Figura 2.1 Analiza moleculelor din respirația expirată poate oferi informații prețioase, ducând la diagnosticarea precoce a bolilor sau la detectarea expunerii mediului la substanțe nocive. (Credit: modificarea lucrării lui Paul Flowers)
Bolile pulmonare și cancerele pulmonare sunt printre cele mai devastatoare boli din lume, parțial din cauza depistării și diagnosticării întârziate. Majoritatea procedurilor de screening neinvazive nu sunt de încredere, iar pacienții rezistă adesea metodelor mai precise din cauza disconfortului cu procedurile sau din cauza pericolului potențial pe care acestea îl provoacă. Dar dacă ai putea fi diagnosticat cu exactitate printr-un simplu test de respirație?
Detectarea precoce a biomarkerilor, substanțe care indică boala sau starea fiziologică a unui organism, ar putea permite diagnosticarea și tratamentul înainte ca o afecțiune să devină gravă sau ireversibilă. Studii recente au arătat că respirația expirată poate conține molecule care pot fi biomarkeri pentru expunerea recentă la contaminanții din mediu sau pentru afecțiuni patologice, de la astm la cancer pulmonar. Oamenii de știință lucrează pentru a dezvolta „amprente” biomarker care ar putea fi utilizate pentru a diagnostica o anumită boală pe baza cantităților și identităților anumitor molecule din respirația expirată a pacientului. În laboratorul lui Sangeeta Bhatia de la MIT, o echipă a folosit substanțe care reacționează în mod specific în interiorul țesutului pulmonar bolnav; produsele reacțiilor vor fi prezenți ca biomarkeri care pot fi identificați prin spectrometrie de masă. O aplicație potențială ar permite pacienților cu simptome timpurii să inhaleze sau să ingereze o substanță „senzor” și, câteva minute mai târziu, să respire într-un detector pentru diagnostic. Cercetări similare ale unor oameni de știință precum Laura López-Sánchez au furnizat procese similare pentru cancerul pulmonar. Un concept esențial care stă la baza acestui obiectiv este cel al identității unei molecule, care este determinată de numărul și tipurile de atomi pe care îi conține și de modul în care sunt legați împreună.
Cea mai veche discuție înregistrată despre structura de bază a materiei vine de la filozofii greci antici, oamenii de știință din vremea lor. În secolul al V-lea î.e.n., Leucip și Democrit au susținut că toată materia era compusă din particule mici, finite, pe care le-au numit atomos, un termen derivat din cuvântul grecesc pentru „indivizibil”. Ei au considerat atomii ca niște particule în mișcare care diferă ca formă și dimensiune și care se puteau uni. Mai târziu, Aristotel și alții au ajuns la concluzia că materia constă din diferite combinații ale celor patru „elemente” – foc, pământ, aer și apă – și poate fi divizată la infinit. În mod interesant, acești filozofi s-au gândit la atomi și la „elemente” ca la concepte filozofice, dar aparent nu s-au gândit niciodată să efectueze experimente pentru a-și testa ideile.
Viziunea aristoteliană asupra compoziției materiei a dominat timp de peste două mii de ani, până când profesorul englez John Dalton a ajutat la revoluționarea chimiei cu ipoteza sa conform căreia comportamentul materiei ar putea fi explicat folosind o teorie atomică. Publicate pentru prima dată în 1807, multe dintre ipotezele lui Dalton despre caracteristicile microscopice ale materiei sunt încă valabile în teoria atomică modernă. Iată postulatele teoriei atomice a lui Dalton.
- Materia este compusă din particule extrem de mici numite atomi. Un atom este cea mai mică unitate a unui element care poate participa la o schimbare chimică.
- Un element este format dintr-un singur tip de atom, care are o masă care este caracteristică elementului și este aceeași pentru toți atomii acelui element (Figura 2.2). O probă macroscopică a unui element conține un număr incredibil de mare de atomi, toți având proprietăți chimice identice.
