22 Efnafræðilegt skipulagsstig

2.1 Frumefni og frumeindir: byggingareiningar efnis

Námsmarkmið

Að loknum þessum hluta áttu að geta:

útskýrt tengsl efnis, massa, frumefna, efnasambanda, frumeinda og öreinda
greint á milli sætistölu og massatölu
borið kennsl á meginmun samsæta sama frumefnis
útskýrt hvernig rafeindir skipast á rafeindahvel og hvernig þær stuðla að afstæðum stöðugleika frumeindar

Efnið sem alheimurinn er gerður úr — allt frá sandkorni til stjörnu — kallast efni. Vísindamenn skilgreina efni sem allt sem tekur rúm og hefur massa. Massi hlutar og þyngd hans eru skyld hugtök en þó ekki alveg það sama. Massi hlutar er það magn efnis sem hluturinn inniheldur og hann er sá sami hvort sem hluturinn er á jörðinni eða í þyngdarleysi geimsins. Þyngd hlutar er hins vegar sá kraftur sem verkar á massa hans vegna þyngdarafls. Því sterkara sem þyngdaraflið verkar á hlut, því meiri er þyngd hans; þar sem það verkar veikar er þyngdin minni. Hlutur með tiltekinn massa vegur til dæmis minna á tunglinu en á jörðinni vegna þess að þyngdarafl tunglsins er minna en þyngdarafl jarðar. Þyngd er með öðrum orðum breytileg og ræðst af þyngdarafli. Ostbiti sem vegur eitt pund á jörðinni vegur aðeins fáeinar únsur á tunglinu.

Frumefni og efnasambönd

Allt efni í náttúrunni er samsett úr einu eða fleiri af þeim 92 grunnefnum sem kallast frumefni. Frumefni er hreint efni sem greinir sig frá öllu öðru efni að því leyti að hvorki er hægt að mynda það né sundra því með venjulegum efnafræðilegum aðferðum. Líkaminn getur myndað mörg þeirra efnasambanda sem lífið þarfnast úr frumefnunum sem mynda þau, en hann getur ekki myndað frumefni. Þau verða að koma úr umhverfinu. Kalsíum (Ca) er kunnuglegt dæmi um frumefni sem þarf að fá úr fæðu. Kalsíum er mannslíkamanum nauðsynlegt; það er tekið upp og nýtt í ýmsum ferlum, meðal annars til að styrkja bein. Þegar þú neytir mjólkurafurða brýtur meltingarkerfið fæðuna niður í nægilega smáa efnisþætti til að þeir komist út í blóðrásina. Þar á meðal er kalsíum sem ekki er hægt að brjóta frekar niður þar sem það er frumefni. Kalsíumfrumeindirnar í osti eru því þær sömu og kalsíumfrumeindirnar sem byggja upp bein þín. Önnur frumefni sem þú kannt að þekkja eru súrefni, natríum og járn. Frumefni mannslíkamans eru sýnd á Mynd 2.2, í röð frá því sem mest er af: súrefni (O), kolefni (C), vetni (H) og köfnunarefni (N). Heiti hvers frumefnis má tákna með tákni úr einum eða tveimur bókstöfum; á námskeiðinu kynnist þú nokkrum þessara tákna. Öll frumefnin í líkama þínum koma úr fæðunni sem þú borðar og loftinu sem þú andar að þér.

Myndin sýnir mannslíkama og hundraðshlutfall helstu frumefna líkamans á vinstri hluta hennar. Á hægri hlutanum er tafla yfir frumefnin og hundraðshlutfall þeirra í líkamanum. — **Mynd 2.2.** Helstu frumefni mannslíkamans eru sýnd í röð frá því sem mest er af til þess sem minnst er af.

Frumefni koma sjaldan fyrir ein og sér í náttúrunni. Þau sameinast þess í stað og mynda efnasambönd. Efnasamband er efni sem er samsett úr tveimur eða fleiri frumefnum sem tengjast með efnatengjum. Efnasambandið glúkósi er til dæmis mikilvægt eldsneyti líkamans. Það er alltaf samsett úr sömu þremur frumefnunum: kolefni, vetni og súrefni. Frumefnin sem mynda tiltekið efnasamband koma auk þess alltaf fyrir í sömu innbyrðis hlutföllum. Í glúkósa eru alltaf sex einingar kolefnis og sex einingar súrefnis á móti hverjum tólf einingum vetnis. En hvað nákvæmlega eru þessar „einingar“ frumefna?

