Хлористий натрій
Молекулярна біологія харчування
Що відбувається, коли ви поєднуєте хлор (отруйний газ) з натрієм (токсичним металом)? Ви отримуєте кухонну сіль (хлорид натрію), кристал, який розчиняється у двох основних поживних речовинах. Як дві токсичні речовини перетворюються на поживні речовини? Вони поєднуються як атоми, а розділяються як іони.
Коли атоми натрію та хлору з’єднуються, утворюючи хлорид натрію (NaCl), вони переносять електрон. Атом натрію (Na) переносить один електрон в атом хлору (Cl), так що вони обидва мають повні зовнішні оболонки. З наповненими зовнішніми оболонками вони вже не є хімічно активними і не можуть утворювати ковалентні зв’язки, щоб стати частиною молекули. Однак при перенесенні електрона вони стають електрично зарядженими і поєднуються в солі завдяки утворенню іонних зв’язків.
Зараз іон натрію має лише десять електронів, але все ще має одинадцять протонів. Це порушує баланс зарядів між протонами та електронами, в результаті чого атом натрію має чистий позитивний заряд. Коли це трапляється, атом називається а позитивний іон. Хлористий іон зараз має вісімнадцять електронів і сімнадцять протонів, тому він став негативний іон.
Оскільки іон натрію має позитивний заряд, а іон хлору - негативний, вони притягуються один до одного і утворюють іонний зв’язок. Іони утворюють солі, а не молекули, але вони виконують багато важливих функцій у харчуванні.
Натрій і хлор є дуже реакційноздатними у своїх доіонних станах. Вони будуть переносити електрони і (в сухих умовах) утворювати солі при зустрічі один з одним. Кожен реагуватиме з іншими елементами, якщо не знайде один одного першим, тому рідко зустрічається в природі в їх реактивних станах.
Зазвичай вони надходять на наші тарілки разом як кухонна сіль (або це розчинені іони). Однак у нашому тілі вони не пов’язані між собою як сіль, а знову розчиняються у воді в окремі іони. І хоча вони доповнюють одне одного в багатьох біологічних процесах, вони також мають свою окрему роль.
Ми вже бачили, що відбувається, коли натрій і хлорид поєднуються. Зараз ми розглянемо кожен з них окремо. Спочатку ми розглянемо їх як реактивні атоми і з’ясуємо, чому вони токсичні в такому стані. Тоді ми розглянемо їх у їх іонній формі та з’ясуємо, чому вони мають харчову цінність.
Коли більшість людей думає про натрій, вони думають про кухонну сіль. Хоча кухонна сіль містить іонізовану форму натрію (у поєднанні з хлоридом), неіонізований "металевий" натрій має зовсім інші хімічні властивості, ніж іони натрію в кухонній солі. Тут ми розглядаємо хімічні властивості натрію в його реакційно-здатному (токсичному) стані, а в наступному розділі розглядаємо натрій у його іонному (харчовому) стані.
Атом натрію (Na) має одинадцять протонів та одинадцять електронів, що дає йому нейтральний (збалансований) електричний заряд. Однак у зовнішній оболонці він має лише один електрон, що робить його хімічно реактивним. Щоб бути хімічно стабільним, він повинен мати повну зовнішню оболонку. Позбутися одного зовнішнього електрона простіше, ніж придбати ще сім електронів, тому, схоже, відмовитись від електрона.
Зовнішні електрони кожного атома натрію не бажані жодним з атомів натрію, тому утворюється хмара небажаних електронів. Випадковий рух електронів у цій хмарі спричиняє зміну електричних властивостей окремих атомів, що в свою чергу призводить до того, що атоми м'яко притягуються один до одного. Ці невеликі електричні дисбаланси ініціюють зв’язування металів при кімнатній температурі, змушуючи атоми злипатися в м’який метал, який можна розрізати ножем.
Поєднання металевих атомів натрію між собою відносно не відбувається. Щоб зрозуміти, чому металевий натрій настільки реактивний, давайте подивимося, що відбувається при контакті з водою.
Вода (H2O) - це молекула, що складається з двох атомів водню, ковалентно зв’язаних з атомом кисню. Ці зв’язки утворюються тому, що атому кисню потрібні два електрони, щоб заповнити свою зовнішню оболонку, а кожному атому водню потрібен один електрон. Утворення молекули води зручно заповнює зовнішні оболонки всіх трьох атомів, саме тому молекули води утворюються з двох газів.
Натрій металевий у воді
Молекулярні зв’язки, утворені атомами водню та кисню у воді, настільки слабкі, що часто розпадаються через випадкову теплову енергію. Отже, коли натрій хоче позбутися зайвого електрона, вода є легкою мішенню. Один з водневих/кисневих зв’язків у воді легко руйнується, і атом натрію віддає свій небажаний електрон, заповнюючи вільний простір у зовнішній оболонці кисню. Оскільки донорний електрон перейшов із стану високої енергії навколо натрію в нижчий енергетичний стан навколо кисню, виділяється додаткова енергія. Це відео ScienceFix демонструє, наскільки вибухонебезпечною може бути хімічна реакція.
Поварена сіль містить натрій в іонній формі. Ось чому він не вибухає при контакті з водою і чому має харчову цінність. Він доповнює хлорид-іон, оскільки вони мають протилежні заряди, які врівноважують один одного в багатьох біологічних процесах. Натрій також доповнює калій, оскільки, хоча вони обидва є позитивними іонами, вони також хімічно відрізняються. Хімічні відмінності між натрієм і калієм корисні для контролю дифузії через наші клітинні мембрани, тоді як електростатичні відмінності між натрієм та хлоридом важливі для підтримання електричного дисбалансу в цих самих клітинних мембранах. Щоб побачити, як натрій використовує ці відмінності, щоб забезпечити передачу сигналу в нервових та м’язових клітинах, див. Статтю про дифузію.
Натрій є необхідною поживною речовиною в клітинах тварин, але можна отримати занадто багато корисної речі. Хоча низький рівень натрію може спричинити м’язові судоми через те, що нервові та м’язові клітини не можуть контролювати передачу та прийом сигналу, занадто велика кількість натрію може спричинити такі проблеми, як високий кров’яний тиск.
Коли ми споживаємо натрій, він всмоктується в кров і позаклітинний простір. Незважаючи на те, що для позаклітинних просторів норма концентрації натрію набагато вища, ніж у клітині (дисбаланс використовується для передачі сигналу), його можна зайняти занадто далеко. Якщо надто багато натрію накопичується в крові та позаклітинних рідинах, це розріджує концентрацію води поза клітинами. Вода буде дифундувати від високих концентрацій всередині клітини до нижчих концентрацій поза клітиною, включаючи кров. Це спричиняє зневоднення клітин та підвищення артеріального тиску.