Hơn một nghìn tỉ nguyên tử có thể đặt đủ vào dấu chấm ở cuối câu này. Mỗi nguyên tử được cấu tạo từ một nhân và chuyển động xung quanh nó là một hoặc một số electron (Hình 2.2). Nhân chứa một hoặc một số proton và một hoặc một số neutron. Nguyên tử và các cấu tử của nó có thể tích và khối lượng, hai tính chất của mọi vật chất. Khối lượng đo lượng vật hiện diện; khối lượng càng lớn thì lượng vật chất càng lớn.
Khối lượng của proton có chức năng là một đơn vị đo chuẩn: đơn vị khối lượng nguyên tử hay dalton (đặt tên theo nhà hóa học người Anh John Dalton). Một proton hay neutron có khối lượng khoảng 1 dalton (Da), tương đương với 1,7.10-24 gram
(0,0000000000000000000000017g). Khối lượng một electron khoảng 9.10-28 g (0,0005 Da). Vì khối lượng của một electron không đáng kể so với khối lượng của một proton hay một neutron, người ta thường bỏ qua sự đóng góp của electron vào khối lượng nguyên tử khi tính toán. Tuy nhiên chính electron mới quyết định cách các nguyên tử tương tác với nhau trong các phản ứng hóa học, và chúng ta sẽ bàn nhiều về vấn đề này
sau trong chương này.
. Hình 2.2: Ngyên tử helium
Mỗi proton tích điện dương, được định nghĩa là +1 đơn vị tích điện. Một electron có điện tích âm bằng và trái dấu với điện tích của proton; vì vậy điện tích của electron là -1 đơn vị. Neutron, đúng như tên nó phản ảnh, không tích điện vì vậy điện tích của nó là 0 đơn vị. Các điện tích trái dấu (+/-) thì hút nhau còn các điện tích cùng dấu (+/+ hay -/-) thì đẩy nhau. Các nguyên tử đều trung hòa về điện: Số lượng proton trong một nguyên tử bằng với số lượng electron.
Một nguyên tố được cấu tạo nên chỉ từ một loại nguyên tử
Một nguyên tố là một chất tinh khiết chỉ chứa một loại nguyên tử. Nguyên tố Hydrô chỉ chứa một loại nguyên tử hydrô; nguyên tố sắt chỉ chứa các nguyên tử sắt. Nguyên tử của mỗi nguyên tố có những đặc tính hoặc tính chất nhất định phân biệt chúng với các nguyên tử của nguyên tố khác. Hơn 100 nguyên tố tìm thấy trong vũ trụ được sắp xếp trong bảng tuần hoàn (Hình 2.3). Các nguyên tố này được tìm thấy với trữ lượng khác nhau. Các ngôi sao có rất nhiều Hydrô và Hêli. Đất của trái đất và ở những hành tinh gần đó chứa gần một nửa là Oxy, 28% silicon, 8% nhôm, 2-5% cho mỗi một nguyên tố Natri, Magiê, Kali, Canxi và sắt và chưa một lượng ít hơn nhiều các nguyên tố khác.
Khoảng 98% trọng lượng của mọi cơ thể sống (vi khuẩn, củ cải hay con người) đều được tạo nên từ chỉ sáu nguyên tố: Carbon, hydro, Nitơ, oxy, phốt pho và lưu huỳnh. Hóa tính của sáu nguyên tố này sẽ là mối quan tâm hàng đầu của chúng ta ở đây, nhưng các nguyên tố khác không phải không quan trọng. Ví dụ Na và K quan trọng đối với chức năng thần kinh; Ca có thể hoạt động như một tín hiệu sinh học; iod là thành phần của một loại hormone quan trọng; và cây cần Magiê như một phần của lục sắc tố (chlorophyll) và
molybdenum để chuyển hóa N vào các hợp chất sinh học có ích.
Hình 2.3: Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học các nguyên tố được xắp xếp theo đặt tính vật lý và hóa học. 1-92 là các nguyên tố tự nhiên, các nguyên tố từ 93 trở về sau được tạo ra trong phòng thí nghiệm
Số lượng proton quyết định loại nguyên tố
Một nguyên tố được phân biệt với một nguyên tố khác bằng số lượng proton ở mỗi nguyên tử của nó. Con số này không bao giờ thay đổi và được gọi là số nguyên tử. Một
nguyên tử Heli có 2 proton và một nguyên tử oxy có 8 proton; như vậy số nguyên tử của hai nguyên tố này lần lượt là 2 và 8.
