Element seine eigenen einzigartigen Eigenschaften. Jeder enthält eine unterschiedliche Anzahl von Protonen und Neutronen, was ihm seine eigene Ordnungszahl und Massenzahl verleiht. Die Ordnungszahl eines Elements ist gleich der Anzahl der Protonen, die das Element enthält. Die Massenzahl, oder Atommasse, ist die Anzahl der Protonen plus die Anzahl der Neutronen dieses Elements. Daher ist es möglich, die Neutronenzahl durch Subtrahieren der Ordnungszahl von der Massenzahl zu bestimmen.

Diese Zahlen geben Auskunft über die Elemente und wie sie bei Kombination reagieren. Verschiedene Elemente haben unterschiedliche Schmelz- und Siedepunkte und befinden sich bei Raumtemperatur in unterschiedlichen Zuständen (flüssig, fest oder gasförmig). Sie kombinieren sich auch auf unterschiedliche Weise. Einige bilden bestimmte Arten von Anleihen, andere nicht. Wie sie sich kombinieren, hängt von der Anzahl der vorhandenen Elektronen ab. Aufgrund dieser Eigenschaften sind die Elemente in die Periodensystem, ein Diagramm der Elemente, das die Ordnungszahl und die relative Atommasse jedes Elements enthält. Das Periodensystem liefert auch wichtige Informationen über die Eigenschaften von Elementen – oft durch Farbcodierung gekennzeichnet. Die Anordnung der Tabelle zeigt auch, wie die Elektronen in jedem Element organisiert sind und liefert wichtige Details darüber, wie Atome miteinander reagieren, um Moleküle zu bilden.

Isotope sind verschiedene Formen desselben Elements, die die gleiche Anzahl von Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben. Einige Elemente wie Kohlenstoff, Kalium und Uran haben natürlich vorkommende Isotope. Kohlenstoff-12, das häufigste Isotop von Kohlenstoff, enthält sechs Protonen und sechs Neutronen. Daher hat es eine Massenzahl von 12 (sechs Protonen und sechs Neutronen) und eine Ordnungszahl von 6 (was es zu Kohlenstoff macht). Kohlenstoff-14 enthält sechs Protonen und acht Neutronen. Daher hat es eine Massenzahl von 14 (sechs Protonen und acht Neutronen) und eine Ordnungszahl von 6, was bedeutet, dass es immer noch das Element Kohlenstoff ist. Diese beiden alternativen Kohlenstoffformen sind Isotope. Einige Isotope sind instabil und verlieren Protonen, andere subatomare Teilchen oder Energie, um stabilere Elemente zu bilden. Diese nennt man radioaktive Isotope oder Radioisotope.

Abbildung 2.3 Das Periodensystem ist in Spalten und Reihen basierend auf den Eigenschaften der Elemente angeordnet und liefert wichtige Informationen über die Elemente und wie sie miteinander interagieren können, um Moleküle zu bilden. Die meisten Periodensysteme enthalten einen Schlüssel oder eine Legende zu den Informationen, die sie enthalten.

Wie viele Neutronen haben (K) Kalium-39 bzw. Kalium-40?


2.1 Atome, Isotope, Ionen und Moleküle: die Bausteine

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Materie und Elemente definieren
  • Beschreiben Sie die Wechselbeziehung zwischen Protonen, Neutronen und Elektronen
  • Vergleichen Sie die Möglichkeiten, wie Elektronen abgegeben oder zwischen Atomen geteilt werden können
  • Erklären Sie, wie sich natürlich vorkommende Elemente kombinieren, um Moleküle, Zellen, Gewebe, Organsysteme und Organismen zu bilden

Auf seiner grundlegendsten Ebene besteht das Leben aus Materie. Materie ist jede Substanz, die Raum einnimmt und Masse hat. Elemente sind einzigartige Formen von Materie mit spezifischen chemischen und physikalischen Eigenschaften, die durch gewöhnliche chemische Reaktionen nicht in kleinere Substanzen zerlegt werden können. Es gibt 118 Elemente, aber nur 98 kommen natürlich vor. Die restlichen Elemente sind instabil und erfordern, dass Wissenschaftler sie in Labors synthetisieren.

Jedes Element wird durch sein chemisches Symbol bezeichnet, das ein einzelner Großbuchstabe oder, wenn der erste Buchstabe bereits von einem anderen Element „eingenommen“ ist, eine Kombination aus zwei Buchstaben ist. Einige Elemente folgen dem englischen Begriff für das Element, wie C für Kohlenstoff und Ca für Kalzium. Die chemischen Symbole anderer Elemente leiten sich von ihren lateinischen Namen ab. Das Symbol für Natrium ist beispielsweise Na und bezieht sich auf Natrium, das lateinische Wort für Natrium.

Die vier Elemente, die allen lebenden Organismen gemeinsam sind, sind Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N). In der unbelebten Welt kommen Elemente in unterschiedlichen Anteilen vor, und einige Elemente, die lebenden Organismen gemeinsam sind, sind auf der Erde insgesamt relativ selten, wie Tabelle 2.1 zeigt. Beispielsweise ist die Atmosphäre reich an Stickstoff und Sauerstoff, enthält aber wenig Kohlenstoff und Wasserstoff, während die Erdkruste, obwohl sie Sauerstoff und eine geringe Menge Wasserstoff enthält, wenig Stickstoff und Kohlenstoff enthält. Trotz ihres unterschiedlichen Vorkommens gehorchen alle Elemente und die chemischen Reaktionen zwischen ihnen den gleichen chemischen und physikalischen Gesetzen, unabhängig davon, ob sie Teil der belebten oder unbelebten Welt sind.

Element Leben (Menschen) Atmosphäre Erdkruste
Sauerstoff (O) 65% 21% 46%
Kohlenstoff (C) 18% verfolgen verfolgen
Wasserstoff (H) 10% verfolgen 0.1%
Stickstoff (N) 3% 78% verfolgen

Die Struktur des Atoms

Um zu verstehen, wie Elemente zusammenkommen, müssen wir zuerst die kleinste Komponente oder den kleinsten Baustein des Elements besprechen, das Atom. Ein Atom ist die kleinste Einheit der Materie, die alle chemischen Eigenschaften des Elements behält. Ein Goldatom hat zum Beispiel alle Eigenschaften von Gold, wie seine chemische Reaktivität. Eine Goldmünze ist einfach eine sehr große Anzahl von Goldatomen, die in die Form einer Münze geformt wurden und kleine Mengen anderer Elemente enthalten, die als Verunreinigungen bekannt sind. Wir können Goldatome nicht in kleinere Teile zerlegen, während wir die Eigenschaften von Gold beibehalten.

Ein Atom besteht aus zwei Regionen: dem Kern, der sich im Zentrum des Atoms befindet und Protonen und Neutronen enthält. Die äußerste Region des Atoms hält seine Elektronen auf der Umlaufbahn um den Kern, wie Abbildung 2.2 zeigt. Atome enthalten neben anderen subatomaren Teilchen Protonen, Elektronen und Neutronen. Das häufigste Isotop von Wasserstoff (H) ist die einzige Ausnahme und besteht aus einem Proton und einem Elektron ohne Neutronen.

Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse, etwa 1,67 × 10 -24 Gramm. Wissenschaftler definieren diese Masse willkürlich als eine atomare Masseneinheit (amu) oder einen Dalton, wie Tabelle 2.2 zeigt. Obwohl sie eine ähnliche Masse haben, unterscheiden sich Protonen und Neutronen in ihrer elektrischen Ladung. Ein Proton ist positiv geladen, während ein Neutron ungeladen ist. Daher trägt die Anzahl der Neutronen in einem Atom wesentlich zu seiner Masse, aber nicht zu seiner Ladung bei. Elektronen haben eine viel geringere Masse als Protonen und wiegen nur 9,11 × 10 -28 Gramm oder etwa 1/1800 einer atomaren Masseneinheit. Daher tragen sie nicht viel zur gesamten Atommasse eines Elements bei. Daher ist es bei der Betrachtung der Atommasse üblich, die Masse aller Elektronen zu ignorieren und die Masse des Atoms allein aus der Anzahl der Protonen und Neutronen zu berechnen. Obwohl sie keinen wesentlichen Beitrag zur Masse leisten, tragen Elektronen stark zur Ladung des Atoms bei, da jedes Elektron eine negative Ladung hat, die der positiven Ladung des Protons entspricht. In ungeladenen, neutralen Atomen ist die Zahl der Elektronen, die den Kern umkreisen, gleich der Zahl der Protonen im Kern. In diesen Atomen heben sich die positiven und negativen Ladungen gegenseitig auf, was zu einem Atom ohne Nettoladung führt.

Berücksichtigt man die Größe von Protonen, Neutronen und Elektronen, ist der größte Teil des Atomvolumens – mehr als 99 Prozent – ​​leerer Raum. Bei all diesem leeren Raum könnte man sich fragen, warum sogenannte feste Objekte nicht einfach durcheinander hindurchgehen. Der Grund dafür ist, dass die Elektronen, die alle Atome umgeben, negativ geladen sind und sich negative Ladungen gegenseitig abstoßen.

Ordnungszahl und Masse

Atome jedes Elements enthalten eine charakteristische Anzahl von Protonen und Elektronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl eines Elements, mit der Wissenschaftler ein Element von einem anderen unterscheiden. Die Anzahl der Neutronen ist variabel, was zu Isotopen führt, bei denen es sich um verschiedene Formen desselben Atoms handelt, die sich nur in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, die sie besitzen. Die Anzahl der Protonen und Neutronen zusammen bestimmt die Massenzahl eines Elements, wie Abbildung 2.3 veranschaulicht. Beachten Sie, dass wir den geringen Massebeitrag der Elektronen bei der Berechnung der Massenzahl vernachlässigen. Wir können diese Näherung der Masse verwenden, um leicht zu berechnen, wie viele Neutronen ein Element hat, indem wir einfach die Anzahl der Protonen von der Massenzahl abziehen. Da die Isotope eines Elements leicht unterschiedliche Massenzahlen haben, bestimmen Wissenschaftler auch die Atommasse, die der berechnete Mittelwert der Massenzahl seiner natürlich vorkommenden Isotope ist. Oft enthält die resultierende Zahl einen Bruch. Zum Beispiel beträgt die Atommasse von Chlor (Cl) 35,45, weil Chlor aus mehreren Isotopen besteht, einige (die Mehrheit) mit der Atommasse 35 (17 Protonen und 18 Neutronen) und einige mit der Atommasse 37 (17 Protonen und 20 Neutronen). .

Visuelle Verbindung

Wie viele Neutronen haben Kohlenstoff-12 bzw. Kohlenstoff-13?

Isotope

Isotope sind verschiedene Formen eines Elements mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen. Einige Elemente – wie Kohlenstoff, Kalium und Uran – haben natürlich vorkommende Isotope. Kohlenstoff-12 enthält sechs Protonen, sechs Neutronen und sechs Elektronen, daher hat es eine Massenzahl von 12 (sechs Protonen und sechs Neutronen). Kohlenstoff-14 enthält sechs Protonen, acht Neutronen und sechs Elektronen, seine Atommasse beträgt 14 (sechs Protonen und acht Neutronen). Diese beiden alternativen Kohlenstoffformen sind Isotope. Einige Isotope können Neutronen, Protonen und Elektronen emittieren und eine stabilere Atomkonfiguration (niedrigeres Niveau der potentiellen Energie) erreichen. Dies sind radioaktive Isotope oder Radioisotope. Der radioaktive Zerfall (Kohlenstoff-14, der schließlich zu Stickstoff-14 zerfällt) beschreibt den Energieverlust, der auftritt, wenn der Kern eines instabilen Atoms Strahlung freisetzt.

Evolution-Verbindung

Kohlenstoff-Dating

Kohlenstoff ist in der Atmosphäre normalerweise in Form von gasförmigen Verbindungen wie Kohlendioxid und Methan vorhanden. Kohlenstoff-14 (14 C) ist ein natürlich vorkommendes Radioisotop, das in der Atmosphäre aus atmosphärischem 14 N (Stickstoff) durch die Zugabe eines Neutrons und den Verlust eines Protons durch kosmische Strahlung entsteht. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, daher wird immer mehr 14 C erzeugt. Da ein lebender Organismus 14 C zunächst als bei der Photosynthese fixiertes Kohlendioxid aufnimmt, entspricht die relative Menge von 14 C in seinem Körper der Konzentration von 14 C in der Atmosphäre. Wenn ein Organismus stirbt, nimmt er kein 14 C mehr auf, so dass das Verhältnis zwischen 14 C und 12 C abnimmt, da 14 C durch einen Prozess namens Beta-Zerfall allmählich zu 14 N zerfällt – Elektronen- oder Positronenemission. Dieser Zerfall emittiert Energie in einem langsamen Prozess.