Frumeindir og öreindir

Frumeind er minnsta magn frumefnis sem heldur einkennandi eiginleikum þess. Frumeind vetnis er með öðrum orðum ein eining vetnis — minnsta magn vetnis sem getur verið til. Eins og ætla má eru frumeindir svo smáar að erfitt er að gera sér þær í hugarlund. Punkturinn í lok þessarar setningar er milljónir frumeinda á breidd.

Bygging og orka frumeinda

Frumeindir eru gerðar úr enn smærri öreindum. Þrjár gerðir þeirra skipta mestu máli: róteind, nifteind og rafeind. Jákvætt hlaðnar róteindir og óhlaðnar („hlutlausar“) nifteindir gefa frumeindinni massa og fjöldi róteinda ákvarðar frumefnið. Fjöldi neikvætt hlaðinna rafeinda sem „snúast“ um kjarnann á hraða nálægt ljóshraða er jafn fjölda róteinda. Rafeind hefur um 1/2000 af massa róteindar eða nifteindar.

Mynd 2.3 sýnir tvö líkön sem geta hjálpað þér að sjá fyrir þér byggingu frumeindar — í þessu tilviki helíns (He). Í reikistjörnulíkaninu eru tvær rafeindir helíns sýndar á hringferð um kjarnann eftir fastri braut sem er teiknuð sem hringur. Þótt líkanið sé gagnlegt til að sjá byggingu frumeindar fyrir sér ferðast rafeindir í raun ekki eftir föstum brautum heldur þjóta þær óreglulega umhverfis kjarnann í svokölluðu rafeindaskýi.

Efri hluti myndarinnar sýnir tvær rafeindir á braut um kjarna helínfrumeindar. Neðri hlutinn sýnir rafeindaský umhverfis kjarna helínfrumeindar. — **Mynd 2.3.** (a) Í reikistjörnulíkaninu eru rafeindir helíns sýndar á föstum brautum, teiknuðum sem hringir, í nákvæmri fjarlægð frá kjarnanum, líkt og reikistjörnur á braut um sólina. (b) Í rafeindaskýslíkaninu eru rafeindir helíns sýndar á þeim fjölmörgu stöðum þar sem þær gætu verið í mismikilli fjarlægð frá kjarnanum með tímanum.

Róteindir og rafeindir frumeindar bera rafhleðslu. Róteindir hafa jákvæða hleðslu og eru táknaðar p⁺. Rafeindir hafa neikvæða hleðslu og eru táknaðar e^–. Nifteindir frumeindar hafa enga hleðslu; þær eru rafhlutlausar. Rétt eins og segull festist við stálkæli vegna þess að gagnstæðar hleðslur dragast að hvor annarri laðast jákvætt hlöðnu róteindirnar að neikvætt hlöðnu rafeindunum. Þetta gagnkvæma aðdráttarafl gerir byggingu frumeindarinnar stöðugri. Aðdráttarafl jákvætt hlaðna kjarnans kemur í veg fyrir að rafeindirnar fjarlægist um of. Í hlutlausri frumeind er fjöldi róteinda jafn fjölda rafeinda. Hleðslurnar jafnast því út og frumeindin er í heild rafhlutlaus.

Sætistala og massatala

Frumeind kolefnis er einkennandi fyrir kolefni en róteind kolefnis er það ekki. Ein róteind er eins og hver önnur, hvort sem hún er í frumeind kolefnis, natríums (Na) eða járns (Fe). Sama gildir um nifteindir og rafeindir. Hvað gefur frumefni þá sérkenni þess — hvað gerir kolefni svo ólíkt natríumi eða járni? Svarið er sá tiltekni fjöldi róteinda sem það inniheldur. Kolefni er samkvæmt skilgreiningu frumefni þar sem frumeindirnar innihalda sex róteindir. Ekkert annað frumefni hefur nákvæmlega sex róteindir í frumeindum sínum. Auk þess innihalda allar kolefnisfrumeindir sex róteindir, hvort sem þær finnast í lifur þinni eða kolamola. Sætistalan, það er fjöldi róteinda í kjarna frumeindarinnar, auðkennir því frumefnið. Þar sem frumeind hefur venjulega jafnmargar rafeindir og róteindir gefur sætistalan jafnframt til kynna venjulegan fjölda rafeinda.