Figura 2.2 Un penny de cupru dinainte de 1982 (stânga) conține aproximativ 3 × 1022 atomi de cupru (câteva zeci sunt reprezentate ca sfere maro în dreapta), fiecare dintre ele având aceleași proprietăți chimice. (Credit: modificarea lucrării lui „slgckgc”/Flickr)
- Atomii unui element diferă ca proprietăți de atomii tuturor celorlalte elemente.
- Un compus constă din atomi ai două sau mai multe elemente combinate într-un raport mic, de număr întreg. Într-un compus dat, numerele de atomi ale fiecăruia dintre elementele sale sunt întotdeauna prezente în același raport (Figura 2.3).
Figura 2.3 Oxidul de cupru (II), un compus pulverulent, negru, rezultă din combinarea a două tipuri de atomi — cupru (sfere maro) și oxigen (sfere roșii) — într-un raport de 1:1. (credit: modificarea lucrării lui „Chemicalinterest”/Wikimedia Commons)
- Atomii nu sunt nici creați, nici distruși în timpul unei schimbări chimice, ci sunt în schimb rearanjați pentru a produce substanțe care sunt diferite de cele prezente înainte de schimbare (Figura 2.4).
Figura 2.4 Când elementele cupru (un solid strălucitor, roșu-maro, prezentat aici ca sfere maro) și oxigen (un gaz limpede și incolor, prezentat aici ca sfere roșii) reacționează, atomii lor se rearanjează pentru a forma un compus care conține cupru și oxigen (un solid sub formă de pulbere, negru). (Credit copper: modificarea lucrării de către http://images-of-elements.com/copper.php)
Teoria atomică a lui Dalton oferă o explicație microscopică a numeroaselor proprietăți macroscopice ale materiei. De exemplu, dacă un element precum cuprul este format dintr-un singur fel de atom, atunci nu poate fi descompus în substanțe mai simple, adică în substanțe compuse din mai puține tipuri de atomi. Și dacă atomii nu sunt nici creați, nici distruși în timpul unei schimbări chimice, atunci masa totală a materiei prezentă atunci când materia se schimbă de la un tip la altul va rămâne constantă (legea conservării materiei).
EXEMPLUL 2.1Testarea teoriei atomice a lui Dalton
În desenul următor, sferele verzi reprezintă atomi ai unui anumit element. Sferele violet reprezintă atomi ai altui element. Dacă sferele se ating, ele fac parte dintr-o singură unitate a unui compus. Următoarea modificare chimică reprezentată de aceste simboluri încalcă vreuna dintre ideile teoriei atomice a lui Dalton? Dacă da, care? Soluţie Materiile prime constau din două sfere verzi și două sfere violete. Produsele constau dintr-o singură sferă verde și o sferă violet. Acest lucru încalcă postulatul lui Dalton că atomii nu sunt nici creați, nici distruși în timpul unei schimbări chimice, ci sunt doar redistribuiți. (În acest caz, atomii par să fi fost distruși.) |
Dalton știa de experimentele chimistului francez Joseph Proust, care a demonstrat că toate probele dintr-un compus pur conțin aceleași elemente în aceeași proporție de masă. Această afirmație este cunoscută sub numele de legea proporțiilor definite sau legea compoziției constante. Sugestia că numărul de atomi ale elementelor dintr-un anumit compus există întotdeauna în același raport este în concordanță cu aceste observații. De exemplu, atunci când sunt analizate diferite probe de izooctan (o componentă a benzinei și unul dintre standardele utilizate în sistemul de evaluare octanică), se constată că acestea au un raport de masă carbon-hidrogen de 5,33:1, așa cum se arată în Tabelul 2.1.