Nach etwa 5.730 Jahren wandelt sich die Hälfte der Ausgangskonzentration von 14 C wieder in 14 N um. Die Zeit, die es braucht, bis die Hälfte der ursprünglichen Konzentration eines Isotops wieder in seine stabilere Form zerfällt, nennen wir Halbwertszeit. Weil die Halbwertszeit von 14 C lang ist, nutzen Wissenschaftler es bis dato früher lebende Objekte wie alte Knochen oder Holz. Vergleicht man das Verhältnis der 14 C-Konzentration in einem Objekt zur 14 C-Menge in der Atmosphäre, kann man die noch nicht zerfallene Menge des Isotops bestimmen. Anhand dieser Menge zeigt Abbildung 2.4, dass wir das Alter des Materials, beispielsweise des Zwergmammuts, genau berechnen können, wenn es nicht viel älter als etwa 50.000 Jahre ist. Andere Elemente haben Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten. 40 K (Kalium-40) hat beispielsweise eine Halbwertszeit von 1,25 Milliarden Jahren und 235 U (Uran 235) hat eine Halbwertszeit von etwa 700 Millionen Jahren. Mithilfe der radiometrischen Datierung können Wissenschaftler das Alter von Fossilien oder anderen Überresten ausgestorbener Organismen untersuchen, um zu verstehen, wie sich Organismen aus früheren Arten entwickelt haben.

Link zum Lernen

Um mehr über Atome und Isotope zu erfahren und wie man ein Isotop von einem anderen unterscheidet, führen Sie die Simulation aus.

Das Periodensystem

Das Periodensystem organisiert und zeigt verschiedene Elemente an. Die Tabelle wurde 1869 vom russischen Chemiker Dmitri Mendeleev (1834–1907) entwickelt und gruppiert Elemente, die zwar einzigartig sind, aber bestimmte chemische Eigenschaften mit anderen Elementen teilen. Die Eigenschaften von Elementen sind für ihren physikalischen Zustand bei Raumtemperatur verantwortlich: Sie können Gase, Feststoffe oder Flüssigkeiten sein. Elemente haben auch eine spezifische chemische Reaktivität, die Fähigkeit, sich zu verbinden und chemisch miteinander zu verbinden.

Im Periodensystem in Abbildung 2.5 sind die Elemente nach ihrer Ordnungszahl organisiert und angezeigt und in einer Reihe von Reihen und Spalten auf der Grundlage gemeinsamer chemischer und physikalischer Eigenschaften angeordnet. Neben der Ordnungszahl für jedes Element zeigt das Periodensystem auch die Atommasse des Elements an. Betrachtet man beispielsweise Kohlenstoff, erscheinen sein Symbol (C) und sein Name sowie seine Ordnungszahl sechs (in der oberen linken Ecke) und seine Atommasse von 12.01.

Das Periodensystem gruppiert Elemente nach chemischen Eigenschaften. Wissenschaftler gründen die Unterschiede in der chemischen Reaktivität zwischen den Elementen auf der Anzahl und der räumlichen Verteilung der Elektronen eines Atoms. Atome, die chemisch reagieren und aneinander binden, bilden Moleküle. Moleküle sind einfach zwei oder mehr Atome, die chemisch miteinander verbunden sind. Wenn sich zwei Atome chemisch zu einem Molekül verbinden, kommen ihre Elektronen, die den äußersten Bereich jedes Atoms bilden, logischerweise zuerst zusammen, wenn die Atome eine chemische Bindung eingehen.

Elektronenhüllen und das Bohr-Modell

Beachten Sie, dass es einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Protonen in einem Element, der Ordnungszahl, die ein Element von einem anderen unterscheidet, und der Anzahl seiner Elektronen gibt. In allen elektrisch neutralen Atomen ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen. Somit hat jedes Element, zumindest wenn es elektrisch neutral ist, eine charakteristische Anzahl von Elektronen, die seiner Ordnungszahl entspricht.

1913 entwickelte der dänische Wissenschaftler Niels Bohr (1885–1962) ein frühes Atommodell. Das Bohr-Modell zeigt das Atom als zentralen Kern, der Protonen und Neutronen enthält, wobei die Elektronen in kreisförmigen Orbitalen in bestimmten Abständen vom Kern angeordnet sind, wie Abbildung 2.6 illustriert. Diese Bahnen bilden Elektronenschalen oder Energieniveaus, die eine Möglichkeit darstellen, die Anzahl der Elektronen in den äußersten Schalen zu visualisieren. Diese Energieniveaus werden durch eine Zahl und das Symbol „n“ gekennzeichnet. 1n stellt beispielsweise das erste Energieniveau dar, das dem Kern am nächsten liegt.

Elektronen füllen Orbitale in einer konsistenten Reihenfolge: Sie füllen zuerst die Orbitale, die dem Kern am nächsten sind, dann füllen sie Orbitale mit zunehmender Energie weiter vom Kern entfernt. Wenn es mehrere Orbitale gleicher Energie gibt, füllen sie sich in jedem Energieniveau mit einem Elektron, bevor ein zweites Elektron hinzugefügt wird. Die Elektronen des äußersten Energieniveaus bestimmen die energetische Stabilität des Atoms und seine Tendenz, mit anderen Atomen chemische Bindungen zu bilden, um Moleküle zu bilden.

Unter Standardbedingungen füllen Atome zuerst die inneren Schalen, was oft zu einer unterschiedlichen Anzahl von Elektronen in der äußersten Schale führt. Die innerste Schale hat maximal zwei Elektronen, aber die nächsten beiden Elektronenschalen können jeweils maximal acht Elektronen haben. Dies ist als Oktettregel bekannt, die besagt, dass Atome mit Ausnahme der innersten Schale energetisch stabiler sind, wenn sie acht Elektronen in ihrer Valenzschale, der äußersten Elektronenschale, haben. Abbildung 2.7 zeigt Beispiele einiger neutraler Atome und ihrer Elektronenkonfigurationen. Beachten Sie, dass Helium in Abbildung 2.7 eine vollständige äußere Elektronenhülle hat, in der zwei Elektronen seine erste und einzige Hülle füllen. In ähnlicher Weise hat Neon eine vollständige äußere 2n-Schale, die acht Elektronen enthält. Im Gegensatz dazu haben Chlor und Natrium sieben bzw. eins in ihrer äußeren Hülle, aber theoretisch wären sie energetisch stabiler, wenn sie der Oktettregel folgen würden und acht hätten.

Visuelle Verbindung

Ein Atom kann einem anderen Atom Elektronen geben, nehmen oder mit diesem teilen, um eine vollständige Valenzschale, die stabilste Elektronenkonfiguration, zu erreichen. Betrachtet man diese Abbildung, wie viele Elektronen müssen Elemente der Gruppe 1 verlieren, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen? Wie viele Elektronen müssen die Elemente der Gruppen 14 und 17 aufnehmen, um eine stabile Konfiguration zu erreichen?

Zu verstehen, dass die Organisation des Periodensystems auf der Gesamtzahl der Protonen (und Elektronen) basiert, hilft uns zu wissen, wie sich Elektronen zwischen den Schalen verteilen. Das Periodensystem ist in Spalten und Zeilen basierend auf der Anzahl der Elektronen und ihrer Position angeordnet. Untersuchen Sie einige der Elemente in der Spalte ganz rechts der Tabelle in Abbildung 2.5 genauer.Die Atome der Gruppe 18 Helium (He), Neon (Ne) und Argon (Ar) haben alle äußere Elektronenhüllen gefüllt, was es für sie unnötig macht, Elektronen mit anderen Atomen zu teilen, um Stabilität zu erreichen. Sie sind als einzelne Atome sehr stabil. Da sie nicht reaktiv sind, bezeichnen Wissenschaftler sie als inerte (oder Edelgase). Vergleichen Sie dies mit den Elementen der Gruppe 1 in der linken Spalte. Diese Elemente, einschließlich Wasserstoff (H), Lithium (Li) und Natrium (Na), haben alle ein Elektron in ihrer äußersten Schale. Das bedeutet, dass sie eine stabile Konfiguration und eine gefüllte äußere Hülle erreichen können, indem sie ein Elektron mit einem anderen Atom oder einem Molekül wie Wasser abgeben oder teilen. Wasserstoff wird sein Elektron abgeben oder teilen, um diese Konfiguration zu erreichen, während Lithium und Natrium ihr Elektron abgeben, um stabil zu werden. Durch den Verlust eines negativ geladenen Elektrons werden sie zu positiv geladenen Ionen. Elemente der Gruppe 17, einschließlich Fluor und Chlor, haben sieben Elektronen in ihren äußersten Schalen, daher neigen sie dazu, diese Schale mit einem Elektron von anderen Atomen oder Molekülen zu füllen, was sie zu negativ geladenen Ionen macht. Elemente der Gruppe 14, von denen Kohlenstoff das wichtigste für lebende Systeme ist, haben vier Elektronen in ihrer äußeren Schale, die es ihnen ermöglichen, mehrere kovalente Bindungen (siehe unten) mit anderen Atomen einzugehen. Somit repräsentieren die Spalten des Periodensystems den potentiellen gemeinsamen Zustand der äußeren Elektronenschalen dieser Elemente, der für ihre ähnlichen chemischen Eigenschaften verantwortlich ist.

Elektronenorbitale

Obwohl es nützlich ist, die Reaktivität und chemische Bindung bestimmter Elemente zu erklären, spiegelt das Bohr-Modell nicht genau wider, wie sich Elektronen räumlich um den Kern verteilen. Sie umkreisen den Kern nicht wie die Erde die Sonne, sondern wir finden sie in Elektronenorbitalen. Diese relativ komplexen Formen resultieren daraus, dass sich Elektronen nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten. Mathematische Gleichungen aus der Quantenmechanik, die Wissenschaftler Wellenfunktionen nennen, können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagen, wo sich ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden könnte. Wissenschaftler nennen den Bereich, in dem sich ein Elektron am wahrscheinlichsten befindet, sein Orbital.

Denken Sie daran, dass das Bohr-Modell die Elektronenschalenkonfiguration eines Atoms abbildet. Innerhalb jeder Elektronenschale befinden sich Unterschalen, und jede Unterschale hat eine bestimmte Anzahl von Orbitalen, die Elektronen enthalten. Obwohl es unmöglich ist, den Standort eines Elektrons genau zu berechnen, wissen Wissenschaftler, dass es sich höchstwahrscheinlich innerhalb seiner Umlaufbahn befindet. Die Buchstaben, P, D, und F benennen die Unterschalen. Die S Unterschale ist kugelförmig und hat ein Orbital. Die Hauptschale 1n hat nur eine einzige S Orbital, das zwei Elektronen aufnehmen kann. Hauptschale 2n hat eins S und ein P Unterschale und kann insgesamt acht Elektronen aufnehmen. Die P Unterschale hat drei hantelförmige Orbitale, wie Abbildung 2.8 zeigt. Unterschalen D und F haben komplexere Formen und enthalten fünf bzw. sieben Orbitale. Diese zeigen wir in der Abbildung nicht. Hauptschale 3n hat S, P, und D Unterschalen und kann 18 Elektronen aufnehmen. Hauptschale 4n hat S, P, D und F Orbitale und kann 32 Elektronen aufnehmen. Wenn man sich vom Kern wegbewegt, nimmt die Anzahl der Elektronen und Orbitale in den Energieniveaus zu. Wenn wir im Periodensystem von einem Atom zum nächsten fortschreiten, können wir die Elektronenstruktur bestimmen, indem wir ein zusätzliches Elektron in das nächste verfügbare Orbital einpassen.

Das dem Kern am nächsten liegende Orbital, das 1s-Orbital, kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen. Dieses Orbital entspricht der innersten Elektronenschale des Bohrschen Modells. Wissenschaftler nennen es die 1S Orbital, weil es um den Kern kugelförmig ist. Die 1S Orbital ist das dem Kern am nächsten gelegene Orbital und wird immer zuerst gefüllt, bevor sich jedes andere Orbital füllt. Wasserstoff hat ein Elektron, daher nimmt er nur einen Platz innerhalb der 1 . einS orbital. Wir bezeichnen dies als 1S 1 , wobei sich die hochgestellte 1 auf das eine Elektron innerhalb der 1 . beziehtS orbital. Helium hat zwei Elektronen, daher kann es die 1 . vollständig füllenS Orbital mit seinen beiden Elektronen. Wir bezeichnen dies als 1S 2 , bezogen auf die beiden Heliumelektronen im 1S orbital. Im Periodensystem Abbildung 2.5 sind Wasserstoff und Helium die einzigen beiden Elemente in der ersten Reihe (Periode). Dies liegt daran, dass sie nur in ihrer ersten Schale, der 1 .-Schale, Elektronen habenS orbital. Wasserstoff und Helium sind die einzigen beiden Elemente, die die 1 . habenS und keine anderen Elektronenorbitale im elektrisch neutralen Zustand.

