2012年8月31日 星期五

遞建原理與元素週期表The Aufbau Principle and the Periodic Table

化學原理啟迪330
1.        利用原子的量子力學模型,我們顯示出各種不同原子的電子群的排列方式,再依據不同原子的電子群的排列方式為每一種元素排序,建立出元素週期表。在這裡,我們有一個重要的假設前提:所有原子的電子軌域都與氫原子模型的軌域類似
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2.        我們依據元素在原子核內的質子數量由少到多逐一增加的順序(稱為原子序),將元素由小到大逐一排列,建立元素週期表;由於原子核的質子的數量會反映在電子數量上,所以,我們也可以依據填入原子軌域的電子由少到多逐一增加的順序,將元素由小到大逐一排列,建立元素週期表。以上法則稱為遞建原則aufbau principle
3.        氫原子hydrogen1顆電子,這顆電子在氫原子處於基態(最低能量狀態)時會1s軌域活動。氫原子的電子組態寫1s1可用以下的軌域圖表示:
圖中的箭頭是指電子某一種旋轉狀態。
4.        下一個元素氦helium2顆電子。因為依據包立不相容原理,這二顆電子要共享同一個軌域必須旋轉方向相反,所以氦1s域的二顆電子旋轉方向相反(用上下顛倒的箭頭表示),這產1s2的電子組態:
5.        lithium3顆電子,其中2顆電子1s軌域。由於主量子數n1第一能階)時,只1s軌域,沒有其他電子軌域,所以第3顆電子必須填入主量子數n2(第二能階)的最低能階軌域2s軌域,電子組態寫法1s22s1
6.        beryllium4顆電子,佔據1s2s軌域:
7.        boron5顆電子,其中41s2s軌域。第5顆電子進入到主量子數n2(第二能階)的第二種軌域2p軌域2p軌域x軸、y軸、z上的軌域都相等,因此電子填入2p軌域的哪一個軌域都無所謂。
8.        碳有6個電子:2個電子填滿1s軌域,2個電子填滿2s軌域,2個電子2p軌域。共有三個相等2p軌域,電子將會分別填入其中二2p軌域。
9.        當原子有2顆電子可以填入三p軌域時,電子分別填入二個獨立p軌域,而不是2顆電子一起填入同一個軌域,電子這種行為模式稱為洪德定理Hund's rule
10.     洪德定理主張:原子的最低能階電子組態是,每個獨立的次軌域一一填入未成對的電子(單顆電子),使得原子軌域擁有最大數量的未成對電子。電子填入各殼層之下的次軌域的方式,符合包立不相容原理。
11.     徐弘毅1:原子的電子軌域殼層之下的次軌域是什麼?原子是由原子核與電子組成,原子核外面包裹層層的電子軌域,舉例來說,p軌域是一個電子殼層,p軌域本身還可分解為三種軌域pxpypzpxpypzp軌域殼層之下的三個次軌域。此外d殼層可以分成五個次軌域,f軌域可以分成七個次軌域。
12.     徐弘毅2:為什麼洪德定理符合包立不相容原理?
因為依據包立不相容原理,當第一顆電子填入某個殼層之下的次軌域,要繼續填入第二顆電子時,第二顆電子的旋轉方向必須與第一顆電子相反,這就形成一個能量門檻,迫使第二顆電子必須額外增加能量調整自己的旋轉方向。
所以,第二顆電子選擇填入到另一個空的次軌域,這樣不需要調整旋轉方向,沒有能量門檻。由於所有的電子都優先選擇不需要調整旋轉方向的軌域填入,自然使得次軌域裡的未成對電子(單顆電子)達到最大數量。
13.     carbon的電子組態可寫成1s22s22p12p12p12p1描述2顆電子佔據2個不同的2p軌域。不過,碳的電子組態經常寫成1s22s22p2,一般都會將2p2視為是電子填入二個不同的2p次軌域。
特別留意,在2p軌域的未成對電子(單一個電子),這樣的電子分配方式符合洪德定理。
14.     nitrogen7顆電子,氮的電子組態1s22s22p3。在2p軌域的三顆電子各自佔據不同的p次軌域:
15.     oxygen8顆電子,氧的電子組態是1s22s22p4。三個2p次軌域中,有一個填入了成對的電子,依據包立不相容原理,這二顆電子的旋轉方向相反:
16.     fluorine9顆電子)和氖neon10顆電子)的電子組態如下:
氖的第一能階與第二能階n1n2的所有電子軌域都填滿了電子。
17.     sodium的前十個電子填滿1s2s、和2p軌域,因此鈉的第十一個電子必須填入第三能階n3。鈉的電子組態是1s22s22p63s1。為了避免寫一長串的內層能階電子,我們將電子組態簡寫成[Ne]3s1[Ne]代表氖的電子組態1s22s22p6
18.     下一個元素鎂magnesium的電子組態是1s22s22p63s2或寫成[Ne]3s2。接下來從鋁aluminumargon的六個元素的電子組態,原子序每增加一個,電子就增加一個,3p的空軌域又多填入一顆電子,就這樣到了第六個元素氬的時候,3p軌域完全被6顆電子填滿。
19.     下圖摘要前十八個元素的電子組態
n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