Compoziția constantă a izooctanului | |||
Probă | Carbon | Hidrogen | Raportul de masă |
A | 14,82 g | 2,78 g | 14,82 g carbon / 2,78 g hidrogen = 5,33 g carbon / 1,00 g hidrogen |
B | 22,33 g | 4,19 g | 22,33 g carbon / 4,19 g hidrogen = 5,33 g carbon / 1,00 g hidrogen |
C | 19,40 g | 3,64 g | 19,40 g carbon / 3,63 g hidrogen = 5,33 g carbon / 1,00 g hidrogen |
Tabelul 2.1
Este de remarcat faptul că, deși toate probele dintr-un anumit compus au același raport de masă, inversul nu este adevărat în general. Adică, probele care au același raport de masă nu sunt neapărat aceeași substanță. De exemplu, există mulți compuși, alții decât izooctanul, care au și un raport de masă carbon-hidrogen de 5,33:1,00.
Dalton a folosit și date de la Proust, precum și rezultate din propriile sale experimente, pentru a formula o altă lege interesantă. Legea proporțiilor multiple spune că atunci când două elemente reacţionează pentru a forma mai mult de un compus, o masă fixă a unui element va reacționa cu masele celuilalt element într-un raport de numere întregi mici. De exemplu, cuprul și clorul pot forma un solid verde, cristalin, cu un raport de masă de 0,558 g clor la 1 g cupru, precum și un solid cristalin maro cu un raport de masă de 1,116 g clor la 1 g cupru. Aceste rapoarte în sine pot să nu pară deosebit de interesante sau informative; totuși, dacă luăm un raport dintre aceste rapoarte, obținem un rezultat util și posibil surprinzător: un raport mic, de număr întreg.
(1,116 g Cl / 1 g Cu) / (0,558 g Cl / 1 g Cu) = 2/1
Acest raport 2-la-1 înseamnă că compusul maro are de două ori cantitatea de clor pe cantitate de cupru decât compusul verde.
Acest lucru poate fi explicat prin teoria atomică dacă raportul cupru-clor în compusul maro este de 1 atom de cupru la 2 atomi de clor, iar raportul în compusul verde este 1 atom de cupru la 1 atom de clor. Raportul dintre atomii de clor (și, prin urmare, raportul maselor lor) este deci 2 la 1 (Figura 2.5).
Figura 2.5 În comparație cu compusul de clor-cupru din (a), unde cuprul este reprezentat de sfere maro și clorul de sfere verzi, compusul de clor-cupru din (b) are de două ori mai mulți atomi de clor per atom de cupru. (Credit a: modificarea lucrării de către „Benjah-bmm27”/Wikimedia Commons; credit b: modificarea lucrării de către „Walkerma”/Wikimedia Commons)
EXEMPLUL 2.2Legile proporțiilor definite și multiple
O probă de compus A (un gaz limpede, incolor) este analizată și s-a constatat că conține 4,27 g carbon și 5,69 g oxigen. O probă de compus B (de asemenea, un gaz limpede, incolor) este analizată și s-a constatat că conține 5,19 g carbon și 13,84 g oxigen. Sunt aceste date un exemplu de legea proporțiilor definite, legea proporțiilor multiple sau niciuna din ele? Ce vă spun aceste date despre substanțele A și B? Soluţie În compusul A, raportul de masă dintre oxigen și carbon este: 1,33 g O / 1 g C În compusul B, raportul de masă dintre oxigen și carbon este: 2,67 g O / 1 g C Raportul dintre aceste rapoarte este: (1,33 g O / 1 g C) / (2,67 g O / 1 g C) = 1/2 Aceasta susține legea proporțiilor multiple. Aceasta înseamnă că A și B sunt compuși diferiți, A având jumătate din oxigen pe cantitate de carbon (sau de două ori mai mult carbon pe cantitate de oxigen) decât B. O posibilă pereche de compuși care s-ar potrivi cu această relație ar fi A = CO și B = CO2. |
Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2022 MultiMedia Publishing
Lasă un răspuns