ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

1

ATOMY:

PODSTAWA ŻYCIA

WPROWADZENIE

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

2

ZŁOŻONOŚĆ ŚWIATA

„RÓŻNORODNOŚĆ TO SMAK ŻYCIA”

To m.in. otaczające nas materiały, np.
plastik, szkło, ceramika, metale, drzewo,
kamienie. Występują w różnorodnych
kombinacjach, pozwalając m.in.
na

budowę

domów,

konstrukcję

samochodów.

Pomimo to składają się z niewielkiej liczby
elementów nazwanych pierwiastkami.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

3

STRUKTURA

MATERII

Wszystkie materiały występujące we
wszechświecie, organizmy żyjące na
planetach można zbudować z trzech
podstawowych rodzajów cząsteczek:
• protonu,
• neutronu,
• elektronu.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

4

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

5

STRUKTURA MATERII

Proton
Neutron atomy

pierwiastek

Elektron

pierwiastki związek chemiczny

materiały

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

6

PIERWIASTKI

Identyfikację elementarnych składników
otaczającego świata rozpatrywano już
w starożytnej Grecji:
• ziemia,
• ogień,
• powietrze,
• woda.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

7

Pierwiastki

Dalsze badania doprowadziły do

bardziej

złożonego obrazu i stwierdzenia, że
wszystko wokół nas zawiera

dużą, lecz

skończoną liczbę elementów

nazywanych

pierwiastkami.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

8

PIERWIASTKI

Obecnie formalnie -

111 pierwiastków

.

90

(92) z nich występuje naturalnie,

Pozostałe wytworzono w laboratoriach.
Pierwiastki od 90 do 111 – czas życia

bardzo krótki.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

9

PIERWIASTKI

Ilość związków zbudowanych z tych 90

pierwiastków jest niezliczona.

Z drugiej strony rzeczywistość jest

bardziej

zaskakująca: tylko nieliczne z tych 90

jest

niezbędne do życia

.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

10

PIERWIASTKI

Do prawidłowego funkcjonowania życia

niezbędne jest 25 pierwiastków.

Tyle pierwiastków jest potrzebne do

utworzenia:

• kości,
• mięśni,
• Krwi
• pozostałych płynów fizjologicznych.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

11

Pierwiastek – układ

biologiczny

11

najważniejszych pierwiastków dla

funkcjonowania układów

biologicznych:

H, O, C, N, Na, K, Ca, Mg, P, S, C

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

12

PIERWIASTKI

4 najważniejsze pierwiastki

(97% masy ciała)

Zawartość

% w/w

Tlen

61

Węgiel

23

Wodór

10

Azot

26

Wapń

14

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

13

PIERWIASTKI –

CHARAKTERYSTYKA

• Układ okresowy pierwiastków

podstawowe źródło informacji o
właściwościach pierwiastków

• NAZWA: „Natrium” = sód
• SYMBOL: Na

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

14

Pierwiastek – związek

chemiczny

• Pierwiastek jest definiowany jako

prosta

substancja, której nie można dalej

rozłożyć

metodami chemicznymi.

• Węgiel – pierwiastek
• Woda – związek pierwiastków wodoru

(H

2

) i tlenu (O

2

)

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

15

ATOMY

ATOM – najmniejsza jednostka, w której
pierwiastek występuje.
Definicja: atom definiujemy jako

najmniejszą

cząsteczkę, na którą pierwiastek może być
podzielony, przy zachowaniu właściwości
typowych dla pierwiastka.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

16

diament

diament

Wiele identycznych

atomów węgla

Wzajemnie

połączone

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

17

BUDOWA ATOMU

Co powoduje, że atom węgla różni się

od

atomu azotu ?
Odpowiedź znajdziemy w elementach
składowych atomu: protonach,

neutronach,

elektronach.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

18

Cząsteczki elementarne

• Masa protonu i neutrony jest bardzo

podobna

• Masa elektronu jest 2000 razy

mniejsza

• Inne cząsteczki:Fizyka współczesna

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

19

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

20

WŁAŚCIWOŚCI CZĄSTECZEK

ELEMENTARNYCH

Atom wapnia: 20 p, 20 n, 20 e
Atom azotu: 7 p, 7 n, 7 e

Oba atomy zawierają te same

cząsteczki,

lecz różną ich liczbę.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

21

UTRATA WŁAŚCIWOŚCI

ATOMU

Atomy azotu – jednakowe właściwości;
proton, elektron, neutron –
wchodzące w skład atomu azotu już

nie

posiadają takich właściwości jak atom.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

22

ŁADUNEK ELEKTRYCZNY

W biologii ładunek elektryczny odgrywa
zasadniczą rolę, np. przekazywanie

sygnału przez układ nerwowy:

dotyk palcem ładunek (seria

komórek nerwowych) mózg
(wrażenie)

