Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5â6 1 - Vilniaus universitetas

More documents

Recommendations

Info

Antropinis principas: gyvybë = anglis + kiti org Organogenai periodinëje sistemoje Doc. dr. Kazimieras KONSTANTINAVIÈIUS Jei Visatos materijos savybës net labai nedaug skirtøsi nuo dabartiniø, tai nebûtø susidariusios ar bûtø kitokios galaktikos, þvaigþdës ir jø planetos bei jose esantys atomai, nebûtø atsiradusi Visatoje gyvybë. Todël manoma, kad elementariøjø daleliø pamatiniø savybiø suderinimas mûsø Visatoje ir nulëmë susidarymà tokiø atomø, ið kuriø, esant tinkamoms sàlygoms, galëjo atsirasti gyvybë ir „protingas þmogus“. Tokios mûsø Visatos savybës, leidusios susidaryti gyvybei bûtinoms sàlygoms ir atomams, pavadintos „antropiniu principu“ (gr. antropos – þmogus). Èia panagrinësime „antropinio principo“ realizavimàsi, t.y. kokie atomai ir jø sudaromos molekulës nulëmë gyvybës atsiradimà Þemëje. Kai metano ar vandens randama toliau nei Þemë nuo Saulës nutolusiose planetose ar jø palydovuose, o dabar ir kitø þvaigþdþiø planetose, paprastai sakoma, kad jose galëjo bûti, o gal ir yra gyvybë. Vis dëlto gyvybë yra sudaryta ne tik ið metano, bet ir ið daug sudëtingesniø ir ávairesniø molekuliø, kurias sudaro anglies, vandenilio, deguonies ir dar azoto atomai. Nors Þemëje randamø atomø-elementø yra apie devyniasdeðimt, taèiau kaþkodël gyvybë susikûrë daugiausia tik ið keturiø organogeniniø elementø – anglies, vandenilio, deguonies ir azoto. Ðie elementai, iðskyrus deguoná, Þemës plutoje nëra gausûs, tik specifiniuose sandaros organuose – kauluose, šarvuose ir kt. yra daugiau kalcio. Kitø atomø organizmuose nëra daug, nors kai kurie metalai labai maþais kiekiais yra bûtini. Tad organogeniniø elementø anglies, azoto, deguonies ir vandenilio atomai turi kaþkuo iðsiskirti ið kitø atomø, kad jie tapo bûtini susidaryti gyvybei. Norint išsiaiškinti, kuo organogenø atomai skiriasi nuo kitø periodinës sistemos atomø, kodël bûtent jie sudaro pagrindines gyvybës molekules ir kaip ið makromolekuliø atsirado gyvybë ir þmogus, reikia apþvelgti visos periodinës sistemos atomø pagrindines savybes, jas palyginti ir aptarti, kas lemia ðiø atomø ir jø sudaromø maþø ir makromolekuliø iðskirtinumà. Ðiuos klausimus trumpai panagrinësime trijuose straipsneliuose: 1) kuo ðie keturi organogeniniai atomai iðsiskiria ið daugiau kaip devyniasdeðimties visos periodinës sistemos atomø; 2) kodël makromolekulës ir vanduo yra bûtini gyvybei; 3) kaip realizavosi antropinis principas, t.y. kokie etapai bûdingi gyvybës organizmø plëtotei ir jø sàmonëjimui. Atomø savybiø kitimas tarp periodø Kaip þinoma, atomai sudaryti iš branduolio ir apie já skriejanèiø elektronø. Neutraliame atome neigiamà krûvá turinèiø elektronø yra tiek, kiek tokio pat dydþio teigiamà krûvá turinèiø protonø yra branduolyje, ir atome kiekvienam protonui galima priskirti vienà elektronà (tik neaiðku kurá). Atomø susidarymà lemia elektriniø krûviø sàveikos – jie vienas kità veikia Kulono dësniu: vienodi krûviai vienas kità stumia, o prieðingi traukia; krûviø sàveika