Dane oryginału:
George I. Sackheim, An Introduction to Chemistry for Biology Students
Ninth Edition
Copyright ©2008 Pearson Education, Inc.

TŁUMACZENIE
Katarzyna Koroniak-Szejn, Henryk Koroniak

Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce Marina Sun/Shutterstock

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja Ewa Charitonow

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Karol Ossowski/Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © for a Polish edition by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2020

ISBN 978-83-01-21142-4

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (wyd. I)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Do studenta

Książka Wprowadzenie do chemii w zadaniach dla studentów nauk przyrodniczych – wydanie dziewiąte w oryginale, nie jest zwyczajnym podręcznikiem. Koncepcyjnie książka niniejsza zastała „zaprogramowana” w taki sposób, aby umożliwić i pomóc dokonać przeglądu podstawowych danych, faktów, teorii chemicznych a także terminologii chemicznej koniecznej dla zrozumienia zjawisk i procesów biologicznych. Dzisiejsze programy studiów z biologii przywiązują wielką wagę do procesów chemicznych, które są odpowiedzialne za procesy biologiczne. Ta książka pomoże zrozumieć te procesy.

Przedstawione zagadnienia to problemy obecnie najbardziej aktualne dla chemików i biologów, które badania naukowe będą eksplorować przez najbliższe lata. Jakie podstawowe procesy chemiczne leżą u podstaw zjawisk biologicznych? Jakie są najistotniejsze różnice pomiędzy materią ożywioną i nieożywioną? Jakie muszą zaistnieć warunki, aby zbiory molekuł stały się żywym organizmem? Czy warunki takie można odtworzyć doświadczalnie w laboratorium?

Jeśli już uczestniczyłeś w kursie chemii, ta książka pomoże Ci dokonać przeglądu i zweryfikować wiedzę w zakresie podstawowych wiadomości z chemii. Jeżeli jednak nie uczestniczyłeś dotychczas w takim kursie, będzie podstawą potrzebną do zrozumienia procesów biologicznych, które będziesz studiował.

Materiał zawarty w książce będzie spożytkowany najefektywniej, jeśli zostanie przerobiony przez Ciebie w ciągu pierwszych dwóch tygodni kursu biologii. Jeśli to uczynisz, będziesz gotowy przyswajać pojęcia i aspekty chemiczne konieczne dla zrozumienia procesów biologicznych w kolejności, gdy będą się one pojawiały.

Po przerobieniu całego programu, możesz zechcieć powtórzyć niektóre zagadnienia.

Postępując zgodnie z programem, po jego zakończeniu, będziesz:

potrafił rozróżniać pierwiastki występujące w różnych cząsteczkach,

potrafił rysować struktury Lewisa cząsteczek,

znał pojęcia pH i jonizacji,

rozróżniał elektrolity od nieelektrolitów,

wiedział, czym jest osmoza i dyfuzja,

rozumiał różnicę pomiędzy transportem aktywnym i pasywnym,

rozumiał, czym jest ciśnienie osmotyczne,

wiedział, na czym polega przenoszenie impulsu nerwowego, w tym pojęcia polaryzacji i repolaryzacji,

rozumiał, jak funkcjonują neurotransmitery,

wiedział, w jaki sposób przebiega replikacja DNA,

wiedział, jak powstaje mRNA i w jaki sposób reguluje biosyntezę białek,

rozumiał pojęcia utleniania i redukcji,

wiedział, czym są izotopy,

umiał rozpoznać różne organiczne grupy funkcyjne,

umiał rozróżnić różne typy izomerów,

potrafił rozróżnić węglowodany, tłuszcze i białka,

rozumiał, jak funkcjonują enzymy,

umiał opisać kwasy nukleinowe,

umiał rozpoznać i nazwać związki metylowane,

rozumiał funkcję metylotransferaz, demetylaz i proces demetylacji,

potrafił rozpoznać i nazwać związki N-metylowane,

rozumiał procesy biologicznego utleniania, a w tym proces glikolizy, cykl kwasu cytrynowego oraz łańcuch przeniesienia elektronów,

rozumiał procesy przebiegające w czasie fotosyntezy, a w tym reakcje jasne i cykl Calvina,

śledził przepływ tlenu z płuc do komórek oraz przepływ dwutlenku węgla z komórek do płuc z wykorzystaniem gradientu ciśnień cząstkowych (parcjalnych).