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

23

ŁADUNEK ELEKTRYCZNY

Proton - ładunek dodatni
Elektron - ładunek ujemny
Neutron - bez ładunku

Atom – obojętny elektrycznie

, ponieważ

liczba protonów jest równa liczbie
elektronów

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

24

Obojętn
y atom

Liczba
protonó
w

Liczba
elektronów

Dodanie
elektronu

Zakłócenie
równowagi

Ładunek
ujemny

Usunięcie
elektronu

Zakłócenie
równowagi

Ładunek
dodatni

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

25

SKŁAD ATOMU

Liczba atomowa (

Z

) – liczba protonów

(= liczbie elektronów)

Liczba masowa (

A

) – liczba protonów

+ liczba neutronów

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

26

PRZYKŁAD

POTAS, K
Z = 19
= liczba protonów = liczba

elektronów

A = 39
= liczba protonów + liczba

neutronów

stąd:
liczba neutronów = 39 – 19

= 20

K

39

19

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

27

JONIZACJA

Zakłócenie równowagi pomiędzy liczbą

protonów i elektronów prowadzi do
powstawania jonów.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

28

JONY

Atom + e jon ujemny (anion)
Atom - e jon dodatni (kation)
Chlor jon chlorkowy Cl

-

Sód jon sodowy Na

+

Zdolność do uzyskiwania i oddawania
elektronów nosi ogólnie nazwę

reaktywności

.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

29

IZOTOPY

Atomy tego samego pierwiastka mogą

się różnić liczbą neutronów.

Atomy noszą nazwę izotopów.
Tlen: trzy izotopy 8 p, lecz 8 n, 9 n, 10

n

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

30

IZOTOPY TLENU

Względny udział:
99.757 %

16

O

0.038 %

17

O

0.205 %

18

O

czyli:
99757
38
205
100000

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

31

IZOTOPY

• Względny udział %

izotopów magnezu.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

32

OBLICZANIE MASY ATOMOWEJ

Magnez, Mg
M

Mg

= 78.99 / 100 x 24 + 10.00 / 100

x 25

+ 11.01 / 100 x 26 = 18.96 +

2.50

+ 2.86 = 24.32
24.32 atomowych jednostek masy

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

33

SKŁAD IZOTOPOWY

Co to oznacza ?
Procent całkowitej ilości atomów, które
posiadają określoną masę (LM).

LICZBA MASOWA
Dla obliczenia liczby masowej obliczamy
średnią ważoną.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

34

ŚWIAT ROŚLIN - IZOTOPY

Selektywne działania w roślinach.

Czy różnica

1-go neutronu

ma

w rzeczywistości takie znaczenie ?

Tak – w świecie roślin

!

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

35

FOTOSYNTEZA

Absorpcja CO

2

(z atmosfery) + H

2

O

synteza glukozy (+hv)

Skład izotopowy CO

2

12

C - 98.9 %

13

C - 1.0 %

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

36

FOTOSYNTEZA

Dyskryminacja

13

C w stosunku do

12

C.

Izotopy te różnią się 1 neutronem, co
Powoduje, że

13

CO

2

jest cięższy od

12

CO

2

,

a w konsekwencji wolniej dyfunduje
w obrębie chloroplastu i później dociera
do miejsc, gdzie byłby metabolizowany.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

37

FOTOSYNTEZA

Zróżnicowany metabolizm wśród

roślin.

Mogą być podzielone na trzy grupy

(typy) ze względu na fotosyntezę.

C

3

– mniej absorbują

13

CO

2

C

4

- więcej absorbują

13

CO

2

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

38

POCHODNE CUKRU

Cukier (sacharoza) może być

produkowany:

• z buraków cukrowych (C

3

– roślina),

• Z trzciny cukrowej (C

4

– roślina).

• Jeżeli w cukrze jest przewaga

13

C tzn.

cukier pochodzi z trzciny cukrowej.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

39

PROTONY I IDENTYFIKACJA

CHEMICZNA

Cechą charakterystyczną, decydującą
o identyfikacji , czyli przynależności
atomów do danego pierwiastka jest

liczba

protonów.
Odnosi się to również do jonów.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

40

Utrata
elektronó
w

Jeden neutron
więcej

Oba jony są dodatnie

Dodatkowy neutron
nie zmienia ładunku

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

41

STRUKTURA ATOMOWA

Protony, neutrony i elektrony nie są
„zlepione” w prosty sposób.
Są one w obrębie atomu zorganizowane
w sposób szczególny.
To strukturalne zorganizowanie

uzasadnia

zachowanie się atomów oraz ich
właściwości chemiczne.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

42

Struktura atomu

• Elektron wypełnia

większość
przestrzeni
zajmowanej przez
atom

Elektron tworzy „chmurę”
otaczającą jądro

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

43

STRUKTURA ATOMOWA

000

10

atomu

Średnica

D 

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

44

STRUKTURA ATOMOWA

• Struktura atomowa

wykazuje
podobieństwo do
struktury komórki

Jądro zawiera DNA

Komórka

Atom

Jądro stanowi
centrum –
upakowane p i n

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

45

STRUKTURA ATOMOWA

ORBITALE

Elektrony otaczają jądro tworzące jakby
chmurę, co wynika z ich ruchu.
Elektron – jest jak „osa” zamknięta w

dziupli.