yra tuo stipresnë, kuo didesni krûviai sàveikauja; didëjant atstumui sàveikos jëga silpnëja atvirkðèiai proporcingai atstumo kvadratui. Kadangi vienas kità traukia prieðingø þenklø – teigiamas ir neigiamas krûviai, tai traukos energija yra neigiama. Todël atomo elektronø (taigi ir atomo) energijos yra neigiamos ir toliau sakymas „didesnë“ ar „maþesnë“ energija reikð didesnæ ar maþesnæ neigiamà energijà, stipresná ar silpnesná elektrono traukimà prie branduolio. Atomai yra stabilûs todël, kad branduolyje sukoncentruoti protonai elektronus traukia stipriau nei atskirai ir nepriklausomai skriejantys elektronai tarpusavyje vienas kita stumia. Ta elektronø tarpusavio stûma iš dalies uþstoja-sumaþina-ekranuoja branduolio krûvá, todël branduolys elektronus traukia efektyviu krûviu, kuris yra maþesnis nei visø jo protonø krûvis, bet didesnis nei vieno protono krûvis. Kaip þmonës turi savo bûstà, taip ir elektronai atome (ar molekulëje) irgi yra bûstuose – bûsenose ir nuo jø priklauso atomø ir molekuliø savybës. Taèiau elektronø bûsenas lemia jau kitokie – kvantiniai mikropasaulio dësniai, skirtingi nuo Niutono dësniø, kurie valdo mûsø makropasaulá. Ðios atomo (molekulës) bûsenos vadinamos orbitalëmis ir skiriasi energija (butai gali bûti skirtinguose aukðtuose) bei forma (kambariai irgi yra skirtingø formø). Tiesà sakant, kaip juda elektronas, apskritai neþinoma (manoma, kad ið principo ir negalima suþinoti), todël ir bûsenos apibûdinamos tikimybëmis rasti elektronà ávairiose vietose. Dël ðio neapibrëþtumo bûsenos-orbitalës daþnai vaizduojamos kaip tam tikros formos debesëlis, kuris yra tankesnis ten, kur didesnë tikimybë rasti elektronà. Visø atomø orbitaliø klasifikacija yra paremta vandenilio atomo orbitalëmis, nes tik jo atominës orbitalës (AO) nustatytos tiksliai, iðsprendus Ðredingerio lygtá, gautà remiantis pagrindiniais kvantinës mechanikos dësniais. Kitø atomø AO, gautos pakankamai tikslios artutiniais-apytikriais metodais, maþdaug atitinka vandenilio atomo AO. Vandenilio atomo orbitalës susiskirsto sluoksniais, kurie paeiliui tolsta nuo branduolio. Pirmas sluoksnis turi vienà 1s orbitalæ, antras sluoksnis – keturias 2s, 2p x , 2p y , 2p z orbitales; treèias sluoksnis – keturias 3s, 3p x , 3p y , 3p z orbitales ir dar penkias 3d tipo AO, iš viso devynias; ketvirtas sluoksnis, be ðiø devyniø, turi dar septynias f tipo AO ir t.t. Kai atome yra ne vienas, o keli ar keliasdeðimt elektronø, jie turi iðsidëstyti tuose bûstuose – sluoksniø orbitalëse. Ðis iðsidëstymas yra reguliuojamas Pauli principu, pagal kurá kiekvienoje orbitalëje gali bûti ne daugiau kaip du elektronai, taèiau jø sukimaisi apie savo aðá – sukiniai (panaðiai kaip ir Þemë sukasi apie savo aðá) turi bûti prieðingø krypèiø. Be elektronø skaièiaus vienoje orbitalëje apribojimo, jø iðsidëstymas sluoksniuose yra veikiamas ir orbitaliø energijos, nes pirmiausia uþpildomi sluoksniai, kuriuose elektronai yra stipriausiai traukiami prie branduolio, taigi ir tø elektronø energija yra didþiausia. Todël pirmiausia yra uþpildomi arèiausiai branduolio esantys sluoksniai – kiekvienoje sluoksnio orbitalëje iki dviejø elektronø, ir paeiliui pildomi vis tolimesni sluoksniai. Atomo savybes daugiausia nulemia paskutiniojo, išorinio – valentinio sluoksnio savybës. Valentinis sluoksnis ypaè svarbus dël to, kad atomas su kitais atomais susilieèia ir sàveikauja tik tolimiausiais nuo branduolio iðorinio sluoksnio valentiniais elektronais (VE). Tad valentinis sluoksnis apibrëþia atomo dydá – tûrá ir kitas atomo savybes, taip pat pagrindinæ atomo savybæ – jo sudaromas chemines jungtis ir tarpmolekulines sàveikas. 32 Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5–6
anogenai H Elementai iš pradþiø buvo suklasifikuoti ir suskirstyti periodinëje Mendelejevo sistemoje pagal elementø chemines savybes ir didëjanèius atominius svorius. Paaiðkëjus atomø sandarai pasirodë, kad periodinë Mendelejevo sistema yra apibrëþiama valentinio sluoksnio orbitalëmis, kurios atitinka vandenilio atomo orbitaliø suskirstymà sluoksniais. Atomams-elementams iðdëstyti periodais yra svarbu ir jø valentinëse atominëse orbitalëse (VAO) esanèiø elektronø (VE) energijos, kurias sudaro jø sàveika su branduoliu ir tarpelektroninës saveikos, kurios priklauso nuo orbitaliø formos. Kuo tolimesnis nuo branduolio valentinis sluoksnis, tuo silpniau elektronà traukia branduolys, tuo maþesnës to sluoksnio atominiø orbitaliø energijos (tiksliau, tose orbitalëse esanèiø elektronø energijos). C Si 1 pav. Vandenilio H, anglies C ir silicio Si atomø sluoksniai. Branduolys , išoriniai-valentiniai ir vidiniai elektronai Pirmojo periodo valentinë AO yra pirmo sluoksnio 1s orbitalë, o antrojo periodo VAO yra keturios antro sluoksnio 2s, 2p x , 2p y , 2p z orbitalës. Treèiojo vandeniliško sluoksnio tik 3s, 3p x , 3p y , 3p z valentines AO turi artimas energijas, tuo tarpu penkiø 3d tipo AO energijos yra daug aukðtesnës ir artimos ketvirto sluoksnio 4s , 4p x , 4p y , 4p z orbitaliø energijoms. Todël treèiàjá periodà sudaro keturios treèiojo sluoksnio orbitalës, tuo tarpu ketvirtàjá periodà sudaro devynios VAO , t.y. keturios 4s, 4p x , 4p y , 4p z ir penkios 3d tipo orbitalës. Tolimesnius periodus, panaðiai kaip ir ketvirtàjá periodà, sudaro susimaiðiusios vandenilio atomo gretimø sluoksniø AO ir jie turi po devynias ar dar daugiau VAO. Tad pirmajam periodui, kuris turi tik vienà 1s orbitalæ, priklauso tik du elementai, vandenilis H (vienas VE) ir helis He (du VE). Antrajam periodui priklauso aštuoni elementai, trys pirmieji atomai yra Li, Be, B, viduryje yra anglies C atomas (keturi VE), toliau eina azoto N (5 VE), deguonies O (6 VE) atomai bei paskutinieji halogenas floras F (7 VE) ir inertiniø dujø atomas neonas Ne (8 VE). Treèiojo periodo atomai silicis Si, fosforas P ir siera S turi tiek pat iðoriniøvalentiniø elektronø kaip ir C, O, N atitinkamai ir laikomi chemiðkai panaðûs á pastaruosius (1 pav.). Ketvirtajam periodui jau priklauso aðtuoniolika atomø – elementø ir t.t. Valentinio sluoksnio elektronà vidiniø sluoksniø elektronai stumia nuo branduolio ir vienas vidinis elektronas uþstoja-ekranuoja valentiniam elektronui beveik vieno protono