Jak korzystać z tej książki?

Forma niniejszej książki może być dla Ciebie nowością. Zawartość merytoryczna została zaprezentowana w postaci serii ponumerowanych problemów. Każdy z problemów (pytań) bazuje na wiedzy zawartej w problemie poprzedzającym. Z tego powodu niezwykle ważne jest, aby nie opuszczać żadnych pytań, a analizować i rozwiązywać je w kolejności przedstawionej w książce. Kolejność zawartych problemów (ich sekwencja) ma ogromne znaczenie dla efektywnego zrozumienia i przyswojenia materiału.

Odpowiedz na każde pytanie

Niektóre z pytań zawierają nowe informacje. Inne bazują na materiale przedstawionym wcześniej. Rozwiązanie każdego problemu ma określony cel i wymaga od Ciebie odpowiedzi. Odpowiedzi mogą być różnego rodzaju i polegać na:

wpisaniu odpowiedzi w wolne pole,

wpisaniu oznaczeń na diagramie lub schemacie,

narysowaniu prostego schematu,

wybraniu odpowiedniej odpowiedzi z przedstawionych kilku alternatywnych propozycji,

napisaniu odpowiedzi na postawione pytanie.

Gdy wpisałeś lub w inny sposób zaznaczyłeś swoją odpowiedź, zapewne będziesz chciał sprawdzić, czy jest ona prawidłowa. Niniejsza książka daje natychmiast taką możliwość, pokazując prawidłowe odpowiedzi umieszczone na zewnętrznej, zacienionej części każdej strony. Rozwiązując problem i odpowiadając na pytanie nie zaglądaj, jaka jest prawidłowa odpowiedź, dopóki nie odpowiesz na pytanie. Jeśli poznasz odpowiedź przed sformułowaniem własnej odpowiedzi, Twoje przyswajanie wiedzy nie będzie zbyt efektywne.

Gdy w ten sposób przerobisz całą książkę, będziesz miał wystarczającą wiedzę z zakresu chemii, która pozwoli Ci z sukcesem zaliczyć kurs z biologii.

CZĘŚĆ I

Chemia nieorganiczna

Struktury atomowe 1

Cząstki elementarne

Atomy zbudowane są z wielu komponentów, znanych pod ogólną nazwą cząstek elementarnych. Tutaj zostaną omówione trzy podstawowe, jakimi są protony, neutrony i elektrony.

Schematyczny diagram budowy atomu:

Protony (p) oraz neutrony (n) upakowane są w wewnętrznej części atomu, nazywanej _____________. Zewnętrzna część atomu, w której znajdują się elektrony, nazywana jest _____________.

jądrem, chmurą elektronową

Chmurę elektronową charakteryzuje ujemny ładunek elektryczny. Jak sądzisz, jaki ładunek elektryczny ma elektron? __________________________________

chmura elektronowa zbudowana jest z elektronów, zatem posiada ładunek ujemny

Elektron ma ujemny ładunek elektryczny (symbolicznie zapisywany jako e–). Pamiętaj, że ładunki o takim samym znaku się odpychają, natomiast ładunki o przeciwnych znakach przyciągają. Wskaż oddziaływania przedstawionych poniżej par ładunków.

a. pl1 _____________

b. pl2 _____________

c. pl3 _____________

d. pl4 _____________

a. odpychanie

b. przyciąganie

c. odpychanie

d. przyciąganie

Jądro przyciąga ujemnie naładowane elektrony. Z tego powodu sumaryczny ładunek jądra musi być _____________.