Może się w niej poruszać, ale nie może jej
opuścić.
Objętość, w której mogą się poruszać
elektrony nosi nazwę

ORBITALU

.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

46

Orbitale a poziomy

• Poziom określa dystans elektronu od

jądra.

• Poziomy są kolejne numerowane

począwszy od 1.

• W obrębie każdego poziomu

wyróżnia się podpoziomy.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

47

Pozi
om
1

poziom
y

podpoziom
y

1

2

3

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

48

Typy orbitali

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

49

Zapełnianie poziomów

• Poziom – nazwa ulicy
• Typ orbitalu – numer domu

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

50

Zapełnianie poziomów

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

51

ZAKAZ PAULIEGO

Orbital może zawierać maksimum dwa
elektrony. Zakaz Pauliego.
Konsekwencją zakazu Pauliego –

wypełnianie przestrzeni coraz
bardziej oddalonej od jądra.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

52

Energia atomu

• Energia wzrasta w miarę oddalania

się od jądra

• Orbitale s, p i d odpowiadają coraz to

wyższej energii w ramach danego
poziomu (następny rysunek)

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

53

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

54

Konfiguracja elektronowa

• Orbitale są wypełniane kolejno w

miarę wzrastającej energii – ta
zasada nosi nazwę reguły” Aufbau”

• Konfiguracja elektronowa

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

55

KONFIGURACJA ELEKTRONOWA

Sposób w jaki elektrony wypełniają

orbitale

noszą nazwę konfiguracji elektronowej.
Dlaczego w tak zorganizowany sposób ?
Uzyskanie jak najbardziej trwałej

konfiguracji

– najniższej energii.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

56

Zapełnianie orbitali

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

57

Energia podpoziomów

• Podpoziomy p, d, f posiadają jednakową

energię (mówimy o degeneracji) Wypełnienie
pojedynczym elektronem ma miejsce

przed parowaniem.
Elektrony odpychają się, zatem zajęcie innego
podpoziomu przez elektron powoduje uniknięcie
odpychania i elektron będzie posiadał mniejszą
energię.
Sparowanie wymaga wyższej energii

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

58

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

59

Przejścia elektronowe

• Elektrony nie są ograniczone w

zajmowaniu jednego orbitalu.

• Jeżeli elektron uzyska wystarczającą

energię to może zmienić orbital i
poziom – warunek na nowym orbitalu
musi być puste miejsce.

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

60

Przejście elektronu
wskutek absorpcji
energii

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

61

Przejścia elektronowe

• Różnice pomiędzy poziomami i

podpoziomami są ustalone

• Proces wzbudzenia elektronu polega

na pochłonięciu energii przez
elektron i przejściu na wyższy poziom

• Wzbudzenie jest procesem

przejściowym

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

62

Stan podstawowy

• Obiekty posiadające wyższa energię

są mniej stabilne zatem atom wraca
do stanu podstawowego i elektron
emituje energię

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

63

Przykład procesu wzbudzenia

• Promień świetlny-foton i jego droga w

oku- dotarcie do dna rogówki – tzw

siatkówki

• Powoduje wytworzenie impulsu który

poprzez nerw dociera do mózgu, gdzie

ulega transformacji i powstaje

zjawisko widzenia przedmiotu. W jaki

sposób pochłonięcie przez siatkówkę

enrgii fotonu powoduje powstanie

impulsu elektrycznego?

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

64

Mechanizm widzenia

• Komórka siatkówki

zawiera barwnik –

rodopsynę (rhodopsin)

w skład której wchodzi

bialko połączone z 11-

cis-retinalem. Absorpcja

fotonu przez aldehyd

powoduje jego

wzbudzeniezmiana

struktury—>aktywuje

rodopsynę 

zapoczatkowanie reakcji

biochemicznych

powstanie impulsu

H

O

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

65

Fala elektromagnetyczna

• Długość fali 
• Zakres długości fal odpowiadający

poszczególnym obszarom

• Promieniowanie nisko i wysoko

energetyczne

ANALITYKA MEDYCZNA 2007
/2008

66