krûvá. Taigi valentinio sluoksnio elektronus branduolys traukia efektyviu krûviu, kuris yra artimas atomo VE skaièiui. Todël didëjant periodo numeriui ir valentiniam sluoksniui vis labiau tolstant nuo branduolio, jo VE vis silpniau traukiami prie branduolio, juos vis lengviau atitraukti ið atomo ir já paversti teigiamu jonu, kartu atomui sunkiau prisitraukti papildomà elektronà ir tapti neigiamu jonu. Šios jonizacinës savybës, vadinamos atitinkamai jonizacijos potencialu ir giminingumu elektronui, yra labai svarbios atomø bendravimui su kitais atomais ir su aplinka. Ketvirtojo ir kitø periodø atomø valentiniai sluoksniai yra gana toli nuo branduolio, jø VE jonizacijos energijos yra maþos ir jos maþai skiriasi (maþesniø skaièiø skirtumai yra maþesni), taigi visø šiø atomø savybës yra panaðios ir jø elementai yra metalai. Atomø savybiø kitimas periode Atomø cheminës ir fizikinës savybës skiriasi ne tik tarp periodø, bet kinta ir vieno periodo ribose, priklausomai nuo valentiniø elektronø skaièiaus, kuriø pasiskirstymas sluoksnio orbitalëse ribojamas Pauli principo. Tas savybiø kitimas priklauso nuo branduolio efektyvaus krûvio, nes valentinius elektronus nuo branduolio stumia ne tik vidiniø sluoksniø elektronai, kuriø kiekvienas ekranuoja beveik visà protono krûvá, bet ir likusieji valentinio sluoksnio elektronai. Taèiau jie branduolio krûvá ekranuoja daug silpniau nei vidiniai elektronai, nes vienas valentinio sluoksnio elektronas kitam VE „uþstoja“ – ekranuoja ne visà protono krûvá, o tik maþdaug treèdalá. Todël periodo ribose padidëjus branduolio krûviui vienu protonu ir vienu valentinio sluoksnio elektronu, branduolio efektyvus krûvis, kuriuo jis traukia VE, didëja maþdaug dviem treèdaliais protono krûvio. Tad branduolio efektyvus krûvis nuo periodo pradþios iki pabaigos gerokai padidëja (antrajame periode daugiau nei dvigubai) ir atitinkamai sustiprëja VE trauka prie branduolio, todël sumaþëja pats atomas. Taip susidaro, atrodytø, paradoksalus atomø dydþio kitimas periode: didëjant valentiniø elektronø ir branduolio protonø skaièiui atomø tûris ir dydis periode maþëja. Atomo dydis, t.y. jo valentinio sluoksnio atstumas nuo branduolio, arba atomo dydis ar tûris, yra svarbi atomo savybë, nes ji lemia valentiniø elektronø traukà prie branduolio, taigi ir atomo jonizacijos potencialo ir giminingumo elektronui dydá. Todël atomo dydis yra plaèiai naudojamas atomui charakterizuoti ir savybëms apibûdinti ir toliau jais bus daþnai remiamasi. Periode pirmo ar antro atomo elektronus traukia beveik vieno ar dviejø protonø krûvis, kaip vandenilio ar helio atomuose (tik kitø periodø valentiniai sluoksniai yra daug toliau nuo branduolio). Todël periodø pirmieji atomai yra gerokai didesni nei tolimesni ar paskutiniai, jø jonizacijos energijos yra palyginti maþos ir elementai yra metalai. Einant periode á deðinæ didëja branduolio efektyvus krûvis ir VE energija, taigi ir jonizacijos potencialai. Ðis savybiø kitimas labai bûdingas pirmiesiems periodams, kai VE yra arti branduolio ir jie stipriai traukiami branduolio. Tad pirmøjø periodø