dodatni

„Neutron” to nazwa nadana jednej z cząstek elementarnych ze względu na jej właściwości elektryczne. Neutron nie ma ładunku elektrycznego – jest obojętny. Wnioskując na tej podstawie, dodatni ładunek jądra musi wynikać z obecności w nim innego rodzaju cząstek. Cząstki te to _____________.

protony

Uzupełnij poniższy schemat budowy atomu.

a. Część wewnętrzna atomu zwana jest _____________, zbudowanym z _____________ oraz _____________.

b. Elektrony charakteryzuje ładunek _____________.

c. Protony charakteryzuje ładunek _____________.

d. Neutrony mają ładunek _____________.

a. jądrem, protonów, neutronów

b. ujemny

c. dodatni

d. zero (obojętny)

Ładunki elektronów są równoważone przez ładunki protonów. Jeżeli elektron ma ładunek –1, to jaki ładunek ma proton: +1, –1, 0?

+1

Atom zbudowany z jednego protonu w jądrze oraz jednego elektronu na powłoce je otaczającej będzie miał sumaryczny ładunek +1, –1 czy 0?

0

Atomy są elektrycznie obojętne. Oznacza to, że każdy atom zawiera (zaznacz jedną z odpowiedzi):

więcej protonów niż elektronów

więcej elektronów niż protonów

równą liczbę protonów i elektronów

równą liczbę protonów i elektronów

Ile elektronów na powłoce poza jądrem ma atom z 12 protonami w jądrze? _____________

12

Atomem o najprostszej budowie jest atom wodoru. Poniżej przedstawiono jego strukturę schematycznie.

a. Jądro atomu wodoru zawiera jeden _____________.

b. Zewnętrzna część atomu wodoru (chmura elektronowa) zawiera jeden _____________.

a. proton

b. elektron

Atom helu jest nieco bardziej złożony.

Wskaż, z ilu składa się:

neutronów _____________

protonów _____________

elektronów _____________

2, 2, 2

Liczba atomowa

Znanych jest ponad 100 różnych pierwiastków. Ich właściwości opisują dwie charakterystyczne liczby.

Pierwszą jest liczba atomowa, która określa liczbę protonów znajdujących się w jądrze atomowym.

Najprostszy atom – wodoru – zawiera w jądrze tylko jeden proton. Zatem liczba atomowa wodoru wynosi _____________.

1

Atom uranu składa się z największej liczby cząstek elementarnych spośród pierwiastków naturalnie występujących w przyrodzie. Zbudowany jest z 92 protonów, 146 neutronów i 92 elektronów. Liczba atomowa uranu to _____________.

92

Atom magnezu o liczbie atomowej 12 ma jądro, w którym znajduje się _____________ protonów.

Jeśli w jądrze znajduje się 12 protonów, na zewnętrznej powłoce musi znajdować się _____________ elektronów.

12, 12

Zatem, jeśli liczba atomowa pierwiastka określa, ile _____________ znajduje się w jądrze atomu, określa także, ile _____________ znajduje się na jego powłokach zewnętrznych.

protonów, elektronów

Liczba masowa¹

Drugą liczbą związaną z opisem każdego atomu jest liczba masowa. Liczba masowa to suma mas wszystkich cząstek, z jakich zbudowany jest atom.

Proton ma masę równą 1 daltonowi, natomiast masa elektronu to zero daltonów.

Wodór charakteryzuje liczba masowa równa _____________ (por. problem 11)

1

Atom helu charakteryzuje liczba masowa równa 4.

a. Masa dwóch protonów w atomie helu to sumarycznie _____________ daltony.

b. Masa dwóch elektronów w atomie helu to sumarycznie _____________ daltonów.

c. W związku z powyższym w atomie helu o liczbie masowej 4 masa dwóch neutronów musi wynosić _____________ daltony.

d. Jeśli dwa neutrony mają masę równą 2 daltonom, jeden neutron musi mieć masę _____________ daltona.

a. 2

b. 0

c. 2

d. 1

Ponieważ elektrony, które praktycznie nie mają masy, są zlokalizowane poza jądrem atomowym, właściwie cała masa atomu zlokalizowana jest:

w chmurze elektronowej

w jądrze atomowym.

w jądrze atomowym

Liczba atomowa wskazuje na liczbę protonów (o masie równej 1 daltonowi) w jądrze. Liczba masowa wskazuje na liczbę protonów i neutronów (każdy z nich o masie równej 1 daltonowi) w jądrze. Zatem liczbę neutronów można łatwo obliczyć, odejmując od liczby masowej liczbę atomową.