Í algengustu mynd sinni hafa mörg frumefni einnig jafnmargar nifteindir og róteindir. Algengasta mynd kolefnis hefur til dæmis sex nifteindir og sex róteindir, samtals 12 öreindir í kjarnanum. Massatala frumefnis er samanlagður fjöldi róteinda og nifteinda í kjarna þess . Massatala algengustu myndar kolefnis er því 12. (Rafeindir hafa svo lítinn massa að framlag þeirra til massa frumeindar er óverulegt.) Kolefni er tiltölulega létt frumefni. Úran (U) hefur hins vegar massatöluna 238 og telst þungmálmur. Sætistala þess er 92 (það hefur 92 róteindir) en nifteindirnar eru 146; það hefur mestan massa allra frumefna sem finnast í náttúrunni.

Svonefnt lotukerfi er sýnt á Mynd 2.4. Það er tafla sem auðkennir þau 92 frumefni sem finnast í náttúrunni, auk nokkurra massameiri og óstöðugra frumefna sem hafa fundist með tilraunum. Frumefnunum er raðað eftir sætistölu, með vetni og helín efst í töflunni og massameiri frumefni neðar. Lotukerfið er gagnlegt vegna þess að fyrir hvert frumefni sýnir það efnatákn, sætistölu og massatölu og raðar jafnframt frumefnunum eftir tilhneigingu þeirra til að hvarfast við önnur frumefni. Fjöldi róteinda og rafeinda í frumefni er jafn. Fjöldi róteinda og nifteinda getur verið jafn í sumum frumefnum en er það ekki í öllum.

Myndin sýnir lotukerfið. — **Mynd 2.4.** (heimild: R.A. Dragoset, A. Musgrove, C.W. Clark, W.C. Martin)

Samsætur

Þótt hvert frumefni hafi tiltekinn fjölda róteinda getur það verið til sem mismunandi samsætur. Ein samsæta er ein af mismunandi myndum frumefnis og samsæturnar greinast hver frá annarri á ólíkum fjölda nifteinda. Stöðluð samsæta kolefnis er ¹²C, oft kölluð kolefni tólf. ¹²C hefur sex róteindir og sex nifteindir og massatalan er því tólf. Allar samsætur kolefnis hafa sama fjölda róteinda;¹³C hefur því sjö nifteindir og ¹⁴C hefur átta nifteindir. Einnig má tákna mismunandi samsætur frumefnis með massatölunni á eftir bandstriki (til dæmis C-12 í stað ¹²C). Vetni hefur þrjár algengar samsætur sem sýndar eru á Mynd 2.5.

Samsæta sem inniheldur fleiri nifteindir en venjulega kallast þung samsæta. Dæmi er ¹⁴C. Þungar samsætur eru gjarnan óstöðugar og óstöðugar samsætur eru geislavirkar. Geislavirk samsæta er samsæta þar sem kjarninn hrörnar auðveldlega og gefur frá sér öreindir og rafsegulorku. Mismunandi geislavirkar samsætur (einnig kallaðar geislasamsætur) hafa ólíkan helmingunartíma, það er þann tíma sem það tekur helming samsætukjarna í sýni af hvaða stærð sem er að hrörna. Helmingunartími þrívetnis — geislasamsætu vetnis — er til dæmis um 12 ár. Það merkir að það tekur 12 ár fyrir helming þrívetniskjarnanna í sýni að hrörna. Of mikil geislun frá geislavirkum samsætum getur skaðað frumur manna og jafnvel valdið krabbameini og fæðingargöllum. Sé geisluninni haldið innan öruggra marka má hins vegar nýta sumar geislavirkar samsætur í læknisfræði. Nánari upplýsingar eru í starfstengingunni.