Die zweite Elektronenschale kann acht Elektronen enthalten. Diese Schale enthält eine weitere Kugel S Orbital und drei „Hantel“ geformt P Orbitale, die jeweils zwei Elektronen aufnehmen können, wie Abbildung 2.8 zeigt. Nach dem 1S Orbital füllt sich, die zweite Elektronenschale füllt sich und füllt zuerst ihre 2S Orbital und dann seine drei P Orbitale. Beim Befüllen P Orbitale, jedes nimmt ein einzelnes Elektron. Jeweils einmal P Orbital hat ein Elektron, es kann ein zweites hinzufügen. Lithium (Li) enthält drei Elektronen, die die erste und zweite Schale besetzen. Zwei Elektronen füllen die 1S Orbital, und das dritte Elektron füllt dann die 2S orbital. Seine Elektronenkonfiguration ist 1S 2 2S 1. Neon (Ne) hat alternativ insgesamt zehn Elektronen: zwei befinden sich in seinem innersten 1S Orbital und acht füllen seine zweite Schale (jeweils zwei in der 2S und drei P Orbitale). Somit ist es ein Inertgas und als einzelnes Atom energetisch stabil, das selten eine chemische Bindung mit anderen Atomen eingehen wird. Größere Elemente haben zusätzliche Orbitale, die die dritte Elektronenschale bilden. Während die Konzepte von Elektronenhüllen und Orbitalen eng miteinander verbunden sind, liefern Orbitale eine genauere Darstellung der Elektronenkonfiguration eines Atoms, da das Orbitalmodell die unterschiedlichen Formen und speziellen Ausrichtungen aller Orte angibt, die Elektronen einnehmen können.

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Sehen Sie sich diese visuelle Animation an, um die räumliche Anordnung der p- und s-Orbitale zu sehen.

Chemische Reaktionen und Moleküle

Alle Elemente sind am stabilsten, wenn ihre äußerste Schale nach der Oktettregel mit Elektronen gefüllt ist. Dies liegt daran, dass Atome in dieser Konfiguration energetisch günstig sind und sie stabil machen. Da jedoch nicht alle Elemente über genügend Elektronen verfügen, um ihre äußersten Schalen zu füllen, gehen Atome chemische Bindungen mit anderen Atomen ein und erhalten so die Elektronen, die sie für eine stabile Elektronenkonfiguration benötigen. Wenn zwei oder mehr Atome chemisch miteinander verbunden sind, ist die resultierende chemische Struktur ein Molekül. Das bekannte Wassermolekül H2O, besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Diese verbinden sich zu Wasser, wie Abbildung 2.9 zeigt. Atome können Moleküle bilden, indem sie Elektronen abgeben, annehmen oder teilen, um ihre äußere Hülle zu füllen.

Chemische Reaktionen treten auf, wenn sich zwei oder mehr Atome zu Molekülen verbinden oder wenn gebundene Atome auseinanderbrechen. Wissenschaftler nennen die Stoffe, die am Anfang einer chemischen Reaktion verwendet werden, Reaktanten (normalerweise auf der linken Seite einer chemischen Gleichung), und wir nennen die Substanzen am Ende der Reaktion Produkte (normalerweise auf der rechten Seite einer chemischen Gleichung). Normalerweise zeichnen wir einen Pfeil zwischen den Reaktanten und Produkten, um die Richtung der chemischen Reaktion anzuzeigen. Diese Richtung ist nicht immer eine „Einbahnstraße“. Um das obige Wassermolekül zu erzeugen, wäre die chemische Gleichung:

Ein Beispiel für eine einfache chemische Reaktion ist der Abbau von Wasserstoffperoxidmolekülen, die jeweils aus zwei Wasserstoffatomen bestehen, die an zwei Sauerstoffatome (H2Ö2). Der Reaktant Wasserstoffperoxid zerfällt zu Wasser, das ein Sauerstoffatom an zwei Wasserstoffatome (H2O) und Sauerstoff, der aus zwei gebundenen Sauerstoffatomen (O2). In der folgenden Gleichung umfasst die Reaktion zwei Wasserstoffperoxidmoleküle und zwei Wassermoleküle. Dies ist ein Beispiel für eine ausgewogene chemische Gleichung, bei der die Anzahl der Atome jedes Elements auf jeder Seite der Gleichung gleich ist. Nach dem Gesetz der Erhaltung der Materie sollte die Anzahl der Atome vor und nach einer chemischen Reaktion gleich sein, so dass unter normalen Umständen keine Atome erzeugt oder zerstört werden.

Obwohl alle Reaktanten und Produkte dieser Reaktion Moleküle sind (jedes Atom bleibt an mindestens ein anderes Atom gebunden), sind bei dieser Reaktion nur Wasserstoffperoxid und Wasser Vertreter von Verbindungen: Sie enthalten Atome von mehr als einer Elementart. Molekularer Sauerstoff hingegen besteht, wie Abbildung 2.10 zeigt, aus zwei doppelt gebundenen Sauerstoffatomen und wird nicht als Verbindung, sondern als homonukleares Molekül klassifiziert.

Einige chemische Reaktionen, wie die obige, können in eine Richtung ablaufen, bis alle Reaktanten verbraucht sind. Die Gleichungen, die diese Reaktionen beschreiben, enthalten einen unidirektionalen Pfeil und sind irreversibel. Reversible Reaktionen sind solche, die in beide Richtungen gehen können. Bei reversiblen Reaktionen werden Reaktanten zu Produkten, aber wenn die Konzentration des Produkts einen bestimmten Schwellenwert (charakteristisch für die jeweilige Reaktion) überschreitet, wandeln sich einige dieser Produkte wieder in Reaktanten um. An diesem Punkt kehren sich die Produkt- und Eduktbezeichnungen um. Dieses Hin und Her setzt sich fort, bis ein gewisses relatives Gleichgewicht zwischen Reaktanten und Produkten eintritt – ein Zustand, der Gleichgewicht genannt wird. Eine chemische Gleichung mit einem Doppelpfeil, der sowohl auf die Reaktanten als auch auf die Produkte zeigt, kennzeichnet häufig diese reversiblen Reaktionssituationen.

Im menschlichen Blut beispielsweise binden überschüssige Wasserstoffionen (H + ) an Bicarbonationen (HCO3 - ) einen Gleichgewichtszustand mit Kohlensäure (H2CO3). Wenn wir diesem System Kohlensäure zufügen, würde sich ein Teil davon in Bicarbonat- und Wasserstoffionen umwandeln.

Jedoch erreichen biologische Reaktionen selten ein Gleichgewicht, weil sich die Konzentrationen der Reaktanten oder Produkte oder beides ständig ändern, wobei oft das Produkt einer Reaktion ein Reaktant für eine andere ist. Um auf das Beispiel überschüssiger Wasserstoffionen im Blut zurückzukommen, wird die Bildung von Kohlensäure die Hauptrichtung der Reaktion sein. Die Kohlensäure kann den Körper jedoch auch als Kohlendioxidgas (durch Ausatmen) verlassen, anstatt sich wieder in Bicarbonat-Ionen umzuwandeln, und treibt so die Reaktion nach dem Massenwirkungsgesetz nach rechts. Diese Reaktionen sind wichtig für die Aufrechterhaltung der Homöostase in unserem Blut.

Ionen und ionische Bindungen

Einige Atome sind stabiler, wenn sie ein Elektron (oder möglicherweise zwei) aufnehmen oder verlieren und Ionen bilden. Dies füllt ihre äußerste Elektronenhülle und macht sie energetisch stabiler. Da die Anzahl der Elektronen nicht der Anzahl der Protonen entspricht, hat jedes Ion eine Nettoladung. Kationen sind positive Ionen, die durch Elektronenverlust entstehen. Negative Ionen entstehen durch die Aufnahme von Elektronen, die wir Anionen nennen. Wir bezeichnen Anionen mit ihrem Elementarnamen und ändern die Endung in „-ide“, also ist das Anion von Chlor Chlorid und das Anion von Schwefel Sulfid.

Wissenschaftler bezeichnen diese Bewegung von Elektronen von einem Element zum anderen als Elektronentransfer. Wie Abbildung 2.11 zeigt, hat Natrium (Na) nur ein Elektron in seiner äußeren Elektronenhülle. Natrium braucht weniger Energie, um dieses eine Elektron abzugeben, als sieben weitere Elektronen aufzunehmen, um die äußere Hülle zu füllen. Wenn Natrium ein Elektron verliert, hat es jetzt 11 Protonen, 11 Neutronen und nur 10 Elektronen, so dass es eine Gesamtladung von +1 hat. Wir bezeichnen es jetzt als Natriumion. Chlor (Cl) in seinem niedrigsten Energiezustand (dem Grundzustand genannt) hat sieben Elektronen in seiner äußeren Hülle. Auch hier ist es für Chlor energieeffizienter, ein Elektron zu gewinnen, als sieben zu verlieren. Daher neigt es dazu, ein Elektron zu gewinnen, um ein Ion mit 17 Protonen, 17 Neutronen und 18 Elektronen zu erzeugen, was ihm eine negative Nettoladung (-1) verleiht. Wir bezeichnen es jetzt als Chloridion. In diesem Beispiel spendet Natrium sein einziges Elektron, um seine Hülle zu leeren, und Chlor akzeptiert dieses Elektron, um seine Hülle zu füllen. Beide Ionen erfüllen nun die Oktettregel und haben vollständige äußerste Schalen. Da die Anzahl der Elektronen nicht mehr der Anzahl der Protonen entspricht, ist jedes jetzt ein Ion und hat eine Ladung von +1 (Natriumkation) oder –1 (Chloridanion). Beachten Sie, dass diese Transaktionen normalerweise nur gleichzeitig stattfinden können: Damit ein Natriumatom ein Elektron verlieren kann, muss es in Gegenwart eines geeigneten Empfängers wie eines Chloratoms sein.

Ionenbindungen bilden sich zwischen Ionen mit entgegengesetzter Ladung. Zum Beispiel verbinden sich positiv geladene Natriumionen und negativ geladene Chloridionen zu Kristallen aus Natriumchlorid oder Kochsalz, wodurch ein kristallines Molekül ohne Nettoladung entsteht.

Physiologen bezeichnen bestimmte Salze als Elektrolyte (einschließlich Natrium, Kalium und Kalzium), Ionen, die für die Weiterleitung von Nervenimpulsen, Muskelkontraktionen und den Wasserhaushalt notwendig sind. Viele Sportgetränke und Nahrungsergänzungsmittel liefern diese Ionen, um diejenigen zu ersetzen, die der Körper durch das Schwitzen während des Trainings verloren hat.

Kovalente Bindungen und andere Bindungen und Wechselwirkungen

Eine andere Möglichkeit, die Oktettregel zu erfüllen, besteht darin, Elektronen zwischen Atomen zu teilen, um kovalente Bindungen zu bilden. Diese Bindungen sind stärker und viel häufiger als ionische Bindungen in den Molekülen lebender Organismen. Wir finden häufig kovalente Bindungen in organischen Molekülen auf Kohlenstoffbasis, wie unserer DNA und Proteinen. Wir finden auch kovalente Bindungen in anorganischen Molekülen wie H2O, CO2, und O2. Die Bindungen können ein, zwei oder drei Elektronenpaare teilen, wodurch Einzel-, Doppel- bzw. Dreifachbindungen entstehen. Je mehr kovalente Bindungen zwischen zwei Atomen bestehen, desto stärker ist ihre Verbindung. Somit sind Dreifachbindungen die stärksten.

Die Stärke unterschiedlicher kovalenter Bindungen ist einer der Hauptgründe dafür, dass lebende Organismen Schwierigkeiten haben, Stickstoff für den Aufbau ihrer Moleküle zu gewinnen, obwohl molekularer Stickstoff, N2, ist das am häufigsten vorkommende Gas in der Atmosphäre. Molekularer Stickstoff besteht aus zwei dreifach aneinander gebundenen Stickstoffatomen, und wie bei allen Molekülen ermöglicht die Aufteilung dieser drei Elektronenpaare zwischen den beiden Stickstoffatomen das Auffüllen ihrer äußeren Elektronenhüllen, wodurch das Molekül stabiler wird als die einzelnen Stickstoffatome. Diese starke Dreifachbindung macht es lebenden Systemen schwer, diesen Stickstoff aufzuspalten, um ihn als Bestandteil von Proteinen und DNA zu verwenden.

Die Bildung von Wassermolekülen ist ein Beispiel für kovalente Bindungen. Kovalente Bindungen binden die Wasserstoff- und Sauerstoffatome, die sich zu Wassermolekülen verbinden, wie Abbildung 2.9 zeigt. Das Elektron aus dem Wasserstoff teilt seine Zeit zwischen der unvollständigen äußeren Hülle der Wasserstoffatome und der unvollständigen äußeren Hülle der Sauerstoffatome auf. Um die äußere Hülle des Sauerstoffs, die sechs Elektronen besitzt, aber mit acht stabiler wäre, vollständig zu füllen, werden zwei Elektronen (eines von jedem Wasserstoffatom) benötigt: daher die bekannte Formel H2O. Die beiden Elemente teilen sich die Elektronen, um die äußere Hülle jedes einzelnen zu füllen, wodurch beide Elemente stabiler werden.

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Sehen Sie sich dieses kurze Video an, um eine Animation zur ionischen und kovalenten Bindung zu sehen.