Liczba masowa atomu sodu wynosi 23, natomiast liczba atomowa tego pierwiastka to 11. W jądrze atomu sodu znajduje się zatem _____________ neutronów.

12

Atom węgla ma liczbę atomową równą 6 oraz liczbę masową równą 12. Zawiera zatem:

_____________ protonów w jądrze,

_____________ neutronów w jądrze,

_____________ elektronów poza jądrem.

6, 6, 6

Fosfor charakteryzują: liczba atomowa 15 oraz liczba masowa 31. Wpisz w puste miejsca na schemacie liczbę protonów, neutronów i elektronów w atomie fosforu.

Uzupełnij poniższy diagram dotyczący struktury atomu magnezu o liczbie atomowej 12 i liczbie masowej 24.

Atom uranu ma strukturę przedstawioną poniżej.

Liczba atomowa uranu wynosi _____________, a jego liczba masowa _____________.

92, 238

Izotopy

a. Narysuj strukturę atomu węgla (liczba atomowa 6, liczba masowa 12).

b. Narysuj strukturę atomu węgla (liczba atomowa 6, liczba masowa 13)

a.

b.

Poniżej dwie struktury, dla dwóch różnych atomów węgla:

a. Atomy te charakteryzuje (taka sama/różna) liczba atomowa.

b. Atomy te charakteryzuje (taka sama/różna) liczba masowa.

Takie atomy nazywamy izotopami.

a. taka sama

b. różna

Izotopy można zdefiniować jako atomy, które mają:

taką samą liczbę atomową i taką samą liczbę masową

różne liczby atomowe

różne liczby masowe, ale takie same liczby atomowe

różne liczby masowe, ale takie same liczby atomowe

Narysuj struktury dwóch izotopów chloru: o liczbie atomowej 17 i liczbach masowych odpowiednio 35 i 37.

a.

b.

Narysuj struktury trzech izotopów wodoru: o liczbie atomowej 1 i liczbach masowych odpowiednio 1, 2 i 3.

a.

b.

c.

Radioizotopy to izotopy, które są źródłem promieniowania. Są wykorzystywane m.in. w diagnostyce medycznej i terapii. Na przykład ¹³¹I, radioaktywny izotop jodu, stosuje się przy wykrywaniu i leczeniu schorzeń tarczycy. Porównaj, czym różni się izotop ¹³¹I (promieniotwórczy) od izotopu niepromieniotwórczego ¹²⁷I.

a. Liczba atomowa _____________

b. Liczba masowa _____________

a. taka sama

b. różna

Poziomy energetyczne elektronów

Elektrony są zlokalizowane na zewnątrz jądra atomu. Tworzą chmurę elektronową. Można ją opisać jako zbiór odpowiednich poziomów energetycznych, na których są zlokalizowane. Pierwszy poziom energetyczny znajduje się najbliżej jądra.

Na każdym z poziomów energetycznych może znajdować się pewna maksymalna liczba elektronów. Pozwala ją oszacować wzór X = 2n2 (gdzie X jest maksymalną liczbą elektronów znajdujących się na poziomie n).

Zgodnie ze wzorem X = 2n², jeśli n = 1, wówczas X = _________. Poziom energetyczny wskazany przez n = 1 to pierwszy poziom energetyczny. Mogą się na nim znajdować maksymalnie _____________ elektrony.