Cùng với một số lượng proton xác định, mỗi nguyên tố ngoại trừ Hydro có một hoặc một vài neutron trong nhân của nó. Số khối của một nguyên tử là tổng số proton và neutron trong nhân của nó. Nhân của Heli chứa 2 proton và 2 neutron; oxy có 8 proton và 8 neutron. Vì vậy Heli có số khối là 4 và oxy có số khối là 17. Số khối có thể coi là trọng lượng của nguyên tử tính theo đơn vị Dalton.
Mỗi nguyên tố có ký hiệu hóa học gồm một hoặc hai chữ cái riêng. Ví dụ H là ký hiệu của Hydrô, He là ký hiệu của Heli và O là ký hiệu của Oxy. Một số ký hiệu có nguồn gốc từ các ngôn ngữ khác: Fe (từ tiếng Latin ferrum) ký hiệu cho sắt, Na (Latin là natrium) ký hiệu cho Natri, và W (Tiếng Đức, Wolfram) ký hiệu cho Von-fram.
Trong các sách, ngay trước ký hiệu cho một nguyên tố, số nguyên tử được viết ở phía dưới bên trái và số khối được viết ở phía trên bên trái. Vì vậy hydro, carbon và oxy được viết lần lượt như sau H11, C126, O168,
Các đồng vị khác nhau về số neutron
Các nguyên tố có thể có nhiều hơn một dạng nguyên tử. Các đồng vị của cùng một nguyên tố đều có cùng một số proton xác định nhưng khác nhau về số neutron trong nhân nguyên tử.
Trong tự nhiên nhiều nguyên tố tồn tại ở nhiều dạng đồng vị. Các đồng vị của Hydro ở Hình 2.4 có các tên riêng, nhưng đồng vị của hầu hết các nguyên tố không có tên riêng.
Ví dụ đồng vị trong tự nhiên của Carbon là 12C, 13Cvà 14C(được đề cập dưới tên gọi Carbon 12, Carbon 13 và Carbon 14). Hầu hết nguyên tử Carbon đều là 12C, khoảng 1,1%
là 13C và chỉ một phần rất nhỏ là 14C. Một khối lượng nguyên tử của một nguyên tố, tức trọng lượng nguyên tử * là trung bình số khối của một mẫu đại diện các nguyên tử của nguyên tố đó, với tất cả các đồng vị theo tỉ lệ của chúng thường gặp. Do đó trọng lượng nguyên tử của Carbon được tính là 12,011.
Một số đồng vị, gọi là đồng vị phóng xạ, không bền và tự phát ra năng lượng dưới dạng các phóng xạ α (alpha), β (beta) hay γ (gamma) từ nhân nguyên tử. Sự phân rã phóng xạ như vậy biến nguyên tử ban đầu thành một nguyên tử khác, thường là một nguyên tố khác. Ví vụ carbon-14 mất một hạt β (thật ra là một electron) để tạo nên 14N. Các nhà Sinh vật và Vật lý có thể kết hợp các đồng vị phóng xạ vào các nguyên tử và sử dụng phóng xạ phát ra như một dấu hiệu để xác định vị trí của những phân tử này hoặc xác định những thay đổi mà phân tử này đang trải qua trong cơ thể (Hình 2.5). Ba đồng vị phóng xạ được sử dụng phổ biến theo cách này là 1H (tritium), 14C (carbon-14) và 32P (phốtpho 32). Ngoài những ứng dụng này các đồng vị phóng xạ còn được sử dụng để định tuổi các hóa thạch (xem chương 22).
Mặc dù đồng vị phóng xạ có ích cho các thí nghiệm và trong Y học, chỉ một liều thấp phúng xạ của chỳng cú khả năng hủy hoại tế bào và cỏc phõn tử. Chỳng ta biết rất rừ cỏc
tác dụng tàn phá của các vũ khí hạt nhân cũng như những lo ngại về sự hủy hoại các sinh vật từ các đồng vị sử dụng trong nhà máy điện hạt nhân. Trong Y học, phóng xạ γ từ 60Co (Cobalt 60) được sử dụng để phá hủy hoặc giết các tế bào ung thư.
