2.1 Frumefni og frumeindir: byggingareiningar efnis

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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“.