Polare kovalente Bindungen

Es gibt zwei Arten von kovalenten Bindungen: polare und unpolare. Abbildung 2.12 zeigt, dass Atome in einer polaren kovalenten Bindung die Elektronen ungleich teilen und mehr von einem Kern angezogen werden als vom anderen. Wegen der ungleichen Elektronenverteilung zwischen den Atomen verschiedener Elemente ist ein leicht positiver (δ+) oder leicht negativ (δ–) Ladung entwickelt. Diese Teilladung ist eine wichtige Eigenschaft des Wassers und macht viele seiner Eigenschaften aus.

Wasser ist ein polares Molekül, wobei die Wasserstoffatome eine positive Teilladung und der Sauerstoff eine negative Teilladung erhalten. Dies geschieht, weil der Kern des Sauerstoffatoms für die Elektronen der Wasserstoffatome attraktiver ist als der Wasserstoffkern für die Elektronen des Sauerstoffs. Somit hat Sauerstoff eine höhere Elektronegativität als Wasserstoff und die geteilten Elektronen verbringen mehr Zeit in der Nähe des Sauerstoffkerns als im Kern der Wasserstoffatome, wodurch die Sauerstoff- und Wasserstoffatome leicht negative bzw. positive Ladungen erhalten. Eine andere Möglichkeit, dies auszudrücken, ist, dass die Wahrscheinlichkeit, ein gemeinsames Elektron in der Nähe eines Sauerstoffkerns zu finden, wahrscheinlicher ist, als es in der Nähe eines Wasserstoffkerns zu finden. In jedem Fall trägt die relative Elektronegativität des Atoms zur Entwicklung von Teilladungen bei, wenn ein Element deutlich elektronegativer ist als das andere, und die Ladungen, die diese polaren Bindungen erzeugen, können dann verwendet werden, um Wasserstoffbrückenbindungen aufgrund der Anziehung entgegengesetzter Teilladungen zu bilden. (Wasserstoffbrücken, die wir weiter unten im Detail besprechen, sind schwache Bindungen zwischen leicht positiv geladenen Wasserstoffatomen zu leicht negativ geladenen Atomen in anderen Molekülen.) Da Makromoleküle oft Atome enthalten, die sich in der Elektronegativität unterscheiden, sind in organischen Molekülen häufig polare Bindungen vorhanden .

Unpolare kovalente Bindungen

Unpolare kovalente Bindungen bilden sich zwischen zwei Atomen desselben Elements oder zwischen verschiedenen Elementen, die sich die Elektronen gleichmäßig teilen. Molekularer Sauerstoff (O2) ist unpolar, weil sich die Elektronen gleichmäßig zwischen den beiden Sauerstoffatomen verteilen.

Abbildung 2.12 zeigt auch ein weiteres Beispiel für eine unpolare kovalente Bindung – Methan (CH4). Kohlenstoff hat in seiner äußersten Schale vier Elektronen und benötigt vier weitere, um ihn zu füllen. Es erhält diese vier aus vier Wasserstoffatomen, wobei jedes Atom eines liefert, wodurch eine stabile äußere Hülle aus acht Elektronen entsteht. Kohlenstoff und Wasserstoff haben nicht die gleiche Elektronegativität, sind aber ähnlich, daher bilden sich unpolare Bindungen. Die Wasserstoffatome benötigen jeweils ein Elektron für ihre äußerste Schale, die gefüllt ist, wenn sie zwei Elektronen enthält. Diese Elemente teilen sich die Elektronen zu gleichen Teilen auf die Kohlenstoff- und Wasserstoffatome auf, wodurch ein unpolares kovalentes Molekül entsteht.

Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Wechselwirkungen

Ionische und kovalente Bindungen zwischen Elementen erfordern Energie, um aufzubrechen. Ionische Bindungen sind nicht so stark wie kovalent, was ihr Verhalten in biologischen Systemen bestimmt. Jedoch sind nicht alle Bindungen ionische oder kovalente Bindungen. Auch zwischen Molekülen können sich schwächere Bindungen ausbilden. Zwei häufig auftretende schwache Bindungen sind Wasserstoffbrücken und Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Ohne diese beiden Arten von Bindungen würde das Leben, wie wir es kennen, nicht existieren. Wasserstoffbrücken stellen viele der entscheidenden, lebenserhaltenden Eigenschaften von Wasser bereit und stabilisieren auch die Strukturen von Proteinen und DNA, dem Baustein der Zellen.

Wenn sich polare kovalente Bindungen mit Wasserstoff bilden, hat der Wasserstoff in dieser Bindung eine leicht positive Ladung, da das Elektron des Wasserstoffs stärker zum anderen Element und vom Wasserstoff weggezogen wird. Da der Wasserstoff leicht positiv ist, wird er von benachbarten negativen Ladungen angezogen. Dabei kommt es zu einer schwachen Wechselwirkung zwischen dem Wasserstoff δ + von einem Molekül und den des Moleküls δ – Aufladen eines anderen Moleküls mit den elektronegativeren Atomen, normalerweise Sauerstoff. Wissenschaftler nennen diese Wechselwirkung eine Wasserstoffbrücke. Diese Art der Bindung ist weit verbreitet und tritt regelmäßig zwischen Wassermolekülen auf. Einzelne Wasserstoffbrückenbindungen sind schwach und leicht zu brechen, sie kommen jedoch in sehr großer Zahl in Wasser und in organischen Polymeren vor und erzeugen in Kombination eine große Kraft. Wasserstoffbrücken sind auch dafür verantwortlich, dass die DNA-Doppelhelix zusammengefügt wird.

Wie Wasserstoffbrücken sind Van-der-Waals-Wechselwirkungen schwache Anziehungen oder Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Van-der-Waals-Anziehungen können zwischen zwei oder mehreren Molekülen auftreten und hängen von leichten Schwankungen der Elektronendichten ab, die nicht immer symmetrisch um ein Atom herum sind. Damit diese Anziehungen stattfinden können, müssen die Moleküle sehr nahe beieinander sein. Diese Bindungen tragen – zusammen mit ionischen, kovalenten und Wasserstoffbrücken – zur dreidimensionalen Struktur der Proteine ​​in unseren Zellen bei, die für ihre ordnungsgemäße Funktion notwendig ist.

Karriereverbindung

Pharmazeutischer Chemiker

Pharmazeutische Chemiker sind dafür verantwortlich, neue Medikamente zu entwickeln und die Wirkungsweise alter und neuer Medikamente zu bestimmen. Sie sind an jedem Schritt des Arzneimittelentwicklungsprozesses beteiligt. Wir können Medikamente in der natürlichen Umgebung finden oder im Labor synthetisieren. In vielen Fällen verändern Chemiker potenzielle Medikamente aus der Natur chemisch im Labor, um sie sicherer und wirksamer zu machen, und manchmal ersetzen synthetische Versionen von Medikamenten die Versionen, die wir in der Natur finden.

Nach der ersten Entdeckung oder Synthese eines Medikaments entwickelt der Chemiker das Medikament, verändert es möglicherweise chemisch, testet es auf seine Toxizität und entwickelt dann Methoden für eine effiziente Produktion im großen Maßstab. Dann beginnt der Prozess der Zulassung des Arzneimittels für den menschlichen Gebrauch. In den Vereinigten Staaten kümmert sich die Food and Drug Administration (FDA) um die Arzneimittelzulassung. Dies beinhaltet eine Reihe von groß angelegten Experimenten mit menschlichen Probanden, um sicherzustellen, dass das Medikament nicht schädlich ist und den Zustand, für den es bestimmt ist, wirksam behandelt. Dieser Prozess dauert oft mehrere Jahre und erfordert die Beteiligung von Ärzten und Wissenschaftlern sowie Chemikern, um die Tests abzuschließen und die Zulassung zu erhalten.

Ein Beispiel für ein Medikament, das ursprünglich in einem lebenden Organismus entdeckt wurde, ist Paclitaxel (Taxol), ein Krebsmedikament zur Behandlung von Brustkrebs. Dieses Medikament wurde in der Rinde der pazifischen Eibe entdeckt. Ein weiteres Beispiel ist Aspirin, das ursprünglich aus Weidenrinde isoliert wurde. Medikamente zu finden bedeutet oft, Hunderte von Proben von Pflanzen, Pilzen und anderen Lebensformen zu testen, um zu sehen, ob sie biologisch aktive Verbindungen enthalten. Manchmal kann die traditionelle Medizin der modernen Medizin Hinweise geben, wo ein Wirkstoff zu finden ist. Zum Beispiel verwendet die Menschheit seit Tausenden von Jahren Weidenrinde, um Medizin herzustellen, die bis ins alte Ägypten zurückreicht. Es dauerte jedoch bis Ende des 19. Jahrhunderts, dass Wissenschaftler und Pharmaunternehmen das Aspirin-Molekül Acetylsalicylsäure für den menschlichen Gebrauch aufbereiteten und vermarkteten.

Gelegentlich haben Medikamente, die für einen bestimmten Gebrauch entwickelt wurden, unvorhergesehene Wirkungen, die eine Verwendung auf andere, nicht zusammenhängende Weise ermöglichen. Zum Beispiel haben Wissenschaftler ursprünglich das Medikament Minoxidil (Rogaine) zur Behandlung von Bluthochdruck entwickelt. Bei Tests an Menschen stellten die Forscher fest, dass Personen, die das Medikament einnahmen, neue Haare wachsen ließen. Schließlich vermarktete das Pharmaunternehmen das Medikament an Männer und Frauen mit Kahlheit, um verlorenes Haar wiederherzustellen.

Die Karriere eines pharmazeutischen Chemikers kann Detektivarbeit, Experimente und Medikamentenentwicklung beinhalten, alles mit dem Ziel, die Menschen gesünder zu machen.


2.1 Atome, Isotope, Ionen und Moleküle: die Bausteine

In diesem Abschnitt gehen Sie den folgenden Fragen nach:

  • Wie bestimmt die atomare Struktur die Eigenschaften von Elementen, Molekülen und Materie?
  • Was sind die Unterschiede zwischen ionischen Bindungen, kovalenten Bindungen, polaren kovalenten Bindungen und Wasserstoffbrücken?

Anschluss für AP ® Kurse

Lebende Systeme gehorchen den Gesetzen der Chemie und Physik. Materie ist alles, was Raum und Masse einnimmt. Die 92 natürlich vorkommenden Elemente haben einzigartige Eigenschaften, und verschiedene Kombinationen von ihnen bilden Moleküle, die sich zu Organellen, Zellen, Geweben, Organsystemen und Organismen verbinden. Atome , die aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen, sind die kleinsten Einheiten der Materie, die alle ihre Eigenschaften behalten und am stabilsten sind, wenn ihre äußersten oder Valenzelektronenschalen die maximale Anzahl von Elektronen enthalten. Elektronen können übertragen, geteilt werden oder Ladungsunterschiede zwischen Atomen verursachen, um Bindungen zu schaffen, einschließlich ionischer, kovalenter und Wasserstoffbindungen, sowie Van-del-Waals-Wechselwirkungen. Isotope sind verschiedene Formen eines Elements, die eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen aufweisen, während sie die gleiche Anzahl von Protonen beibehalten. Viele Isotope, wie beispielsweise Kohlenstoff-14, sind radioaktiv.

Die präsentierten Informationen und Beispiele, die in diesem Abschnitt hervorgehoben werden, unterstützen die Konzepte und Lernziele, die in Big Idea 2 des AP ® Biology Curriculum Framework beschrieben sind. Die im Curriculum Framework aufgeführten Lernziele bieten eine transparente Grundlage für den AP ® Biologiekurs, eine forschungsbasierte Laborerfahrung, Unterrichtsaktivitäten und AP ® Prüfungsfragen. Ein Lernziel verbindet erforderliche Inhalte mit einer oder mehreren der sieben Wissenschaftspraktiken.

Große Idee 2 Biologische Systeme nutzen freie Energie und molekulare Bausteine, um zu wachsen, sich zu reproduzieren und eine dynamische Homöostase aufrechtzuerhalten.
Beständiges Verständnis 2.A Wachstum, Reproduktion und Erhaltung lebender Systeme erfordern freie Energie und Materie.
Grundlegendes Wissen 2.A.1 Alle lebenden Systeme benötigen ständig freie Energie.
Wissenschaftliche Praxis 4.1 Der Student kann die Auswahl der Art von Daten begründen, die zur Beantwortung einer bestimmten wissenschaftlichen Frage benötigt werden.
Wissenschaftliche Praxis 6.2 Der Student kann Erklärungen von Phänomenen aufbauen, die auf Beweisen basieren, die durch wissenschaftliche Praktiken gewonnen wurden.
Wissenschaftliche Praxis 6.4 Der Student kann auf der Grundlage wissenschaftlicher Theorien und Modelle Behauptungen und Vorhersagen über Naturphänomene aufstellen.
Lernziel 2.8 Der Studierende ist in der Lage, die Auswahl der Daten zu begründen, welche Arten von Molekülen ein Tier, eine Pflanze oder ein Bakterium als notwendige Bausteine ​​aufnimmt und als Abfallprodukte ausscheidet.