paskutiniøjø atomø branduolio efektyvûs krûviai yra daug didesni uþ periodo pirmøjø atomø, jø VE energijos ir jonizacijos potencialai labai padidëja ir jie tampa nemetalais – dielektrikais. Tuo tarpu tolimesniø periodø atomø valentiniø sluoksniø atstumai nuo branduolio yra dideli, jø VE gana silpnai traukiami prie branduolio, jø jonizacijos potencialai yra maþi ir maþai skiriasi ir visi elementai jau yra metalai (nors metalai irgi yra skirtingø savybiø, nes jø VE skaièiai yra skirtingi). Kaip matyti, ið atomø branduolio efektyvaus krûvio priklausomybës tarp periodø ir periode išplaukia, kad maþiausi atomai yra pirmøjø periodø pabaigoje, periodinës sistemos deðiniajame virðutiniame kampe. Todël ið visø atomø iðsiskiria antrojo periodo paskutiniai anglies, azoto ir deguonies atomai (þinoma, ir floro) ir pirmojo periodo vandenilio atomas, kurie yra maþiausi, jø VE energijos ir jonizacijos potencialai bei giminingumai elektronui yra didþiausi ir jie yra dielektrikai – nemetalai. Ðie atomai ir sudaro specifinæ „biologiniø“ – organogeniniø atomø grupæ, nors tarpusavyje jø savybës labai skiriasi, nes valentiniams elektronams esant arti branduolio net nedideli jo efektyvaus krûvio pasikeitimai labai keièia atomo charakteristikas. Nuo to ir priklauso, kad nuo kitø atomø šie organogeniniai nemetalai-dielektrikai skiriasi sudaromomis cheminëmis jungtimis bei molekuliø ávairove ir jø iðskirtinëmis savybëmis. Likæ pirmojo ir antrojo periodø paskutiniai helio ir neono atomai-elementai yra neaktyvios inertinës dujos, o vienvalentis floras per daug agresyvus. Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5–6 33
Page 1 and 2: 2011 5-6 Mokslas ir gyvenimas 2011
Page 3 and 4: uosto direkcija”- 20 metø Á PAS
Page 5 and 6: direkcija”- 20 metø tiktø. Taè
Page 7 and 8: direkcija”- 20 metø 6 Povilas Si
Page 9 and 10: direkcija”- 20 metø pleèiasi ir
Page 11 and 12: ø. Be kelto per Atmatà, saloje bu
Page 13 and 14: Bruoþas Baltijos jûros istorijai
Page 15 and 16: svarbos nepraradusiems kalbotyros m
Page 17 and 18: savo raðte Kaunà pavadino „Þe
Page 19 and 20: Kol kas ingos ligos simptomus turim
Page 21 and 22: Karalius Mindaugas Skulptorius Vyta
Page 23 and 24: vardas skamba pingvinø sostinëje
Page 25 and 26: uosto direkcija”- 20 metø Su Ðv
Page 27 and 28: uosto direkcija”- 20 metø sprend
Page 29 and 30: uosto direkcija”- 20 metø rengin
Page 31: negili, vanduo ðiltas, normalaus d
Page 35 and 36: tinius elektronus nei didesnis ir a
Page 37 and 38: iðsikëlimà ið Kauno á Vilniø
Page 39 and 40: gamtininkø Virgilijus PAJARSKAS Mo
Page 41 and 42: vendinami šie uþdaviniai: tiriama
Page 43 and 44: Paaiðkëjo, kad Këdainiø rajono
Page 45 and 46: jie uþims maþai vietos. Svarbu ir
Page 47 and 48: Fizikos laboratorijose - atradimø
Page 49 and 50: miniatiûriniai, matuojami milimetr
Page 51 and 52: mø grupës nariai nuolatos vyksta

Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5â6 1 - Vilniaus universitetas

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?

Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5â6 1 - Vilniaus universitetas