2012年8月30日 星期四

高基氏體 The Gologi Apparatus

探索生命《生物學》40
1.        細胞內還有一種網絡稱為高基氏體Golgi apparentus,高基氏體由密封囊袋細胞膜組成,每一層囊袋膜彼此近乎平行。
Bridge Over Troubled Water

2.        從內質網出芽吐出的運輸囊泡朝高基氏移動,然後囊泡與高基氏體合而為一,將內質網囊泡內新合成的蛋白質與脂質輸送給高基氏體。高基氏體出芽吐出的囊泡接著將運送「建造膜的化合物質」給其他胞器和細胞膜。

3.        負責分泌各種化學物質的細胞,高基氏體特別發達,例如胰臟細胞會分泌胰島素,或者像腸細胞負責分泌黏液。高基氏體在分泌細胞裡扮演的角色包括儲存、修飾和打包細胞預備分泌的產物。
4.        高基氏體也是細胞內主要負責指揮運送大型分子的器官。內質網的脂質與蛋白質被運送到高基氏體,然後高基氏體打包這些物質成囊泡,也許運送到高基氏體的其他部位,也可能運送到其他胞器。
5.        高基氏體不會合成蛋白質,但會能夠從單醣合成多醣polysaccharides,將多醣黏上被送來蛋白質和脂質,製造出醣脂質glycolipids和醣蛋白glycoproteins
6.        部分高基氏體製造的醣脂質glycolipids和醣蛋白glycoproteins被包裹成囊泡,往外運送到細胞膜,然後以細胞膜的囊泡外吐進入到膜外的醣原萼膜
7.        高基氏體製造的分泌囊泡對增加細胞膜表面積舉足輕重。當一個囊泡移動到細胞膜表面,它融入細胞膜,然後囊泡外吐、破裂,將囊泡內的物質透過胞吐作用釋放到周遭。囊泡破裂之後,部分或甚至全部的囊泡外膜繼續留置在細胞膜上,永久地添加在細胞膜上
8.        研究證明,高基氏體靠近細胞內側的膜,與核膜和內質網的膜十分類似;但是高基氏體愈靠近外側的膜,長得愈像細胞膜。似乎從細胞核到高基氏體,到細胞膜,彼此之間存在著連動關係
9.        所以,一個從粗糙內質網製造出來的膜分子,接著會出現在平滑內質網,再到高基氏體,變成一個囊泡膜,最後抵達細胞膜。
10.     細胞膜上的囊泡,可能以空囊泡之姿再回到高基氏體或者到其他器官。這是細胞膜磷脂質的重要循環過程。
n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton Biology》;圖片來源/Scienceblogs.com Organelle-marker.com