2, 2

a. Czy na pierwszym poziomie energetycznym mogą znajdować się mniej niż dwa elektrony? _____________

b. Czy na pierwszym poziomie energetycznym mogą znajdować się więcej niż dwa elektrony? _____________

tak, nie

Na drugim poziomie energetycznym (n = 2) maksymalna liczba elektronów wynosi _____________.

8

a. Maksymalna liczba elektronów na poziomie trzecim wynosi _____________.

b. Maksymalna liczba elektronów na poziomie czwartym wynosi _____________.

18, 32

Zaznacz na poniższym diagramie maksymalną liczbę elektronów na każdym z poziomów energetycznych.

2 e– na pierwszym poziomie, 8 e– na drugim, 18 e– na trzecim, 32 e– na czwartym poziomie energetycznym

Przy obsadzaniu elektronami poszczególnych poziomów energetycznych muszą być zachowane poniższe reguły.

Pierwszy poziom energetyczny musi być wypełniony dwoma elektronami, zanim zaczną one obsadzać poziom drugi.

Drugi poziom energetyczny musi być wypełniony ___________ elektronami, zanim zaczną one obsadzać poziom trzeci.

Dla pierwiastków z więcej niż trzema poziomami energetycznymi zapełnionymi elektronami sekwencja ich obsadzania jest bardziej złożona (zob. podręczniki do chemii ogólnej).

8

Na poniższym schemacie opisz strukturę atomu wodoru, w którym liczba atomowa jest równa 1, zaś liczba masowa też wynosi 1.

a. W atomie wodoru liczba protonów wynosi _____________.

b. Liczba neutronów _____________.

c. Liczba elektronów _____________.

d. Obecny w atomie wodoru jeden elektron zlokalizowany jest na poziomie energetycznym pierwszym, drugim czy trzecim? _____________

a. 1

b. 0

c. 1

d. na pierwszym poziomie

W oznaczonych miejscach wpisz parametry charakteryzujące strukturę atomu helu. Liczba atomowa helu wynosi 2, liczba masowa 4.

Rozważ strukturę atomu litu. Jego liczba atomowa jest równa 3, liczba masowa 7.

a. Liczba protonów w atomie litu wynosi _____________.

b. Liczba neutronów w atomie litu wynosi _____________.

c. Liczba elektronów w atomie litu wynosi _____________.

a. 3

b. 4

c. 3

W atomie litu są trzy elektrony. Na ilu poziomach energetycznych są one zlokalizowane? _____________ (jeśli nie jesteś pewien odpowiedzi, przeanalizuj ponownie problem 36)

2

Uzupełnij poniższy rysunek opisujący strukturę atomu litu.

Atom węgla charakteryzuje liczba atomowa 6 i liczba masowa 12.

a. Atom węgla zawiera _____________ protonów.

b. Atom węgla zawiera _____________ neutronów.

c. Atom węgla zawiera _____________ elektronów.

d. Uzupełnij rysunek, wpisując odpowiednie parametry

a. 6

b. 6

c. 6

d.

a. Dla atomu sodu liczba atomowa wynosi 11. Ile jest w nim elektronów ? _____________

b. Na ilu poziomach energetycznych są one zlokalizowane? _____________

c. Ile elektronów zlokalizowanych jest na poszczególnych poziomach energetycznych: pierwszy poziom ____________, drugi poziom ____________, trzeci poziom ____________.

d. Uzupełnij rysunek charakteryzujący atom sodu o liczbie atomowej 11 i liczbie masowej 23.

a. 11

b. na 3

c. 2, 8, 1

d.

Narysuj schemat atomu krzemu o liczbie atomowej 14 i liczbie masowej 28.

Przypisy

Przypisy

1 Liczba masowa – w przeciwieństwie do masy atomowej, czyli średniej sumy mas izotopów danego pierwiastka (zob. rozdz. „Izotopy” i układ okresowy pierwiastków na wewnętrznej stronie okładki) – zawsze jest liczbą całkowitą. Stanowi sumę protonów i neutronów w jądrze.