Химические элементы в живых организмах фото

Химические элементы в живых организмах. Урок 4

Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические, а также находятся в свободном состоянии — в виде ионов. Все 94 элемента естественного происхождения имеют разное число протонов, расположение и количество электронов. Когда в XIX в. Дмитрий Менделеев выстроил их в таблицу согласно номерам, он открыл одну из величайших закономерностей естествознания: элементы демонстрируют химические свойства, которые по повторяемости можно объединить в 8 групп. Эта закономерная картина дала таблице своё название: Периодическая таблица химических элементов.

 

Периодическая таблица отображает химические элементы согласно атомному номеру и их свойству

Периодичность элементов, найденная Менделеевым, основана на взаимодействии электронов разных атомов на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, и их контакты являются основой химических реакций. Для большинства атомов, важных для жизни, внешний энергетический уровень может содержать не более 8 электронов. Химическое поведение элемента зависит от того, сколько из его восьми позиций заполнено.

Таблица Менделеева фото

Элементы, обладающие всеми восьмью электронами внешнего энергетического уровня (у гелия 2) являются инертными, т. е. нереактивными. К ним относятся: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar) и другие благородные газы. Напротив, элементы с семью электронами внешнего энергетического уровня, такие как фтор (F), хлор (Cl) и бром (Br) реактивны. Как правило, они получают дополнительные электроны, необходимые для заполнения энергетического уровня.



Другие элементы с одним электроном в их внешнем энергетическом уровне: литий (Li), натрий (Na) и калий (K) имеют тенденцию к потере одного своего электрона.

Атом лития фото
Строение атома лития
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Таким образом, Периодическая таблица Менделеева демонстрирует правило октета, или правило восьми (лат. Octo – «восемь»): атомы стремятся полностью восстановить свои внешние энергетические уровни, дополнить количество электронов на них до 8.

Химические элементы в составе живых организмов

Отгадайте,  о составе какого объекта идёт речь?

  • 43 кг кислорода,
  • 18 кг углерода,
  • 7 кг водорода,
  • 1,8 кг азота,
  • 0,780 кг фосфора,
  • 0,0042 кг железа
  • и ещё около 20 химических элементов.

Это состав человека среднего размера и веса. В отличие от неживой природы в живых существах химические элементы организованы в клетки.

Химический состав земной коры и живой природы фото
Химический состав:
1 — земной коры,
2 — живых организмов

В земной коре преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. В основе живых организмов находятся 4 элемента: кислород, углерод, водород, азот. Все элементы кроме кислорода, преобладающие в живых организмах, составляют незначительную долю массы земной коры.

Основные химические элементы в живых организмах — это:

  • углерод – C,
  • водород – H,
  • кислород – O,
  • азот – N,
  • фосфор – P,
  • сера – S,
  • натрий – Na,
  • калий – K,
  • кальций – Ca,
  • магний – Mg,
  • железо – Fe,
  • хлор – Cl.

Их доля в живых организмах может составлять 0,01% и выше. Все они имеют атомные номера меньше 21, так как их атомная масса низка. Первые 4 элемента: углерод, водород, кислород и азот составляют 96,3% массы любого организма.

Таб. 1. Химические элементы в живых организмах
Органогенные (биоэлементы), или макронутриенты

 

Макроэлементы Микроэлементы

(от 0,001 % до 0,000001 % массы тела)

Ультрамикроэлементы (менее 0,000001 %)
Кислород — 65 %;

Углерод — 18 %;

Водород — 10 %;

Азот — 3 %.

Кальций (Са) – 0,04-2,00

Фосфор (Р) – 0,2-1,0

Калий (К) – 0,15-0,4

Сера (S) – 0,15-0,2

Хлор (Cl) – 0,05-0,1

Натрий (Na) – 0,02-0,Ц03

Магний (Mg) – 0,02-0,03

Железо (Fe) – 0,01

 

Кремний (Ci) – 0,001(для растений – микроэлемент)

Цинк (Zn) – 0,0003

Медь (Cu) – 0,0002

Фтор (F) – 0,0001

Йод (I) – 0,0001

Марганец (Mn) – менее 0,0001

Кобальт (Co) – менее 0,0001

Молибден (Мо) – менее 0,0001

Золото

Серебро

Ртуть

Селен

Мышьяк

Платина

Цезий

Бериллий

Радий

Уран

 

Большинство молекул (кроме воды), из которых состоит наше тело, представляют собой соединения углерода, называемые органическими веществами. Органические вещества в основном и состоят из этих первых четырёх макроэлементов, чем и объясняется их распространённость в живых системах.