Starfstenging

Inngripsröntgenlæknir

Stýrð notkun geislasamsæta hefur leitt til framfara í sjúkdómsgreiningu og meðferð sjúkdóma. Inngripsröntgenlæknar eru læknar sem meðhöndla sjúkdóma með lítið ífarandi aðferðum þar sem geislun kemur við sögu. Marga kvilla sem áður var aðeins hægt að meðhöndla með langri og erfiðri skurðaðgerð má nú meðhöndla án skurðaðgerðar. Það dregur úr kostnaði, sársauka, legutíma á sjúkrahúsi og bataferli sjúklinga. Áður fyrr voru til dæmis aðeins tveir kostir fyrir sjúkling með eitt eða fleiri æxli í lifur: skurðaðgerð og krabbameinslyfjameðferð (gjöf lyfja til að meðhöndla krabbamein). Erfitt getur þó verið að komast að sumum lifraræxlum með skurðaðgerð og í öðrum tilvikum þyrfti skurðlæknirinn að fjarlægja of stóran hluta lifrarinnar. Krabbameinslyf eru auk þess mjög eitruð fyrir lifrina og sum æxli svara þeim illa. Í sumum slíkum tilvikum getur inngripsröntgenlæknir meðhöndlað æxlin með því að rjúfa blóðflæðið til þeirra, en þau þurfa það til að halda áfram að vaxa. Við þessa aðgerð, sem kallast geislaæðalokun, kemst röntgenlæknirinn að lifrinni með fínni nál sem er þrædd um eina af æðum sjúklingsins. Síðan kemur læknirinn örsmáum geislavirkum „kornum“ fyrir í æðunum sem flytja blóð til æxlanna. Dagana og vikurnar eftir aðgerðina eyðileggur geislunin frá kornunum æðarnar og drepur jafnframt æxlisfrumur í nágrenni meðferðarsvæðisins.

Geislasamsætur gefa frá sér öreindir sem unnt er að nema og rekja með myndgreiningartækni. Ein þróaðasta notkun geislasamsæta í læknisfræði er jáeindaskönnun (PET), þar sem virkni mjög lítils skammts af geislavirkum glúkósa sem sprautað er í líkamann er greind. Glúkósi er einsykra sem frumur nýta sem orkugjafa. PET-skanninn sýnir heilbrigðisteyminu hvaða vefir sjúklingsins taka upp mestan glúkósa. Efnaskiptavirkustu vefirnir birtast því sem bjartir „heitir blettir“ á myndunum (Mynd 2.6). PET getur sýnt sum krabbameinsæxli vegna þess að krabbameinsfrumur taka upp mikinn glúkósa til að afla orku fyrir hraða fjölgun sína.

Mynd 2.6. PET dregur fram svæði líkamans þar sem glúkósanotkun er tiltölulega mikil, en það er einkennandi fyrir krabbameinsvef. Þessi PET-mynd sýnir hvar stórt frumæxli hefur dreift sér til annarra staða.

Hegðun rafeinda

Í mannslíkamanum eru frumeindir ekki til sem sjálfstæðar einingar. Þær hvarfast þess í stað stöðugt við aðrar frumeindir og mynda eða brjóta niður flóknari efni. Til að skilja líffæra- og lífeðlisfræði til fulls þarftu að átta þig á því hvernig frumeindir taka þátt í slíkum hvörfum. Lykillinn er að skilja hegðun rafeinda.

Þótt rafeindir fylgi ekki föstum brautum í ákveðinni fjarlægð frá kjarna frumeindarinnar halda þær sig gjarnan á tilteknum svæðum í rúminu sem kallast rafeindahvel . Rafeindahvel er lag rafeinda sem umlykur kjarnann á tilteknu orkustigi.

Frumeindir flestra nauðsynlegra frumefna mannslíkamans hafa eitt til fimm rafeindahvel og hvert þeirra rúmar að minnsta kosti átta rafeindir, nema fyrsta hvelið sem rúmar aðeins tvær. Nákvæmur fjöldi hvela ræðst af fjölda rafeinda í frumeindinni. Vetni hefur aðeins eina rafeind og helín tvær. Ef þú skoðar lotukerfið sérðu að vetni og helín eru hvort sínu megin í efstu röðinni; þau eru einu frumefnin sem hafa aðeins eitt rafeindahvel (Mynd 2.7). Annað hvel þarf til að rúma rafeindir allra frumefna sem eru stærri en vetni og helín.