Trong khi bàn về các đồng vị và tính phóng xạ, chúng ta đã tập trung vào hạt nhân nguyên tử, nhưng nhân không đóng vai trò trực tiếp trong khả năng kết hợp của nguyên tử với các nguyên tử khác. Khả năng này được quyết định bởi số lượng và sự phân bố của các electron. Trong các phần tiếp theo chúng ta sẽ mô tả một ố tính chất và cách thức hoạt động hóa học của electrons.
Cách thức hoạt động của electron quyết định liên kết hóa học
Khi xem xét các nguyên tử, các nhà sinh học chủ yếu quan tâm đến electrons vì cách thức hoạt động của electron giải thích những biến đổi hóa học xảy ra như thế nào trong tế bào sống. Những biến đổi này, gọi là phản ứng hóa học hay đơn giản là phản ứng, là những thay đổi trong thành phần của chất. Số electron đặc trưng trong mỗi nguyên tử của một nguyên tố quyêt định cách các nguyên tử của nó phản ứng với các nguyên tử khác. Mọi phản ứng hóa học liên quan đến sự thay đổi về mối quan hệ giữa các electron với nhau.
Vị trí của một electron trong một nguyên tử tại một thời điểm bât kỳ là không thể xác định. Chúng ta chỉ có thể mô tả một khoảng không gian trong nguyên tử trong đó electron có khả năng có mặt. Vùng không gian nơi electron được tìm thấy ít nhất 90% số lần chính là orbital của electron (Hình 2.6). Trong một nguyên tử, một orbital nhất định có thể được chiếm lĩnh bởi nhiều nhất là hai electron. Vì vậy bất kỳ nguyên tử nào lớn hơn Heli (số nguyên tử là 2) phải có các electron trong hai orbital trở lên. Như hình 2.6 cho thấy, các orbital khác nhau có các dạng & hướng đặc trưng trong không gian. Các orbital lại tạo nên một loạt các lớp vỏ điện tử, hay mức năng lượng quanh hạt nhân (Hình 2.7). >
Lớp vỏ điện tử trong cùng chỉ có một orbital, gọi là orbital s. Hydro (1H) có một electron trong lớp vỏ đầu tiên; Heli (2He) có hai. Tất cả nguyên tố khác có hai electron ở lớp vỏ thứ nhất cũng như các electron trong các lớp vỏ khác.
> Lớp vỏ thứ hai được tạo nên bởi bốn orbital (một orbital s và ba orbital p) và vì vậy có thể giữ tới tám electron.
Các orbital s chứa đầy electron trước và các electron của chúng có mức năng lượng thấp nhất. Các vỏ tiếp theo có số các orbital khác nhau, nhưng lớp vỏ ngoài cùng nhất thường chỉ chứa tám electron. Trong bất kỳ nguyên tử nào, lớp vỏ điện tử ngoài cùng quyết định cách các nguyên tử kết hợp với các nguyên tử khác - tức hóa tính của nguyên tử. Khi một lớp vỏ ngoài cùng tạo bởi bốn orbital chứa tám electron sẽ không có electron nào không cặp đôi (xem Hình 2.7). Một nguyên tử như vậy bền vững và sẽ không phản ứng với các nguyên tử khác. Các ví dụ về các nguyên tố bền vững là Heli, Neon và Argon.
Các nguyên tử có hoạt tính tìm cách đạt tới trạng thái bền vững không có electron không cặp đôi ở lớp vỏ ngoài cùng. Chúng đạt được sự bền vững này bằng cách chia xẻ electron với các nguyên tử khác, hoặc bằng cách cho hoặc nhận một hoặc một vài electron. Trong
cả hai trường hợp các nguyên tử được liên kết với nhau. Những liên kết như vậy tạo ra tổ hợp bền vững giữa các nguyên tử gọi là phân tử.
Một phân tử là hai hoặc nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Xu hướng đạt được tám điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của các nguyên tử trong các phân tử bền vững được biết dưới tên gọi quy tắc "bát tử". Nhiều nguyên tử có ý nghĩa sinh học, ví dụ carbon (C) và nitơ (N) tuân theo quy tắc bát tử. Tuy nhiên một số nguyên tử có ý nghĩa sinh học không tuân theo quy tắc này. Hyđro (H) là một ví dụ dễ thấy nhất, đạt tới trạng thái cân bằng khi chỉ có hai electron chiếm lớp vỏ duy nhất của nó.