Химические элементы в живых организмах фото

Некоторые микроэлементы, такие как цинк (Zn) и йод (I), хотя и присутствуют в крошечных количествах, играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Дефицит йода, например, может привести к увеличению щитовидной железы, образованию так называемого зоба.

Таб.2. Роль химических элементов в клетке

Название химического элемента Описание роли элемента в клетке
1 Кислород (О) Входит в состав органических молекул и воды, обеспечивает реакцию окисления, в процессе которой выделяется нужная организму энергия
2 Углерод (С) Составляет основу всех органических соединений
3 Водород (Н) Является составной частью всех органических веществ и молекул воды
4 Азот (N) Входит в молекулы белков, нуклеиновых кислот, АТФ
5 Кальций (Са) Является составной частью клеточной стенки растений. У животных входит в состав костной ткани, эмали зубов, участвует в свёртывании крови и сокращении мышц
6 Фосфор (Р) Нужен для формирования зубной эмали и костной ткани. Входит в состав органических молекул, таких как ДНК, РНК, АТФ
7 Калий (К) В качестве катиона участвует в создании биоэлектрического потенциала, регулируя работу клеточной мембраны. Влияет на работу сердца, участвует в процессе фотосинтеза
8 Сера (S) Есть в составе некоторых белков и аминокислот
9 Хлор (Cl) Является основным анионом организма животных. Находится в составе соляной кислоты желудка
10 Натрий (Na) В качестве иона (катиона) участвует в создании биоэлектрического потенциала мембран клеток, в синтезе гормонов и регуляции сердечного ритма
11 Магний (Mg) Входит в состав зубной эмали, костной ткани, некоторых ферментов и хлорофилла
12 Железо (Fe) Необходимый компонент гемоглобина и миоглобина, входит в состав некоторых ферментов, участвует в процессах фотосинтеза и клеточного дыхания
13 Кремний (Si) Компонент клеточной оболочки растений. Принимает участие в образовании коллагена, костной ткани
14 Цинк (Zn) Участвует в синтезе гормонов у растений, находится в составе инсулина и некоторых ферментов
15 Медь (Cu) Принимает участие в процессах синтеза гемоглобина, фотосинтеза, клеточного дыхания. Входит в состав дыхательных пигментов крови (гемоцианинов) и гемолимфы некоторых беспозвоночных
16 Фтор (F) Необходим для формирования костной ткани и зубной эмали
17 Йод (I) Необходимый компонент гормонов щитовидной железы
18 Марганец (Mn) Делает более активными некоторые ферменты, входит в их состав, принимает участие в формировании костной ткани и в процессе фотосинтеза
19 Кобальт (Со) Принимает участие в процессе образования клеток крови, находится в составе витамина B12
20 Молибден (Mo) Помогает клубеньковым бактериям связывать атмосферный азот

Таб. 3. Основные ионы в клетках

Название
Описание объекта Изображение Роль в клетке
1 Катионы Положительно заряженные ионы.
2 Катионы калия и натрия К+

Na+

Основные катионы в организме животных. Они создают электрический потенциал клеточной мембраны, регулируют ритм сердечной деятельности.
3 Катионы кальция Ca2+ Принимает участие в свёртывании крови, отвечает за сократимость мышц, входит в состав клеточной стенки растений.
4 Катион магния Mg2+ Нужен растениям для осуществления фотосинтеза, так как он входит в состав хлорофилла. Является компонентом некоторых ферментов, есть в костной ткани и эмали зубов.
5 Катионы водорода Н+ Отвечают за кислотность и основность внутренней среды организма (pH).
6 Анионы   Отрицательно заряженные ионы
7 Анионы хлора Сl Хлор – основной анион клетки животных, принимает участие в создании электрического потенциала клеточной мембраны. Присутствует в составе соляной кислоты желудочного сока.
8 ОН   Выполняет ту же роль что и катион водорода

Как соединяются химические элементы в живых организмах?

Группа атомов, удерживаемых энергией в устойчивой ассоциации, называется молекулой или кристаллом. При изучении веществ в живых организмах нам будут встречаться следующие типы химических связей:

  • ионные – когда притягиваются атомы с противоположными зарядами;
  • ковалентные – характеризующиеся обобщением (перекрытием) в облако пары валентных электронов от разных атомов;
  • водородные – связи между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.