Die Challenge-Fragen zur Wissenschaftspraxis enthalten zusätzliche Testfragen für diesen Abschnitt, die Ihnen bei der Vorbereitung auf die AP-Prüfung helfen. Diese Fragen beziehen sich auf folgende Standards:
[APLO 1.12] [APLO 2.9] [APLO 2.42] [APLO 2.22]

Auf seiner grundlegendsten Ebene besteht das Leben aus Materie. Materie ist jede Substanz, die Raum einnimmt und Masse hat. Elemente sind einzigartige Materieformen mit spezifischen chemischen und physikalischen Eigenschaften, die durch gewöhnliche chemische Reaktionen nicht in kleinere Substanzen zerlegt werden können. Es gibt 118 Elemente, aber nur 98 kommen natürlich vor. Die restlichen Elemente werden im Labor synthetisiert und sind instabil.

Jedes Element wird durch sein chemisches Symbol bezeichnet, das ein einzelner Großbuchstabe oder, wenn der erste Buchstabe bereits von einem anderen Element „eingenommen“ ist, eine Kombination aus zwei Buchstaben ist. Einige Elemente folgen dem englischen Begriff für das Element, wie C für Kohlenstoff und Ca für Kalzium. Die chemischen Symbole anderer Elemente leiten sich von ihren lateinischen Namen ab, zum Beispiel ist das Symbol für Natrium Na und bezieht sich auf Natrium, das lateinische Wort für Natrium.

Die vier Elemente, die allen lebenden Organismen gemeinsam sind, sind Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Stickstoff (N). In der unbelebten Welt kommen Elemente in unterschiedlichen Anteilen vor, und einige Elemente, die bei lebenden Organismen vorkommen, sind auf der Erde insgesamt relativ selten, wie Tabelle 2.1 zeigt. Beispielsweise ist die Atmosphäre reich an Stickstoff und Sauerstoff, enthält aber wenig Kohlenstoff und Wasserstoff, während die Erdkruste, obwohl sie Sauerstoff und eine geringe Menge Wasserstoff enthält, wenig Stickstoff und Kohlenstoff enthält. Trotz ihres unterschiedlichen Vorkommens gehorchen alle Elemente und die chemischen Reaktionen zwischen ihnen den gleichen chemischen und physikalischen Gesetzen, unabhängig davon, ob sie Teil der belebten oder unbelebten Welt sind.

Ungefährer Prozentsatz der Elemente in lebenden Organismen (Menschen) im Vergleich zur unbelebten Welt
ElementLeben (Menschen)AtmosphäreErdkruste
Sauerstoff (O) 65% 21% 46%
Kohlenstoff (C) 18% verfolgen verfolgen
Wasserstoff (H) 10% verfolgen 0.1%
Stickstoff (N) 3% 78% verfolgen

Die Struktur des Atoms

Um zu verstehen, wie Elemente zusammenkommen, müssen wir zuerst die kleinste Komponente oder den kleinsten Baustein eines Elements diskutieren, das Atom. Ein Atom ist die kleinste Einheit der Materie, die alle chemischen Eigenschaften eines Elements beibehält. Zum Beispiel hat ein Goldatom alle Eigenschaften von Gold, da es bei Raumtemperatur ein festes Metall ist. Eine Goldmünze ist einfach eine sehr große Anzahl von Goldatomen, die in die Form einer Münze geformt wurden und kleine Mengen anderer Elemente enthalten, die als Verunreinigungen bekannt sind. Goldatome können nicht in kleinere Teile zerlegt werden, während die Eigenschaften von Gold erhalten bleiben.

Ein Atom besteht aus zwei Bereichen: dem Kern, der sich im Zentrum des Atoms befindet und Protonen und Neutronen enthält, und dem äußersten Bereich des Atoms, der seine Elektronen auf einer Umlaufbahn um den Kern hält, wie in Abbildung 2.2 dargestellt. Atome enthalten neben anderen subatomaren Teilchen Protonen, Elektronen und Neutronen. Die einzige Ausnahme ist Wasserstoff (H), der aus einem Proton und einem Elektron ohne Neutronen besteht.

Protonen und Neutronen haben ungefähr die gleiche Masse, etwa 1,67 × 10 -24 Gramm. Wissenschaftler definieren diese Masse willkürlich als eine atomare Masseneinheit (amu) oder einen Dalton, wie in Tabelle 2.2 gezeigt. Obwohl sie eine ähnliche Masse haben, unterscheiden sich Protonen und Neutronen in ihrer elektrischen Ladung. Ein Proton ist positiv geladen, während ein Neutron ungeladen ist. Daher trägt die Anzahl der Neutronen in einem Atom wesentlich zu seiner Masse, aber nicht zu seiner Ladung bei. Elektronen haben eine viel geringere Masse als Protonen und wiegen nur 9,11 × 10 -28 Gramm oder etwa 1/1800 einer atomaren Masseneinheit. Daher tragen sie nicht viel zur gesamten Atommasse eines Elements bei. Daher ist es bei der Betrachtung der Atommasse üblich, die Masse aller Elektronen zu ignorieren und die Masse des Atoms allein aus der Anzahl der Protonen und Neutronen zu berechnen. Obwohl sie keinen wesentlichen Beitrag zur Masse leisten, tragen Elektronen stark zur Ladung des Atoms bei, da jedes Elektron eine negative Ladung hat, die der positiven Ladung eines Protons entspricht. In ungeladenen, neutralen Atomen ist die Zahl der Elektronen, die den Kern umkreisen, gleich der Zahl der Protonen im Kern. In diesen Atomen heben sich die positiven und negativen Ladungen gegenseitig auf, was zu einem Atom ohne Nettoladung führt.

Berücksichtigt man die Größe von Protonen, Neutronen und Elektronen, ist der größte Teil des Volumens eines Atoms – mehr als 99 Prozent – ​​tatsächlich leerer Raum. Bei all diesem leeren Raum könnte man sich fragen, warum sogenannte feste Objekte nicht einfach durcheinander hindurchgehen. Der Grund dafür ist, dass die Elektronen, die alle Atome umgeben, negativ geladen sind und sich negative Ladungen gegenseitig abstoßen.

Protonen, Neutronen und Elektronen
AufladenMasse (amu)Standort
Proton +1 1 Kern
Neutron 0 1 Kern
Elektron –1 0 Orbitale

Ordnungszahl und Masse

Atome jedes Elements enthalten eine charakteristische Anzahl von Protonen und Elektronen. Die Anzahl der Protonen bestimmt die Ordnungszahl eines Elements und wird verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden. Die Anzahl der Neutronen ist variabel, was zu Isotopen führt, bei denen es sich um verschiedene Formen desselben Atoms handelt, die sich nur in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, die sie besitzen. Die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Neutronen bestimmen zusammen die Massenzahl eines Elements, wie in Abbildung 2.3 dargestellt. Beachten Sie, dass der geringe Massenbeitrag der Elektronen bei der Berechnung der Massenzahl vernachlässigt wird. Diese Näherung der Masse kann verwendet werden, um leicht zu berechnen, wie viele Neutronen ein Element hat, indem man einfach die Anzahl der Protonen von der Massenzahl abzieht. Da die Isotope eines Elements leicht unterschiedliche Massenzahlen haben, bestimmen Wissenschaftler auch die Atommasse, die der berechnete Mittelwert der Massenzahl seiner natürlich vorkommenden Isotope ist. Oft enthält die resultierende Zahl einen Bruch. Zum Beispiel beträgt die Atommasse von Chlor (Cl) 35,45, weil Chlor aus mehreren Isotopen besteht, einige (die Mehrheit) mit der Atommasse 35 (17 Protonen und 18 Neutronen) und einige mit der Atommasse 37 (17 Protonen und 20 Neutronen). .

VISUELLE VERBINDUNG

    1. Kohlenstoff-12 enthält 6 Neutronen, während Kohlenstoff-13 7 Neutronen enthält.
    2. Kohlenstoff-12 enthält 7 Neutronen, während Kohlenstoff-13 6 Neutronen enthält.
    3. Kohlenstoff-12 enthält 12 Neutronen, während Kohlenstoff-13 13 Neutronen enthält.
    4. Kohlenstoff-12 enthält 13 Neutronen, während Kohlenstoff-13 12 Neutronen enthält.

    Isotope

    Isotope sind verschiedene Formen eines Elements mit der gleichen Anzahl von Protonen, aber einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen. Einige Elemente – wie Kohlenstoff, Kalium und Uran – haben natürlich vorkommende Isotope. Kohlenstoff-12 enthält sechs Protonen, sechs Neutronen und sechs Elektronen, daher hat es eine Massenzahl von 12 (sechs Protonen und sechs Neutronen). Kohlenstoff-14 enthält sechs Protonen, acht Neutronen und sechs Elektronen, seine Atommasse beträgt 14 (sechs Protonen und acht Neutronen). Diese beiden alternativen Kohlenstoffformen sind Isotope. Einige Isotope können Neutronen, Protonen und Elektronen emittieren und eine stabilere Atomkonfiguration (niedrigeres Niveau der potentiellen Energie) erreichen. Dies sind radioaktive Isotope oder Radioisotope. Der radioaktive Zerfall (Kohlenstoff-14, der Neutronen verliert, um schließlich zu Stickstoff-14 zu werden) beschreibt den Energieverlust, der auftritt, wenn der Kern eines instabilen Atoms Strahlung freisetzt.

    EVOLUTION-VERBINDUNG

    Kohlenstoff-Dating

    Kohlenstoff ist in der Atmosphäre normalerweise in Form von gasförmigen Verbindungen wie Kohlendioxid und Methan vorhanden. Kohlenstoff-14 (14 C) ist ein natürlich vorkommendes Radioisotop, das in der Atmosphäre aus atmosphärischem 14 N (Stickstoff) durch die Zugabe eines Neutrons und den Verlust eines Protons durch kosmische Strahlung entsteht. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, daher wird immer mehr 14 C erzeugt. Da ein lebender Organismus 14 C zunächst als bei der Photosynthese fixiertes Kohlendioxid aufnimmt, entspricht die relative Menge von 14 C in seinem Körper der Konzentration von 14 C in der Atmosphäre. Wenn ein Organismus stirbt, nimmt er kein 14 C mehr auf, so dass das Verhältnis zwischen 14 C und 12 C abnimmt, da 14 C durch einen Prozess namens Beta-Zerfall allmählich zu 14 N zerfällt – die Emission von Elektronen oder Positronen. Dieser Zerfall gibt in einem langsamen Prozess Energie ab.

    Nach etwa 5.730 Jahren wird die Hälfte der Ausgangskonzentration von 14 C wieder in 14 N umgewandelt sein. Die Zeit, die benötigt wird, bis die Hälfte der ursprünglichen Konzentration eines Isotops wieder in seine stabilere Form zerfällt, wird Halbwertszeit genannt. Wegen der langen Halbwertszeit von 14 C wird es bis heute verwendet, ehemals lebende Objekte wie alte Knochen oder Holz zu datieren. Vergleicht man das Verhältnis der in einem Objekt gefundenen 14 C-Konzentration zu der in der Atmosphäre nachgewiesenen 14 C-Menge, kann die Menge des noch nicht zerfallenen Isotops bestimmt werden. Anhand dieser Menge lässt sich das Alter des Materials, wie beispielsweise des in Abbildung 2.4 gezeigten Zwergmammuts, genau berechnen, wenn es nicht viel älter als etwa 50.000 Jahre ist. Andere Elemente haben Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten. 40 K (Kalium-40) hat beispielsweise eine Halbwertszeit von 1,25 Milliarden Jahren und 235 U (Uran 235) hat eine Halbwertszeit von etwa 700 Millionen Jahren. Mithilfe der radiometrischen Datierung können Wissenschaftler das Alter von Fossilien oder anderen Überresten ausgestorbener Organismen untersuchen, um zu verstehen, wie sich Organismen aus früheren Arten entwickelt haben.

    1. Das Verhältnis wäre beim Elefanten und beim Mammut gleich.
    2. Das Verhältnis wäre beim Elefanten niedriger als beim Mammut.
    3. Das Verhältnis wäre beim Elefanten höher als beim Mammut.
    4. Das Verhältnis würde von der Ernährung jedes Tieres abhängen.

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    Um mehr über Atome und Isotope zu erfahren und wie man ein Isotop von einem anderen unterscheidet, besuchen Sie diese Seite und führen Sie die Simulation aus.

    1. K-41 hat insgesamt 24 Neutronen und normales K-Atom hat 22 Neutronen
    2. K-41 hat insgesamt 22 Neutronen und normales K-Atom hat 20 Neutronen
    3. K-41 hat ein Neutron mehr als das normale K-Atom
    4. K-41 hat ein Neutron weniger als normales K-Atom

    Das Periodensystem

    Die verschiedenen Elemente werden im Periodensystem organisiert und angezeigt. Die Tabelle wurde 1869 vom russischen Chemiker Dmitri Mendeleev (1834–1907) entwickelt und gruppiert Elemente, die zwar einzigartig sind, aber bestimmte chemische Eigenschaften mit anderen Elementen teilen. Die Eigenschaften von Elementen sind für ihren physikalischen Zustand bei Raumtemperatur verantwortlich: Sie können Gase, Feststoffe oder Flüssigkeiten sein. Elemente haben auch eine spezifische chemische Reaktivität, die Fähigkeit, sich zu verbinden und chemisch miteinander zu verbinden.

    Im Periodensystem, das in Abbildung 2.5 dargestellt ist, werden die Elemente nach ihrer Ordnungszahl organisiert und angezeigt und sind basierend auf gemeinsamen chemischen und physikalischen Eigenschaften in einer Reihe von Reihen und Spalten angeordnet. Neben der Ordnungszahl für jedes Element zeigt das Periodensystem auch die Atommasse des Elements an. Betrachtet man beispielsweise Kohlenstoff, erscheinen sein Symbol (C) und sein Name sowie seine Ordnungszahl sechs (in der oberen linken Ecke) und seine Atommasse von 12.11.

    Das Periodensystem gruppiert Elemente nach chemischen Eigenschaften. Die Unterschiede in der chemischen Reaktivität zwischen den Elementen beruhen auf der Anzahl und der räumlichen Verteilung der Elektronen eines Atoms. Atome, die chemisch reagieren und aneinander binden, bilden Moleküle. Moleküle sind einfach zwei oder mehr Atome, die chemisch miteinander verbunden sind. Wenn sich zwei Atome chemisch zu einem Molekül verbinden, kommen ihre Elektronen, die den äußersten Bereich jedes Atoms bilden, logischerweise zuerst zusammen, wenn die Atome eine chemische Bindung eingehen.

    Elektronenhüllen und das Bohr-Modell

    Es sollte betont werden, dass ein Zusammenhang besteht zwischen der Anzahl der Protonen in einem Element, der Ordnungszahl, die ein Element vom anderen unterscheidet, und der Anzahl seiner Elektronen. In allen elektrisch neutralen Atomen ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen. Somit hat jedes Element, zumindest wenn es elektrisch neutral ist, eine charakteristische Anzahl von Elektronen, die seiner Ordnungszahl entspricht.

    Ein frühes Atommodell wurde 1913 vom dänischen Wissenschaftler Niels Bohr (1885–1962) entwickelt. Das Bohr-Modell zeigt das Atom als zentralen Kern, der Protonen und Neutronen enthält, wobei die Elektronen in kreisförmigen Orbitalen in bestimmten Abständen vom Kern angeordnet sind, wie in Abbildung 2.6 dargestellt. Diese Bahnen bilden Elektronenschalen oder Energieniveaus, die eine Möglichkeit darstellen, die Anzahl der Elektronen in den äußersten Schalen zu visualisieren. Diese Energieniveaus werden durch eine Zahl und das Symbol „n“ gekennzeichnet. 1n stellt beispielsweise das erste Energieniveau dar, das dem Kern am nächsten liegt.

    Elektronen füllen Orbitale in einer konsistenten Reihenfolge: Sie füllen zuerst die Orbitale, die dem Kern am nächsten sind, dann füllen sie Orbitale mit zunehmender Energie weiter vom Kern entfernt. Wenn mehrere Orbitale gleicher Energie vorhanden sind, werden sie in jedem Energieniveau mit einem Elektron gefüllt, bevor ein zweites Elektron hinzugefügt wird. Die Elektronen des äußersten Energieniveaus bestimmen die energetische Stabilität des Atoms und seine Tendenz, mit anderen Atomen chemische Bindungen zu bilden, um Moleküle zu bilden.

    Unter Standardbedingungen füllen Atome zuerst die inneren Schalen, was oft zu einer unterschiedlichen Anzahl von Elektronen in der äußersten Schale führt. Die innerste Schale hat maximal zwei Elektronen, aber die nächsten beiden Elektronenschalen können jeweils maximal acht Elektronen haben. Dies ist als Oktettregel bekannt, die besagt, dass Atome mit Ausnahme der innersten Schale energetisch stabiler sind, wenn sie acht Elektronen in ihrer Valenzschale, der äußersten Elektronenschale, haben. Beispiele einiger neutraler Atome und ihrer Elektronenkonfigurationen sind in Abbildung 2.7 dargestellt. Beachten Sie, dass Helium in dieser Abbildung 2.7 eine vollständige äußere Elektronenhülle hat, in der zwei Elektronen seine erste und einzige Hülle füllen. In ähnlicher Weise hat Neon eine vollständige äußere 2n-Schale, die acht Elektronen enthält. Im Gegensatz dazu haben Chlor und Natrium sieben bzw. eins in ihrer äußeren Hülle, aber theoretisch wären sie energetisch stabiler, wenn sie der Oktettregel folgen würden und acht hätten.

    VISUELLE VERBINDUNG

    1. Elemente der Gruppe 1 müssen ein Elektron verlieren, Elemente der Gruppe 14 müssen 4 Elektronen aufnehmen und Elemente der Gruppe 17 müssen 1 Elektron aufnehmen
    2. Elemente der Gruppe 1 müssen 4 Elektronen verlieren, während Elemente der Gruppe 14 und 17 jeweils 1 Elektron aufnehmen müssen.
    3. Elemente der Gruppe 1 müssen 2 Elektronen verlieren, Elemente der Gruppe 14 müssen 4 Elektronen aufnehmen und Elemente der Gruppe 17 müssen 1 Elektron aufnehmen.
    4. Elemente der Gruppe 1 müssen 1 Elektron aufnehmen, während Elemente der Gruppe 14 4 Elektronen und Elemente der Gruppe 17 1 Elektron verlieren müssen.

    Zu verstehen, dass die Organisation des Periodensystems auf der Gesamtzahl der Protonen (und Elektronen) basiert, hilft uns zu wissen, wie die Elektronen auf die Schalen verteilt sind. Das Periodensystem ist nach der Anzahl der Elektronen und der Position dieser Elektronen in Spalten und Zeilen geordnet. Schauen Sie sich einige Elemente in der rechten Spalte der Tabelle im Periodensystem genauer an (Abbildung 2.5). Die Atome der Gruppe 18 Helium (He), Neon (Ne) und Argon (Ar) haben alle gefüllte äußere Elektronenschalen, was es für sie unnötig macht, Elektronen mit anderen Atomen zu teilen, um Stabilität zu erreichen, sie sind als einzelne Atome hochstabil. Ihre Nichtreaktivität hat dazu geführt, dass sie als Inertgase (oder Edelgase) bezeichnet werden. Vergleichen Sie dies mit den Elementen der Gruppe 1 in der linken Spalte. Diese Elemente, einschließlich Wasserstoff (H), Lithium (Li) und Natrium (Na), haben alle ein Elektron in ihrer äußersten Schale. Das bedeutet, dass sie eine stabile Konfiguration und eine gefüllte äußere Hülle erreichen können, indem sie ein Elektron mit einem anderen Atom oder einem Molekül wie Wasser abgeben oder teilen. Wasserstoff wird sein Elektron abgeben oder teilen, um diese Konfiguration zu erreichen, während Lithium und Natrium ihr Elektron abgeben, um stabil zu werden. Durch den Verlust eines negativ geladenen Elektrons werden sie zu positiv geladenen Ionen. Elemente der Gruppe 17, einschließlich Fluor und Chlor, haben sieben Elektronen in ihren äußersten Schalen, daher neigen sie dazu, diese Schale mit einem Elektron von anderen Atomen oder Molekülen zu füllen, was sie zu negativ geladenen Ionen macht. Elemente der Gruppe 14, von denen Kohlenstoff das wichtigste für lebende Systeme ist, haben vier Elektronen in ihrer äußeren Schale, die es ihnen ermöglichen, mehrere kovalente Bindungen (siehe unten) mit anderen Atomen einzugehen. Somit repräsentieren die Spalten des Periodensystems den potentiellen gemeinsamen Zustand der äußeren Elektronenschalen dieser Elemente, der für ihre ähnlichen chemischen Eigenschaften verantwortlich ist.

    Elektronenorbitale

    Obwohl es nützlich ist, die Reaktivität und chemische Bindung bestimmter Elemente zu erklären, spiegelt das Bohrsche Modell des Atoms nicht genau wider, wie die Elektronen um den Kern herum räumlich verteilt sind. Sie umkreisen den Kern nicht wie die Erde die Sonne, sondern befinden sich in Elektronenorbitalen. Diese relativ komplexen Formen resultieren daraus, dass sich Elektronen nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten. Mathematische Gleichungen aus der Quantenmechanik, die als Wellenfunktionen bekannt sind, können mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagen, wo sich ein Elektron zu einem bestimmten Zeitpunkt befinden könnte. Der Bereich, in dem sich ein Elektron am wahrscheinlichsten befindet, wird als Orbital bezeichnet.

    Denken Sie daran, dass das Bohr-Modell die Elektronenschalenkonfiguration eines Atoms abbildet. Innerhalb jeder Elektronenschale befinden sich Unterschalen, und jede Unterschale hat eine bestimmte Anzahl von Orbitalen, die Elektronen enthalten. Obwohl es unmöglich ist, genau zu berechnen, wo sich ein Elektron befindet, wissen Wissenschaftler, dass es sich höchstwahrscheinlich innerhalb seiner Umlaufbahn befindet. Unterschalen werden mit dem Buchstaben s bezeichnet, P, D, und F. Die S Unterschale ist kugelförmig und hat ein Orbital. Die Hauptschale 1n hat nur eine einzige S Orbital, das zwei Elektronen aufnehmen kann. Hauptschale 2n hat eins S und ein P Unterschale und kann insgesamt acht Elektronen aufnehmen. Die P Unterschale hat drei hantelförmige Orbitale, wie in Abbildung 2.8 dargestellt. Unterschalen D und F haben komplexere Formen und enthalten fünf bzw. sieben Orbitale. Diese sind in der Abbildung nicht dargestellt. Hauptschale 3n hat S, P, und D Unterschalen und kann 18 Elektronen aufnehmen. Hauptschale 4n hat S, P, D und F Orbitale und kann 32 Elektronen aufnehmen. Wenn man sich vom Kern wegbewegt, nimmt die Zahl der Elektronen und Orbitale in den Energieniveaus zu. Von einem Atom zum nächsten im Periodensystem fortschreitend, kann die Elektronenstruktur berechnet werden, indem ein zusätzliches Elektron in das nächste verfügbare Orbital eingefügt wird.

    Das dem Kern am nächsten gelegene Orbital, das sogenannte 1s-Orbital, kann bis zu zwei Elektronen aufnehmen. Dieses Orbital entspricht der innersten Elektronenhülle des Bohrschen Atommodells. Es heißt die 1S Orbital, weil es um den Kern kugelförmig ist. Die 1S Orbital ist das dem Kern am nächsten gelegene Orbital und wird immer zuerst gefüllt, bevor ein anderes Orbital gefüllt werden kann. Wasserstoff hat ein Elektron, daher hat er nur einen Fleck innerhalb der 1S Umlaufbahn besetzt. Dies wird als 1 . bezeichnetS 1 , wobei sich die hochgestellte 1 auf das eine Elektron innerhalb der 1 . beziehtSorbital. Helium hat zwei Elektronen, daher kann es die 1 . vollständig füllenS Orbital mit seinen beiden Elektronen. Dies wird als 1 . bezeichnetS 2 , bezogen auf die beiden Heliumelektronen im 1S orbital. Im Periodensystem Abbildung 2.5 sind Wasserstoff und Helium die einzigen beiden Elemente in der ersten Reihe (Periode). Dies liegt daran, dass sie nur Elektronen in ihrer ersten Schale haben, der 1S orbital. Wasserstoff und Helium sind die einzigen beiden Elemente, die die 1 . habenS und keine anderen Elektronenorbitale im elektrisch neutralen Zustand.

    Die zweite Elektronenschale kann acht Elektronen enthalten. Diese Schale enthält eine weitere Kugel S Orbital und drei „Hantel“ geformt POrbitale, von denen jedes zwei Elektronen aufnehmen kann, wie in Abbildung 2.8 gezeigt. Nach dem 1S Orbital ist gefüllt, die zweite Elektronenschale ist gefüllt, zuerst ihre 2S Orbital und dann seine drei P Orbitale. Beim Befüllen P Orbitale, jedes nimmt einmal ein einzelnes Elektron auf P Orbital hat ein Elektron, ein zweites kann hinzugefügt werden. Lithium (Li) enthält drei Elektronen, die die erste und zweite Schale besetzen. Zwei Elektronen füllen die 1SOrbital, und das dritte Elektron füllt dann die 2S orbital. Seine Elektronenkonfiguration ist 1S 2 2S 1. Neon (Ne) hingegen hat insgesamt zehn Elektronen: zwei befinden sich in seinem innersten 1S Orbital und acht füllen seine zweite Schale (jeweils zwei in der 2S und drei P Orbitale), ist es also ein Inertgas und als einzelnes Atom energetisch stabil, das selten eine chemische Bindung mit anderen Atomen eingeht. Größere Elemente haben zusätzliche Orbitale, die die dritte Elektronenschale bilden. Während die Konzepte von Elektronenhüllen und Orbitalen eng miteinander verbunden sind, liefern Orbitale eine genauere Darstellung der Elektronenkonfiguration eines Atoms, da das Orbitalmodell die unterschiedlichen Formen und speziellen Ausrichtungen aller Orte angibt, die Elektronen einnehmen können.

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    Sehen Sie sich diese visuelle Animation an, um die räumliche Anordnung der P und S Orbitale.


    Inhalt

    In seinen philosophischen Schriften verwendet Aristoteles das griechische Wort αἴτιον (aition), eine neutrale Singularform eines Adjektivs. Das griechische Wort hatte, vielleicht ursprünglich in einem "rechtlichen" Kontext, gemeint, was oder wer "verantwortlich" ist, meistens, aber nicht immer im schlechten Sinne von "Schuld" oder "Schuld". Alternativ könnte es "zur Ehre von" jemandem oder etwas bedeuten. Die Aneignung dieses Wortes durch Aristoteles und andere Philosophen spiegelt wider, wie die griechische Erfahrung der Rechtspraxis die Besorgnis des griechischen Denkens beeinflusste, zu bestimmen was ist verantwortlich. [8]: 100, 106–7 Das Wort entwickelte andere Bedeutungen, einschließlich seiner Verwendung in der Philosophie in einem abstrakteren Sinne. [9] [10]

    Ungefähr ein Jahrhundert vor Aristoteles, dem anonymen Autor des hippokratischen Textes Über die antike Medizin hatte die wesentlichen Merkmale einer Ursache beschrieben, wie sie in der Medizin betrachtet wird: [11]

    Wir müssen daher die Ursachen jedes [medizinischen] Zustands als solche Dinge betrachten, die so sind, dass, wenn sie vorhanden sind, der Zustand notwendigerweise auftritt, aber wenn sie sich in eine andere Kombination ändern, hört er auf.

    Aristoteles hat die vier Ursachen verwendet, um unterschiedliche Antworten auf die Frage "wegen was?" zu geben. Die vier Antworten auf diese Frage beleuchten unterschiedliche Aspekte der Entstehung einer Sache oder des Geschehens. [8] : 96–8

    Material bearbeiten

    Aristoteles hält die materielle "Ursache" ( ὕλη , hū́lē) [12] eines Gegenstands als gleichwertig mit der Beschaffenheit des Rohstoffs, aus dem der Gegenstand besteht. (Das Wort „Natur“ bezieht sich bei Aristoteles sowohl auf sein Potenzial im Rohmaterial als auch auf seine endgültige fertige Form. In gewisser Weise existierte diese Form bereits im Material: siehe Potenzial und Wirklichkeit.)

    Während sich die moderne Physik auf einfache Körper bezieht, vertrat die Physik des Aristoteles einen allgemeineren Standpunkt und behandelte Lebewesen als beispielhaft. Nichtsdestotrotz hatte er das Gefühl, dass auch einfache Naturkörper wie Erde, Feuer, Luft und Wasser Anzeichen dafür zeigten, dass sie ihre eigenen angeborenen Quellen von Bewegung, Veränderung und Ruhe haben. Feuer zum Beispiel trägt Dinge nach oben, es sei denn, es wird daran gehindert. Dinge, die durch menschliche Kunstfertigkeit geformt wurden, wie Betten und Mäntel, haben keine angeborene Tendenz, Betten oder Mäntel zu werden. [13]

    In der traditionellen aristotelischen philosophischen Terminologie ist Material nicht gleich Substanz. Materie hat insofern Parallelen zur Substanz, als Primärmaterie als Substrat für einfache Körper dient, die keine Substanz sind: Sand und Gestein (meist Erde), Flüsse und Meere (meist Wasser), Atmosphäre und Wind (meist Luft und dann meist unten Feuer) der Mond). In dieser traditionellen Terminologie ist "Substanz" ein Begriff der Ontologie, der sich auf wirklich existierende Dinge bezieht, nur Individuen werden als Substanzen (Subjekte) im primären Sinne bezeichnet. Sekundärsubstanz gilt in einem anderen Sinne auch für künstliche Artefakte.

    Formal Bearbeiten

    Aristoteles hält die formelle "Ursache" ( εἶδος , eîdos) [12] als Beschreibung des Musters oder der Form, die, wenn sie vorhanden ist, die Materie zu einer bestimmten Art von Dingen macht, die wir als von dieser bestimmten Art anerkennen.

    Nach Aristoteles eigener Darstellung ist dies ein schwieriges und umstrittenes Konzept. [ Zitat benötigt ] Es verbindet sich mit Formentheorien wie denen des Aristoteles-Lehrers Platon, aber in Aristoteles eigener Darstellung (siehe seine Metaphysik) berücksichtigt er viele frühere Autoren, die Meinungen zu Formen und Ideen geäußert hatten, zeigt jedoch, wie sich seine eigenen Ansichten von ihnen unterscheiden. [14]

    Effiziente Bearbeitung

    Aristoteles definiert die Agent oder effiziente "Ursache" ( κινοῦν , kinoûn) [12] eines Objekts als das, was Veränderung hervorruft und vorübergehende Bewegung antreibt (wie ein Maler, der ein Haus streicht) (siehe Aristoteles, Physik II 3, 194b29). In vielen Fällen ist dies einfach das, was etwas bewirkt. Bei einer Statue zum Beispiel ist es die Person, die einen Marmorblock in eine Statue verwandelt. Nur diese eine der vier Ursachen ähnelt dem, was ein gewöhnlicher Englischsprecher als Ursache ansehen würde. [fünfzehn]

    Endgültige Bearbeitung

    Aristoteles definiert die Ende, Zweck, oder letzte "Ursache" ( τέλος , télos) [12] als das, um dessen willen etwas getan wird. [16] Wie die Form ist dies eine umstrittene Erklärung in der Wissenschaft, die von einigen für ihr Überleben in der Evolutionsbiologie argumentiert wurde, [17] während Ernst Mayr bestritten, dass sie weiterhin eine Rolle spielt. [18] Es ist allgemein anerkannt [19], dass Aristoteles' Naturkonzept in dem Sinne teleologisch ist, dass die Natur Funktionalität in einem allgemeineren Sinne aufweist, als es in den Zwecken des Menschen beispielhaft dargestellt wird. Wie weiter unten diskutiert, beobachtete Aristoteles, dass a telos beinhaltet nicht unbedingt Überlegung, Absicht, Bewusstsein oder Intelligenz. Ein Beispiel für eine relevante Passage findet sich in Physik II.8, wo er schreibt: [20]

    Am offensichtlichsten ist dies bei den anderen Tieren als dem Menschen: Sie machen Dinge weder durch Kunst noch nach Untersuchung oder Überlegung. Deshalb fragen sich die Leute, ob diese Kreaturen durch Intelligenz oder durch eine andere Fähigkeit funktionieren – Spinnen, Ameisen und dergleichen. Es ist absurd anzunehmen, dass der Zweck nicht vorhanden ist, weil wir nicht beobachten, wie der Handelnde überlegt. Kunst will nicht. Wäre die Schiffbaukunst im Holz, würde sie von Natur aus zu den gleichen Ergebnissen führen. Wenn also in der Kunst ein Zweck vorhanden ist, ist er auch in der Natur vorhanden.

    Zum Beispiel hat nach Aristoteles ein Samenkorn die letztendliche erwachsene Pflanze als sein Ende (d.h. als seine telos) genau dann, wenn das Saatgut unter normalen Umständen zur erwachsenen Pflanze werden würde. [21] In Physik II.9, Aristoteles wagt einige Argumente, dass eine Bestimmung des Endes (der Ursache) eines Phänomens wichtiger ist als die anderen. Er argumentiert, dass das Ende das ist, was es bewirkt, also zum Beispiel "wenn man den Vorgang des Sägens als eine bestimmte Art des Trennens definiert, dann kann dies nicht geschehen, wenn die Säge keine Zähne einer bestimmten Art hat, und diese können nicht sein, es sei denn, es ist aus Eisen." [22] Sobald eine letzte "Ursache" vorliegt, folgen nach Aristoteles zwangsläufig die materiellen, wirksamen und formalen "Ursachen". Er empfiehlt jedoch dem Naturforscher, auch die anderen "Ursachen" zu ermitteln, [23] und stellt fest, dass nicht alle Phänomene ein Ende haben, z. B. Zufallsereignisse. [24]

    Aristoteles sah, dass seine biologischen Untersuchungen Einblicke in die Ursachen der Dinge lieferten, insbesondere in die letzte Ursache.

    Wir sollten ohne Scham an die Untersuchung jeder Art von Tieren herangehen, da in jedem von ihnen etwas Natürliches und Schönes steckt. Die Abwesenheit des Zufalls und die Zweckdienlichkeit finden sich besonders in den Werken der Natur. Und zum Schönen gehört der Zweck, um dessen willen ein Ding gebaut oder entstanden ist.

    George Holmes Howison, in Die Grenzen der Evolution (1901), hebt die "endgültige Kausalität" hervor, indem er seine Theorie der Metaphysik vorstellt, die er als "persönlichen Idealismus" bezeichnet und zu der er nicht nur den Menschen, sondern das gesamte (ideale) Leben einlädt: [26]

    Wenn wir hier sehen, dass die letzte Ursache – die Verursachung durch selbstgesetztes Ziel oder Ziel – die einzige volle und echte Ursache ist, sehen wir weiter, dass die Natur, die kosmische Gesamtheit der Phänomene und das kosmische Band ihres Gesetzes, das in der Stimmung der vagen und ungenauen Abstraktion, die wir Kraft nennen, ist doch nur eine Wirkung. Somit ist die Teleologie oder die Herrschaft der letzten Ursache, die Herrschaft der Idealität, nicht nur ein Element des Evolutionsgedankens, sondern das sehr lebendige Seil in diesem Konzept. Der Evolutionsbegriff ist zuletzt und wesentlich im Begriff des Fortschritts begründet: aber dieser Begriff hat keinen Sinn außer im Lichte eines Ziels, es kann kein Ziel geben, es sei denn, es gibt ein Jenseits für alles Wirkliche und es gibt kein solches Jenseits außer durch ein spontanes Ideal. Die Voraussetzung der Natur als einem sich entwickelnden System ist daher die kausale Aktivität unserer reinen Ideale. Dies sind unsere drei organischen und organisierenden Vorstellungen, die das Wahre, das Schöne und das Gute genannt werden.

    Edward Feser argumentiert jedoch in Übereinstimmung mit der aristotelischen und thomistischen Tradition, dass die Endgültigkeit stark missverstanden wurde. Tatsächlich wird effiziente Kausalität ohne Finalität unerklärlich. Die so verstandene Finalität ist nicht Zweck, sondern der Zweck, auf den ein Ding hin geordnet ist. [27] Wenn ein Streichholz an der Seite einer Streichholzschachtel gerieben wird, ist die Wirkung nicht das Erscheinen eines Elefanten oder das Ertönen einer Trommel, sondern Feuer. [28] Die Wirkung ist nicht willkürlich, da das Streichholz gegen Ende des Feuers geordnet ist [29] was durch effiziente Ursachen realisiert wird et al. (2008) Bemerkung: [30]

    Unsere Sprache ist teleologisch. Wir glauben, dass autonome Agenten das minimale physikalische System darstellen, auf das die teleologische Sprache zu Recht angewendet wird.

    In seinem Förderung des Lernens (1605) schrieb Francis Bacon, dass die Naturwissenschaft "die gleichen Naturen untersucht und berücksichtigt: aber wie? Nur hinsichtlich der materiellen und wirksamen Ursachen von ihnen, und nicht bezüglich der Formen." Bacon fordert in der Terminologie des Aristoteles, dass neben den "Naturgesetzen" selbst die naturwissenschaftlich relevanten Ursachen nur wirksame Ursachen und materielle Ursachen sind, oder, um die später berühmt gewordene Formulierung zu verwenden, Naturphänomene einer wissenschaftlichen Erklärung bedürfen in Bezug auf Materie und Bewegung.

    In Das neue Organon, Bacon teilt Wissen in Physik und Metaphysik: [31]

    Aus den zwei Arten von Axiomen, von denen gesprochen wurde, erwächst eine gerechte Trennung von Philosophie und Wissenschaften, wobei die angenommenen Begriffe (die dem Ding am nächsten kommen) in einem meinen eigenen Ansichten angenehmen Sinn genommen werden.So möge die Erforschung der Formen, die (zumindest im Auge der Vernunft und in ihrem Wesensgesetz) ewig und unveränderlich sind, die Metaphysik konstituieren und die Erforschung der wirksamen Ursache und der Materie und des latenten Prozesses, und die latente Konfiguration (die sich alle auf den gewöhnlichen und gewöhnlichen Lauf der Natur beziehen, nicht auf ihre ewigen und grundlegenden Gesetze) bilden die Physik. Und diesen lassen sich zwei praktische Unterteilungen unterordnen: der Physik, der Mechanik der Metaphysik, was ich (im reineren Sinne des Wortes) Magie nenne, wegen der Weite ihrer Bewegungsarten und ihrer größeren Beherrschung über die Natur .