Litín (Li), sem hefur sætistöluna 3, hefur þrjár rafeindir. Tvær þeirra fylla fyrsta rafeindahvelið og sú þriðja fer yfir á annað hvel. Annað rafeindahvel getur rúmað allt að átta rafeindir. Kolefni hefur sex rafeindir; þær fylla fyrsta hvelið alveg en annað hvelið til hálfs. Neon (Ne) hefur tíu rafeindir og fyllir bæði rafeindahvel sín alveg. Þegar lotukerfið er skoðað sést aftur að öll frumefnin í annarri röð, frá litíni til neons, hafa aðeins tvö rafeindahvel. Frumeindir með fleiri en tíu rafeindir þurfa fleiri en tvö hvel. Þessi frumefni eru í þriðju og síðari röðum lotukerfisins.

Myndin er í fjórum hlutum og sýnir fjórar mismunandi frumeindir með rafeindir á braut um kjarnann. — **Mynd 2.7.** Rafeindir sveima um kjarna frumeindar á tilteknum orkustigum sem kallast rafeindahvel. (a) Vetni hefur eina rafeind og fyllir því rafeindahvel sitt aðeins til hálfs. Helín hefur einnig aðeins eitt hvel en tvær rafeindir þess fylla það alveg. (b) Rafeindir kolefnis fylla fyrsta rafeindahvelið alveg en hið síðara aðeins til hálfs. (c) Neon er frumefni sem kemur ekki fyrir í líkamanum. Það hefur 10 rafeindir sem fylla bæði rafeindahvel þess.

Fjöldi rafeinda í gildishveli frumeindar ræður mestu um tilhneigingu hennar til að taka þátt í efnahvörfum. Gildishvel er ysta rafeindahvel frumeindar . Ef gildishvelið er fullt er frumeindin stöðug, sem merkir að ólíklegt er að rafhleðsla annarra frumeinda dragi rafeindir hennar frá kjarnanum. Ef gildishvelið er ekki fullt er frumeindin hvarfgjörn, sem merkir að hún hefur tilhneigingu til að hvarfast við aðrar frumeindir með þeim hætti að gildishvelið fyllist. Skoðum vetni, en eina rafeindin í frumeind þess fyllir gildishvelið aðeins til hálfs. Líklegt er að þessi eina rafeind tengist frumeindum annarra frumefna þannig að eina gildishvel vetnis verði stöðugt.

Að undanskildum vetnis- og helínfrumeindum, sem hafa aðeins eitt rafeindahvel, eru frumeindir stöðugastar þegar gildishvel þeirra, sem rúmar átta rafeindir, inniheldur nákvæmlega átta rafeindir. Þessi meginregla kallast áttureglan. Samkvæmt henni gefur frumeind frá sér, tekur við eða deilir rafeindum með annarri frumeind þannig að hún endi með átta rafeindir í eigin gildishveli. Súrefni hefur til dæmis sex rafeindir í gildishvelinu og hvarfast því líklega við aðrar frumeindir þannig að tvær rafeindir bætist í gildishvel súrefnis og verði átta alls. Þegar tvær vetnisfrumeindir deila hvor sinni rafeind með súrefni myndast samgild tengi og til verður vatnssameind, H₂O. Áttureglan hefur þó undantekningar: sameindir með oddatölu gildisrafeinda, sameindir með færri en átta gildisrafeindir og sameindir með fleiri en átta rafeindir.

Í náttúrunni hafa frumeindir eins frumefnis tilhneigingu til að tengjast frumeindum annarra frumefna með einkennandi hætti. Kolefni fyllir til dæmis gjarnan gildishvel sitt með því að tengjast fjórum vetnisfrumeindum. Þannig mynda frumefnin tvö einföldustu lífrænu sameindina, metan, sem er jafnframt eitt algengasta og stöðugasta kolefnissamband jarðar. Vatn er annað dæmi sem nefnt var hér að framan; súrefni þarf tvær rafeindir til að fylla gildishvel sitt. Það tengist gjarnan tveimur vetnisfrumeindum og myndar H₂O. Enska heitið „hydrogen“ endurspeglar raunar þátt vetnis í vatni (hydro- = „vatn“; -gen = „myndari“). Vetni er því „vatnsmyndarinn“.