Ионные связи образуют кристаллы

В обычной поваренной соли – хлориде натрия (NaCl) – атомы удерживаются ионными связями, образуя решётку. Натрий имеет 11 электронов: 2 во внутреннем энергетическом уровне (К), 8 на уровне L и 1 на внешнем уровне М (валентность). Одиночный неспаренный валентный электрон имеет тенденцию к соединению с другим непарным электроном в другом атоме.

Стабильная конфигурация достигается за счёт потери электрона одним атомом и приобретения его другим. Натрий, теряя электрон, становится положительно заряженным ионом – катионом (Na+).

Кристаллы минеральных солей в клетках микрофотография
Минеральные соли в клетке накапливаются в виде кристаллов.

У атома хлора 17 электронов: 2 в уровне К, 8 в уровне L и 7 на М-уровне. Одна из орбиталей на внешнем энергетическом уровне содержит неспаренный электрон. Добавление электрона от другого атома превращает атом хлора в отрицательно заряженный хлорид-ион (Cl-). Так как противоположные заряды притягиваются, натрий и хлор остаются связанными нейтральным ионным соединением.

Решётка хлорида натрия фото
Кристаллическая решётка хлорида натрия. Голубой цвет = Na+ Зелёный цвет = Cl−
Автор: H Padleckas

Если кристаллическую решётку соли поместить в воду, электрическое притяжение молекул воды разрушает силы, удерживающие ионные связи. Раствор соли в воде представляет собой смесь свободных катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl-).

Так как живые системы всегда содержат воду, то ионы для них важнее кристаллов. Многие химические элементы в живых организмах находятся в виде ионов. Необходимые в клеточных системах ионы – это:

  • Ca2+, обеспечивающий передачу клеточных сигналов;
  • K + и Na +, участвующие в проведении нервных импульсов.

Если совместить металлический натрий и газообразный хлор, реакция образования хлорида натрия будет экзотермической – быстрой и с выделением тепла.

Ковалентные связи соединяют химические элементы в живых организмах и создают стабильные молекулы

Ковалентные связи образуются, когда два атома делят одну или несколько пар валентных электронов. В качестве примера рассмотрим газообразный водород (H2). Каждый атом водорода имеет неспаренный электрон, а значит и незаполненный внешний уровень. По этой причине атом водорода нестабилен. Когда два атома водорода образуют тесную связь, оба валентных электрона притягиваются к их ядрам. Они как бы делят между собой электроны, в результате чего получается двухатомная молекула газообразного водорода.

Ковалентная связь двух атомов водорода фото
Ковалентная связь, формирующая молекулу водорода H2 (справа), где два атома водорода перекрывают два электрона
Автор: Jacek FH, CC BY-SA 3.0

Молекула, образованная двумя атомами водорода, стабильна по трём причинам:

  1. Она нейтральна, так как содержит 2 протона и 2 электрона.
  2. Правило октета в ней выполнено. Каждый общий электрон атомов вращается вокруг обоих ядер.
  3. У них нет неспаренных электронов.

Многие химические элементы в живых организмах образуют ковалентные связи.

Прочность ковалентных связей

Прочность ковалентных связей зависит от количества их общих электронов. В прошлом пункте мы рассматривали одинарную связь, двойная же связь объединяет 2 пары электронов, она более крепкая. Чтобы разорвать её, требуется больше энергии. Самые сильные ковалентные связи – тройные, такие которые объединяют два атома  в молекулу газообразного азота (N2).

Ковалентные связи в химических формулах показывают линиями. Каждая линия между атомами представляет собой совместное использование одной пары электронов. Структурная формула газообразного водорода H–H, кислорода O=O, а их молекулярные формулы H2 и O2. Структурный характер формулы для N2 N ≡ N.

Молекулы с несколькими ковалентными связями

Огромное количество биологических соединений состоит более чем из двух атомов. Атом, который требует двух, трёх или четырёх дополнительных электронов для заполнения внешнего уровня, может приобрести их путём обмена с двумя и более атомами.



Например, атом углерода (С) содержит шесть электронов, четыре из них находятся на его внешнем энергетическом уровне и не имеют пары. Чтобы удовлетворить правилу октета, атом углерода должен образовать 4 ковалентных связи. Так как эти 4 скрепления могут производиться разными путями, углерод образует множество молекул, например: СО2 (углекислый газ), СН4 (метан), С2Н5ОН (этанол).