    Bacons Position, die die Teleologie ausschließt, wird in der modernen Wissenschaft manchmal naiv als allzu ausreichend und erschöpfend angesehen, obwohl man sich zu Recht daran erinnern kann, dass sie erreicht wurde, bevor die Evolutionstheorie den der biologischen Funktionalität innewohnenden Überlebenswert erkannte.

    Biologie Bearbeiten

    Erklärungen in Form von Endursachen sind in der Evolutionsbiologie nach wie vor üblich. [17] [32] Francisco J. Ayala hat behauptet, dass Teleologie für die Biologie unverzichtbar ist, da das Konzept der Anpassung von Natur aus teleologisch ist. [32] In einer Würdigung von Charles Darwin veröffentlicht in Natur im Jahr 1874 bemerkte Asa Gray, dass "Darwins großer Dienst für die Naturwissenschaft" darin besteht, die Teleologie zurückzubringen, "so dass anstelle der Morphologie" gegen Teleologie, wir werden Morphologie mit Teleologie verheiraten." Darwin antwortete schnell: "Was Sie über Teleologie sagen, gefällt mir besonders und ich glaube nicht, dass irgendjemand sonst das jemals bemerkt hat." [17] Francis Darwin und TH Huxley wiederholen diese Meinung. Letzterer schrieb, dass „der bemerkenswerteste Dienst, den Mr. Darwin der Philosophie der Biologie leistet, die Versöhnung von Teleologie und Morphologie und die Erklärung der Tatsachen beider ist, die seine Ansicht bietet.“ [17] James G. Lennox erklärt dass Darwin den Begriff „Final Cause“ konsequent in seinem Arten-Notizbuch, Zur Entstehung der Arten, und danach. [17]

    Entgegen der von Francisco J. Ayala beschriebenen Position stellt Ernst Mayr fest, dass „Anpassung A posteriori Ergebnis eher als ein apriorisches Zielsuchen.“ [33] Verschiedene Kommentatoren betrachten die teleologischen Ausdrücke, die in der modernen Evolutionsbiologie verwendet werden, als eine Art Kurzschrift [kann] ersetzt werden durch kürzere, offen teleologische Aussagen", um Platz zu sparen, aber dass dies "nicht so verstanden werden sollte, dass die Evolution durch etwas anderes als durch zufällig entstandene Mutationen voranschreitet, wobei diejenigen, die einen Vorteil verleihen, durch natürliche Selektion." [34] Lennox stellt jedoch fest, dass in der Evolution, wie sie von Darwin konzipiert wurde, sowohl die Evolution das Ergebnis zufällig entstandener Mutationen ist als auch dass die Evolution teleologischer Natur ist. [17]

    Aussagen, dass eine Spezies etwas tut, "um" zu überleben, sind teleologisch. Die Gültigkeit oder Ungültigkeit solcher Aussagen hängt von der Art und der Absicht des Verfassers hinsichtlich der Bedeutung des Ausdrucks „um“ ab. Manchmal ist es möglich oder sinnvoll, solche Sätze umzuschreiben, um Teleologie zu vermeiden. [35] Einige Biologiekurse haben Übungen eingebaut, bei denen die Schüler solche Sätze umformulieren müssen, damit sie nicht teleologisch gelesen werden. Trotzdem schreiben Biologen immer noch häufig in einer Weise, die als implizierte Teleologie gelesen werden kann, auch wenn dies nicht beabsichtigt ist.

    Tierverhalten (Tinbergens vier Fragen) Bearbeiten

    Tinbergens vier Fragen, benannt nach dem Ethologen Nikolaas Tinbergen und basierend auf den vier Ursachen von Aristoteles, sind komplementäre Erklärungskategorien für Tierverhalten. Sie werden auch allgemein als Analyseebenen bezeichnet.

    Die vier Fragen lauten: [36] [37]

      , was eine Anpassung bewirkt, die in der Evolution ausgewählt wird, die Evolutionsgeschichte eines Organismus, die seine Beziehungen zu anderen Arten aufdeckt, nämlich die unmittelbare Ursache eines Verhaltens, wie die Rolle von Testosteron bei Aggression und die Entwicklung eines Organismus aus Ei zum Embryo zum Erwachsenen.

    In Die Frage zur TechnikIn Anlehnung an Aristoteles beschreibt Martin Heidegger die vier Ursachen wie folgt: [38]

    1. causa materialis: das Material oder die Materie
    2. causa formalis: die Form oder Gestalt, in die das Material oder die Materie eindringt
    3. causa finalis: das Ende
    4. causa efficiens: der Effekt, der das fertige Ergebnis hervorbringt.

    Heidegger erklärt: "Wer auch immer ein Haus oder ein Schiff baut oder einen Opferkelch schmiedet, offenbart, was hervorgebracht werden soll, gemäß den Bedingungen der vier Anlässe." [39]

    Der Pädagoge David Waddington bemerkt, dass, obwohl die effiziente Ursache, die er als "den Handwerker" bezeichnet, als die bedeutendste der vier angesehen werden könnte, seiner Ansicht nach jede der vier Ursachen Heideggers "gleichermaßen mitverantwortlich" für die Herstellung eines handwerklichen Artikels ist , in Heideggers Worten das Ding „hervorbringen“. Waddington zitiert Lovitts Beschreibung dieses Hervorbringens als „einen einheitlichen Prozess“. [40] [41]


    2.1: Materie - Biologie

    TEIL II. GRUNDSTEINE: CHEMIE, ZELLEN UND STOFFWECHSEL

    Es gibt Implikationen für die kinetische Molekulartheorie. Erstens kann sich die Menge an kinetischer Energie, die Teilchen enthalten, ändern. Moleküle können von ihrer Umgebung Energie gewinnen oder an sie abgeben, was zu Verhaltensänderungen führt. Zweitens haben Moleküle eine Anziehungskraft füreinander. Diese Anziehungskraft ist wichtig, um die Phase zu bestimmen, in der eine bestimmte Art von Materie existiert.

    Die Menge an kinetischer Energie von Molekülen, die Stärke der Anziehungskräfte zwischen Molekülen und die Art der Anordnung, die sie bilden, führen zu drei Phasen der Materie: fest, flüssig und gasförmig (Abbildung 2.7). Ein Festkörper (z. B. Knochen) besteht aus Molekülen mit starken Anziehungskräften und geringer kinetischer Energie. Die Moleküle sind dicht aneinander gepackt. Mit der geringsten kinetischen Energie aller Phasen der Materie schwingen diese Moleküle an Ort und Stelle und befinden sich in festen Abständen voneinander. Mächtige Kräfte binden sie zusammen. Feststoffe haben unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen bestimmte Formen und Volumina. Die Härte eines Festkörpers ist sein Widerstand gegen Kräfte, die dazu neigen, seine Moleküle weiter auseinander zu drücken. In einem Festkörper steckt weniger kinetische Energie als in einer Flüssigkeit aus dem gleichen Material.

    ABBILDUNG 2.7. Phasen der Materie

    (a) In einem Festkörper wie diesem Gestein schwingen Moleküle um eine feste Position und werden durch starke molekulare Kräfte an Ort und Stelle gehalten. (b) In einer Flüssigkeit können sich Moleküle drehen und übereinander rollen, weil die kinetische Energie der Moleküle die Molekülkräfte überwinden kann. (c) Innerhalb der Blase bewegen sich Gasmoleküle schnell auf zufälligen, freien Wegen.

    Eine Flüssigkeit (z. B. die Wasserkomponente von Blut und Lymphe) hat Moleküle mit ausreichender kinetischer Energie, um die Anziehungskräfte zu überwinden, die Moleküle zusammenhalten. Obwohl die Moleküle also immer noch stark voneinander angezogen werden, sind sie etwas weiter voneinander entfernt als in einem Festkörper. Da sie sich schneller bewegen und die Anziehungskräfte überwunden werden können, gleiten sie manchmal aneinander vorbei. Obwohl Flüssigkeiten unter normalen Bedingungen ihre Form ändern können, behalten sie unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen ein festes Volumen bei gleich viel Platz, unabhängig von der Form des Behälters. Dies verleiht Flüssigkeiten die Fähigkeit zu fließen, daher werden sie Flüssigkeiten genannt.

    Ein Gas (z. B. Luft) besteht aus Molekülen, die sehr viel kinetische Energie haben. Die Anziehungskraft der Gasmoleküle füreinander wird durch die Geschwindigkeit überwunden, mit der sich die einzelnen Moleküle bewegen. Da sich Gasmoleküle schneller bewegen als die Moleküle von Festkörpern oder Flüssigkeiten, neigen ihre Kollisionen dazu, sie weiter auseinander zu drücken, sodass sich ein Gas ausdehnt, um seinen Behälter zu füllen. Die Form des Behälters und der Druck bestimmen Form und Volumen des Gases. Der Begriff Dampf wird verwendet, um die gasförmige Form eines Stoffes zu beschreiben, der sich normalerweise in der flüssigen Phase befindet. Zum Beispiel ist Wasserdampf die gasförmige Form von flüssigem Wasser und Quecksilberdampf in Kompaktleuchtstofflampen ist die gasförmige Form von flüssigem Quecksilber (How Science Works 2.2).

    12. Welche Phase der Materie besteht aus Molekülen, die um eine feste Position schwingen und von starken molekularen Kräften festgehalten werden?

    13. Welche Phase der Materie besteht aus Molekülen, die sich drehen und übereinander rollen können, weil die kinetische Energie der Moleküle die Molekülkräfte überwinden kann?

    14. Welche Phase der Materie besteht aus Atomen oder Molekülen mit der größten kinetischen Energie?


    Das Hegel-Bild

    Einige der Dreiecke haben eine Abbildung, oben sehen Sie zum Beispiel a Bild von Hegel. Im Gegensatz zu den anderen Bildern, denen Sie begegnen werden, können Sie auf dieses Hegel-Bild klicken, um den Abschnitt von hegel.net zu besuchen, der Hegel selbst gewidmet ist. Das von Jakob Schlesinger gemalte Bild ist in der "Alten Nationalgalerie", Berlin ausgestellt. Es ist das bekannteste Bild von Hegel und illustriert daher Hegel hier. Dieses Bild wurde 1831 gemalt, Hegels letztes Jahr, als Hegel unter starken Bauchschmerzen litt (an denen er wahrscheinlich starb). Es wurde von Hegels Familie laut einem privaten Brief von Hegels Frau an Rosenkranz nicht geschätzt. Ein schöneres Hegel-Porträt wurde von Hegels Freund Wilhelm Hensel in Heidelberg entworfen (unter dem Hegel schrieb &ldquoWer mich kennt, erkennt mich hier&rdquo) illustriert unsere Hegel-Seite (weitere Hegel-Portraits finden Sie in unserer Hegel-Galerie).


    Verwandte Begriffe aus der Biologie

    • Konzentrationsgradient – Allmähliche Abnahme der Konzentration eines Stoffes, oft eines gelösten Stoffes in einer Lösung. In lebenden Systemen wird dieser Gradient normalerweise auf zwei Seiten einer semipermeablen Lipidmembran beobachtet.
    • Hepatozyten – Zellen im inneren Parenchymbereich der Leber, die einen Großteil der Lebermasse ausmachen. Beteiligt an der Verdauung und dem Stoffwechsel von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten. Sie spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Entgiftung des Körpers.
    • Integrales Membranprotein – Proteine, die die Breite einer Membran überspannen und wichtige strukturelle und funktionelle Teile biologischer Membranen sind.
    • Sublimation – Die Umwandlung eines Stoffes in seiner festen Phase direkt in den gasförmigen Zustand, ohne zwischenzeitlichen Übergang in den flüssigen Zustand.

    1. Welche dieser Aussagen zur Diffusion von Molekülen ist richtig?
    A. Die erleichterte Diffusion wird vollständig durch GTP-Hydrolyse angetrieben
    B. Benötigt nie die Anwesenheit eines anderen Moleküls
    C. Die Diffusion jedes Moleküls ist abhängig von seinem Konzentrationsgradienten und unabhängig von der Konzentration anderer Molekülarten im Medium
    D. Alles das oben Genannte

    2. Wenn sich ein Kühlmittel in der Nähe der Mündung eines Tiegels zum Erhitzen von Jod befindet, wie würde dies seine Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen?
    A. Würde unverändert bleiben
    B. Zunahme
    C. Verringern
    D. Es hängt von der Art und Temperatur des Kühlmittels ab

    3. Welche dieser Aussagen ist NICHT wahr?
    A. Große polare Moleküle können nicht durch eine biologische Membran diffundieren
    B. Kohlendioxid würde schneller diffundieren als Bromgas
    C. Integrale Membranproteine, die die Diffusion erleichtern, sind in Bezug auf ihre Ladung hochspezifisch
    D. Alles das oben Genannte


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