Химические элементы в живых организмах - строение атома углерода фото
Модель атома углерода
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Полярные и неполярные ковалентные связи

Атомы отличаются количеством электронов, это свойство называется электроотрицательностью. В строке Периодической таблицы она увеличивается вправо и уменьшается книзу колонки, то есть элементы в правом верхнем углу имеют наиболее высокую электроотрицательность.

Для связи между двумя идентичными атомами, например между двумя атомами водорода или кислорода, электроны делятся поровну. Области их соединения называются неполярными. Таковы, например, молекулы Н2, О2.

При соединении значительно отличающихся по электроотрицательности атомов электроны не делятся поровну. Общие электроны, скорее всего, будут ближе к атому с большей отрицательностью, и хотя получившаяся молекула будет электрически нейтральной, заряд в ней распределится неравномерно. Неравномерность заряда приводит к областям частичной отрицательности (в районе наиболее отрицательного атома) и положительного заряда вблизи наименее отрицательного атома. Такие связи называются полярными ковалентными, а молекулы – полярными.

На схемах с изображением полярных молекул эти частичные заряды обозначаются греческой буквой Дельта (δ). Интересно, что хотя С и Н немного отличаются по электроотрицательности, связь между ними неполярна. Н2О – полярная молекула, электроны в ней концентрируются около ядра атома кислорода. О воде мы будем говорить более подробно в следующем уроке.

Химические реакции взаимосвязаны и обратимы

Процессы образования и разрыва связей между атомами называются химическими реакциями. Все химические реакции обозначают перенос атома от одной молекулы в другое соединение, без каких-либо изменений в количестве или идентичности атомов. Для удобства оригинал молекул до начала реакции называют реагентом, а молекулы, образующиеся в результате реакции – продуктами. Например:

6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2, где 6H2O + 6CO2 – реагент, а C6H12O6 + 6O2– продукт. Это упрощённая формула реакции фотосинтеза, где вода и углекислый газ, вступая в реакцию, образуют молекулы глюкозы и кислорода.

Все химические реакции происходят под влиянием трёх факторов.

  1. Температура. Нагрев реагентов увеличивает скорость реакции, потому что атомы при этом двигаются быстрее и сталкиваются друг с другом чаще. Но необходимо позаботиться о том, чтобы температура не поднялась слишком высоко и не разрушила молекулы.
  2. Концентрация реагентов и продуктов. Реакции проходят быстрее, когда из-за более частых столкновений доступно больше реагентов. Накопление продуктов замедляет реакцию, а в обратимой реакции может привести к возвращению к исходным веществам.
  3. Катализаторы. Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость реакции. Он не изменяет соотношения между реагентом и продуктом, а сокращает время их изменения. В живых системах почти во всех реакциях катализаторами служат белки энзимы (ферменты).

Многие реакции в природе обратимы. Это значит, что продукты могут снова стать реагентами, а реагенты – продуктами. Соответственно, мы можем записать предыдущую формулу в обратном порядке:

C6H12O6 + 6O2→ 6H2O + 6CO2                     

Эта упрощённый вариант окисления глюкозы, протекающего во время клеточного дыхания, когда глюкоза расщепляется на воду и углекислый газ в присутствии кислорода. Почти все живые организмы осуществляют разные формы окисления глюкозы.

Организмы – накопители химических элементов

Организмы, способные накапливать в своём теле один или несколько химических элементов называют концентраторами. Если элемент составляет 10% от веса их тела или от атомной массы, тогда они относятся к данной группе.

Организмы-концентраторы Химические элементы, которые они накапливают
Подсолнечник,

картофель

Калий (К)
Бобовые,

фораминиферы,

моллюски,

кораллы

Кальций (Са)
Злаки,

хвощи,

радиолярии,

губки,

диатомовые водоросли

Кремний (Si)
Плауны,

чай

Алюминий (Al)
Растения засолённых почв (галофиты) Натрий (Na)

хлор (Cl)

Мхи,

железобактерии

Железо (Fe)
Водоросли Йод (I)
Пауки,

раки

Медь (Сu)
Серобактерии Сера (S)
Морепродукты кальций (Ca)

калий (K)

натрий (Na)

магний (Mg)

медь (Сu)

Наземные растения Марганец (Mn)
Наземные животные Фосфор (P)

азот (N)

 

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован.