§ 8. Поняття про перетворення енергії в біологічних системах. АТФ

Пригадайте будову нуклеотидів. Яке фізіологічне значення процесів дихання? Що таке метаболізм і гомеостаз? Що таке енергія з точки зору фізики? Що таке ферменти, складні та прості білки? Які процеси називають окисними, а які – відновними? Які сполуки називають пентозами?

Сукупність реакцій синтезу, які забезпечують розвиток клітин та організмів, поновлення їхнього хімічного складу, називають пластичним обміном. На здійснення цих процесів витрачається певна кількість енергії. Процеси розщеплення складних речовин до простіших супроводжуються виділенням енергії. Їх називають енергетичним обміном.

Процеси синтезу потрібних організму сполук і процеси їхнього розщеплення – це різні сторони єдиного процесу обміну речовин і перетворення енергії в живих організмах – метаболізму. Завдяки процесам обміну речовин і перетворення енергії забезпечується підтримання гомеостазу за змін умов навколишнього середовища.

Автотрофи, гетеротрофи та міксотрофи. Для організмів, які населяють нашу планету, основним джерелом енергії є сонячне світло, завдяки якому прямо чи опосередковано задовольняються їхні енергетичні потреби (мал. 31). Пригадайте: організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами (від грец. аутос – сам і трофе – споживати) (мал. 32. А). При цьому одні з них здатні до фотосинтезу. Їх називають фототрофними (від грец. фотос – світло і трофе). До них належать зелені рослини, деякі бактерії (наприклад, ціанобактерії). Енергію світла, яку вони вбирають з довкілля, ці організми використовують для забезпечення власних процесів життєдіяльності або ж накопичують її у вигляді енергії хімічних зв’язків синтезованих ними сполук.

Активізуйте свої знання

Як окремі клітини, так і цілісні організми належать до відкритих біологічних систем. Це означає, що їхнє існування можливе лише завдяки постійному надходженню з навколишнього середовища поживних речовин разом із запасеною в них енергією, їхнім перетворенням з виділенням енергії та виведенню назовні продуктів життєдіяльності. Значна частина енергії, що виділяється, слугує для підтримання теплового балансу організмів. Сукупність згаданих процесів має назву обмін речовин, або метаболізм.

Запам’ятаємо: процеси пластичного обміну ще називають анаболізмом, або реакціями асиміляції, а процеси енергетичного – катаболізмом, або реакціями дисиміляції.

Мал. 31. Сонячне світло – основне джерело енергії для живих організмів. Завдання. Поясніть роль рослин у забезпеченні енергією інших мешканців нашої планети

Інші автотрофні організми для синтезу органічних сполук з неорганічних використовують енергію, яка вивільняється під час здійснення хімічних реакцій (деякі бактерії: нітрифікуючі, залізо- та сіркобактерії). Їх називають хемотрофними (від грец. гемо – хімічний і трофе).

Гриби, більшість тварин і бактерій належать до гетеротрофів (від грец. гетерос – різний і трофе) (мал. 32. Б). Для них джерелом енергії є органічні сполуки, утворені іншими організмами. Ці органічні сполуки вони отримують з їжею (живі організми, їхні рештки або продукти життєдіяльності). Існують і міксотрофи (від грец. міксіс – змішування і трофе) – організми зі змішаним типом живлення (росичка, омела, хламідомонада, евглена зелена; мал. 32. В). Такі організми здатні не лише синтезувати органічні сполуки з неорганічних, а й поглинати готові органічні речовини. Як ви пам’ятаєте, росичка здатна «полювати» на дрібних тварин – комах і ракоподібних.

АТФ та її функції. Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ) – сполука, яка за своїм складом є нуклеотидом. Молекула АТФ складається із залишків азотистої основи (аденіну), пентози (рибози) та трьох залишків ортофосфатної кислоти (мал. 33). Ця речовина має незвичні для інших органічних сполук хімічні властивості.

Мал. 32. А. Автотрофні організми: 1 – ціанобактерії; 2 – зелені водорості; 3 – квіткові рослини. Б. Гетеротрофні організми: 1 – гетеротрофні бактерії; 2 – гриби; 3 – тварини. В. Міксотрофні організми: 1 – евглена зелена; 2 – омела; 3 – росичка

Молекули АТФ слугують універсальним хімічним акумулятором енергії в клітинах, за їхньої участі відбуваються всі процеси метаболізму.

Мал. 33. Будова молекули АТФ: 1 – аденозин (сполука, що складається із залишку аденіну та пентози); 2 – триортофосфат (три залишки ортофосфатної кислоти)

Це два високоенергетичних хімічних зв’язки, які виникають між послідовно розміщеними залишками ортофосфатної кислоти, у яких запасається значна кількість енергії.

Якщо за участі відповідного ферменту відщеплюється один залишок ортофосфатної кислоти, то АТФ перетворюється на аденозиндифосфатну кислоту (АДФ), при цьому звільняється близько 42 кДж енергії (мал. 34). Якщо ж відщеплюються два залишки молекул ортофосфатної кислоти, АТФ перетворюється на аденозинмонофосфатну кислоту (АМФ). При цьому вивільняється 84 кДж енергії.

Мал. 34. Перетворення молекул АТФ під час енергетичного обміну: енергія звільняється внаслідок відщеплення від молекули АТФ залишку ортофосфатної кислоти

Отже, у разі приєднання до АМФ залишку ортофосфатної кислоти запасається близько 42 кДж енергії. При цьому утворюється молекула АДФ. Також 42 кДж енергії запасається за умови приєднання ще одного залишку ортофосфатної кислоти до молекули АДФ. Молекула АДФ таким чином перетворюється на молекулу АТФ. Енергія, яка вивільняється в процесі розщеплення молекул АТФ, використовується для синтезу потрібних організму сполук, підтримання певної температури тіла, забезпечення інших процесів життєдіяльності.

Коротко про головне

Сукупність процесів надходження до біологічних систем з навколишнього середовища поживних речовин, енергії, їхні перетворення та виведення з них продуктів життєдіяльності має назву «обмін речовин», або «метаболізм».

В організмах одночасно відбуваються процеси пластичного та енергетичного обміну.

Організми, які здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами. Для гетеротрофів джерелом енергії є органічні сполуки, утворені іншими організмами. Міксотрофи – організми зі змішаним типом живлення.

Молекула аденозинтрифосфатної кислоти (АТФ) складається із залишків азотистої основи (аденіну), пентози (рибози) та трьох залишків ортофосфатної кислоти. Між залишками молекул ортофосфатної кислоти виникають два високоенергетичних хімічних зв’язки.

Ключові терміни та поняття: пластичний обмін (анаболізм, реакції асиміляції), енергетичний обмін (катаболізм, реакції дисиміляції), автотрофи, гетеротрофи, міксотрофи, АТФ.

Перевірте здобуті знання

1. Що таке метаболізм, пластичний та енергетичний обмін? 2. Які організми називають автотрофами, міксотрофами та гетеротрофами? 3. Які джерела енергії використовують автотрофні організми? 4. Яка структура молекули АТФ? 5. У чому полягає роль АТФ у перетворенні енергії в клітині?

1. Чому життя неможливе без перетворень енергії? 2. Чому під час окиснення органічних сполук вивільняється енергія?

ПРАКТИЧНА РОБОТА 1

Розв’язання елементарних вправ зі структури білків та нуклеїнових кислот

Дані, потрібні для розв’язання вправ: мінімальна відносна молекулярна маса амінокислоти становить приблизно 100, мінімальна відносна молекулярна маса нуклеотиду – 345, мінімальна відносна довжина окремого нуклеотиду – 0,34 нм. Одна амінокислота кодується послідовністю з трьох нуклеотидів (триплетом). Розв’язуючи задачі, пам’ятаємо: у складі молекули ДНК нуклеотиди з різних її ланцюгів сполучаються за принципом комплементарності (А-Т та Г-Ц), у складі молекул РНК замість нуклеотиду з тиміном (Т) присутній нуклеотид з урацилом (У).

Вправа 1. Молекула білка складається з 200 амінокислотних залишків. Визначте довжину ділянки одного з ланцюгів молекули ДНК, яка відповідає гену, що кодує цей білок, враховуючи, що 300 нуклеотидів у складі даного гена амінокислоти не кодують.

Приклад розв’язку вправи. 1. Якщо молекула білка складається з 200 амінокислотних залишків, то їх кодують 200 х з = 600 нуклеотидів. 2. До цього числа додаємо ще 300 некодуючих нуклеотидів: 600 + 300 = 900. 3. Визначаємо довжину ділянки, яка кодує даний білок, перемноживши число нуклеотидів на довжину одного нуклеотиду: 900 х 0,34 нм = 306 нм.

Відповідь: довжина ділянки одного з ланцюгів молекули ДНК, яка відповідає гену, що кодує цей білок, становить 306 нм.

Вправа 2. Довжина ділянки одного з ланцюгів молекули ДНК клітини бактерії становить 238 нм. Визначте кількість амінокислотних залишків у молекулі білка, яку кодує дана ділянка молекули ДНК.

Вправа 3. Молекулярна маса білка становить 60 000. Визначте кількість нуклеотидів, що входять до складу ділянки молекули ДНК із цим геном.

Вправа 4. Дослідження показали, що 24 % загальної кількості нуклеотидів молекули мРНК припадає на гуанін (Г), 38 % – на урацил (У), 22 % – на цитозин (Ц) та 16 % – на аденін (А). Визначте відсотковий уміст азотистих основ молекули ДНК, на якій була синтезована ця молекула мРНК.

Приклад розв’язку вправи. 1. Визначаємо за принципом комплементарності відсотковий уміст азотистих основ того ланцюга, на якому була синтезована дана молекула мРНК:

Молекула мРНК: Г – 24%, У – 38%, Ц – 22 % та А – 16 %.

Перший ланцюг ДНК: Ц – 24%, А – 38%, Г – 22 % та Т – 16 %.

Другий ланцюг ДНК: Г – 24%, Т – 38%, Ц – 22 % та А – 16 %.

2. Вираховуємо відсотковий уміст азотистих основ молекули ДНК, на якій була синтезована ця молекула мРНК: Ц – 23 % (24 + 22 / 2 = 23), Г – 23 % (24 + 22 / 2 = 23), А – 27 % (38 + 16 / 2 = 27), Т – 27 % (38 + 16/2 = 27).

Відповідь: до складу молекули ДНК входять 23 % нуклеотидів із цитозином, 23 % нуклеотидів з гуаніном, 27 % нуклеотидів з аденіном та 27 % нуклеотидів з тиміном.

Вправа 5. Відомо, що молекула мРНК складається з 1535 нуклеотидів. Зі скількох амінокислотних залишків складатиметься білкова молекула, яка кодується цією молекулою мРНК?

Вправа 6. Визначте нуклеотидний склад ділянки молекули ДНК, якщо молекула мРНК, синтезована на одному з її ланцюгів, має такий нуклеотидний склад: УАГГУЦГААЦГУ.

Вправа 7. Нуклеотидний склад одного з ланцюгів ДНК такий: ГЦТААЦЦГАТАЦГГ. На іншому ланцюзі цієї молекули синтезується молекула мРНК. Визначте її нуклеотидний склад.

Вправа 8. Обидва ланцюги молекули ДНК складаються з 2250 нуклеотидів. Визначте кількість амінокислотних залишків у складі молекули білка, яка синтезується на одному з ланцюгів цієї молекули ДНК.

Вправа 9. Гормон підшлункової залози глюкагон складається з 29 амінокислотних залишків. Скільки триплетів входить до складу гена, який кодує цю молекулу?

Вправа 10. Молекулярна маса кодуючих триплетів молекули ДНК становить 20 700. Визначте кількість амінокислотних залишків, які входять до складу цієї молекули білка.

Вправа 11. Визначте молекулярну масу білкової молекули, яка кодується ділянкою молекули ДНК завдовжки 102 нм.

Вправа 12. Визначте довжину гена, який кодує білок, що складається зі 125 амінокислотних залишків.

Вправа 13. Один з ланцюгів молекули ДНК має такий вигляд: ГЦГ ГГТ ГГА ТАА ЦТА ГЦЦ. Який вигляд матиме другий ланцюг цієї молекули, синтезований під час її самоподвоєння?

Вправа 14. Нуклеотидний склад молекули мРНК такий: ААЦГУУЦЦАГЦУ. Визначте нуклеотидний склад ланцюга ДНК, який протилежний ланцюгу, на якому синтезована ця молекула мРНК.

ТЕСТ НА ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ

Виберіть із запропонованих відповідей правильну

1. Укажіть елемент, який входить до складу гормонів щитоподібної залози: а) Купрум; б) Бор; в) Йод; г) Кобальт.

2. Укажіть назву сполук, розчинних у воді: а) гідрофобні; б) гідрофільні; в) органічні; д) неорганічні.

3. Назвіть сполуку, нерозчинну у воді: а) віск; б) глюкоза; в) фруктоза; г) тростинний цукор.

4. Укажіть сполуки, під час розщеплення яких виділяється найбільше енергії: а) ліпіди; б) вуглеводи; в) білки; г) вітаміни.

5. Назвіть сполуку, яка передає спадкову інформацію з ядра до місця синтезу білкової молекули: а) ДНК; б) мРНК; в) рРНК; г) тРНК.

6. Визначте сполуки, які забезпечують прискорення біохімічних реакцій: а) ДНК; б) гормони; в) вітаміни; г) ферменти.

7. Укажіть, як амінокислотні залишки сполучаються в поліпептидний ланцюг: а) завдяки водневим зв’язкам; б) завдяки ковалентним зв’язкам; в) завдяки гідрофобним взаємодіям; г) завдяки йонним взаємодіям.

8. Укажіть, який вигляд може мати вторинна структура білків: а) глобула; б) декілька сполучених між собою амінокислотних залишків; в) спіраль; г) ланцюг амінокислотних залишків.

9. Зазначте сполуку, до складу якої входить нуклеотид тимін: а) віск; б) ДНК; в) мРНК; г) тРНК.

10. Назвіть сполуку, яка належить до біополімерів: а) глюкоза; б) мРНК; в) жири; г) дезоксирибоза.

11. Укажіть хімічний елемент, що належить до органогенних: а) Карбон; б) Ферум; в) Сульфур; г) Фосфор.

12. Назвіть сполуки, до складу яких входять залишки ортофосфатної кислоти: а) білки; б) моносахариди; в) АТФ; г) жири.

Утворіть логічні пари

13. Установіть відповідність між хімічними елементами та сполуками, до складу яких вони входять.

• 1 Ферум (Fe)
• 2 Магній (Mg)
• 3 Купрум (Cu)
• 4 Йод (І)
• А гормон щитоподібної залози
• Б молекула хлорофілу
• В гормони підшлункової залози
• Г молекула гемоглобіну
• Д молекула гемоціаніну

14. Установіть відповідність між біополімерами та їхніми мономерами.

• 1 полісахариди
• 2 білки
• 3 ДНК
• 4 РНК
• А жирні кислоти
• Б нуклеотиди з тиміном
• В амінокислоти
• Г нуклеотиди з урацилом
• Д моносахариди

15. Визначте кількість енергії, яка виділяється під час розщеплення відповідних органічних сполук.

• 1 1 г білків
• 2 1 г жирів
• 3 перетворення АТФ на АДФ
• 4 перетворення АТФ на АМФ
• А 17,2 кДж
• Б 42 кДж
• В 38,9 кДж
• Г 126 кДж
• Д 84 кДж

16. Установіть відповідність між типами нуклеїнових кислот та їхніми функціями.

• 1 ДНК
• 2 мРНК
• 3 тРНК
• 4 рРНК
• А структурна: входять до складу субодиниць рибосом
• Б енергетична
• В зберігання спадкової інформації
• Г транспорт амінокислотних залишків до місця синтезу білкової молекули
• Д передача спадкової інформації від ядра до місця синтезу білкової молекули

Завдання з вибором трьох правильних відповідей із трьох груп запропонованих варіантів відповідей

17. Назвіть особливості, притаманні різним рівням структурної організації білкових молекул.

1 проста послідовність амінокислотних залишків

1 проста послідовність амінокислотних залишків

1 проста послідовність амінокислотних залишків

18. Назвіть функції, які виконують у клітині молекули органічних сполук.

1 кодування спадкової інформації

2 кодування спадкової інформації

3 передача спадкової інформації до місця синтезу інших органічних молекул

19. Назвіть сполуки, у складі яких трапляються згадані типи хімічних зв’язків.

Високоенергетичні

Дисульфідні

2 третинна структура білків

3 вторинна структура білків

Запитання з відкритою відповіддю

20. Порівняйте властивості та функції ліпідів і вуглеводів.

21. Що спільного й відмінного між процесами деструкції та денатурації?

22. Чому провідна роль у процесах перетворення енергії у тваринних організмах належить вуглеводам, хоча під час розщеплення 1 г жирів енергії виділяється вдвічі більше?

23. Який зв’язок існує між структурою молекули води та її властивостями?

24. Які з хімічних сполук відіграють роль у підтриманні енергетичного балансу організму? Відповідь обґрунтуйте.

25. Чим визначається специфічність дії ферментів? Відповідь обґрунтуйте.

26. Що спільного та відмінного в будові та функціях різних типів нуклеїнових кислот?

27. Як структура ДНК пов’язана з її властивостями і функціями в живих організмах?

28. Чому деякі тварини – мешканці спекотних місцевостей запасають багато жиру? Відповідь обґрунтуйте.

29. Які з органічних сполук живих організмів відіграють захисну роль? Відповідь обґрунтуйте.

30. Чому організм людини не може повноцінно існувати за умов споживання лише рослинної їжі? Відповідь обґрунтуйте.

31. Що спільного та відмінного між структурою АТФ та нуклеотидів у складі різних типів нуклеїнових кислот?

32. Які з білків відіграють захисну роль? Відповідь обґрунтуйте.

33. Чому активність ферментів може проявлятись лише за певних умов? Відповідь обґрунтуйте.

34. Які закономірності кількісного вмісту залишків нітрогеновмісних основ у молекулі ДНК дали підставу для встановлення її просторової структури? Відповідь обґрунтуйте.

35. Як структура молекули тРНК пов’язана з її функціями? Відповідь обґрунтуйте.

15.E: Ядерна хімія (вправи)

Радіоактивність – це спонтанне випромінювання частинок і електромагнітне випромінювання від ядер нестабільних атомів.

Q15.1.2

Q15.1.3

С15.1.3

1. 5 протонів; 6 нейтронів
2. 13 протонів; 14 нейтронів
3. 26 протонів; 30 нейтронів
4. 86 протонів; 138 нейтронів

Q15.1.4

Скільки протонів і нейтронів в кожному ізотопі?

Q15.1.5

Опишіть альфа-частинку. Якому ядру це еквівалентно?

С15.1.5

Альфа-частинка являє собою сукупність двох протонів і двох нейтронів і еквівалентна гелієвому ядру.

Q15.1.6

Опишіть бета-частинку. Якій субатомній частинці вона еквівалентна?

Q15.1.7

С15.1.7

Гамма-промені – це електромагнітне випромінювання високої енергії, що виділяється при радіоактивному розпаді.

Q15.1.8

Чому недоречно називати гамма-промені «гамма-частинками»?

Q15.1.9

Плутоній має атомний номер 94. Напишіть ядерне рівняння для емісії альфа-частинок плутонію-244. Що таке дочірній ізотоп?

С15.1.9

КВ 15.1.10

Франціум має атомний номер 87. Напишіть ядерне рівняння для емісії альфа-частинок францію-212. Що таке дочірній ізотоп?

С15.1.11

Q15.1.11

Олово має атомний номер 50. Напишіть ядерне рівняння для емісії бета-частинок олова-121. Що таке дочірній ізотоп?

Q15.1.12

Технецій має атомний номер 43. Напишіть ядерне рівняння для емісії бета-частинок технецію-99. Що таке дочірній ізотоп?

Q15.1.13

Енергії гамма-променів зазвичай виражаються в одиницях мегаелектронних вольт (МеВ), де 1 МеВ = 1,602 × 10 −13 Дж. Використовуючи дані, надані в тексті, обчислюють енергію в мегаелектронних вольтах гамма-променя, що випромінюється при розпаді радону-222.

С15.1.13

Q15.1.14

Гамма-промінь, що випромінюється, коли кисень-19 виділяє бета-частинку, становить 0,197 МеВ. Яка його енергія в джоулі? (Див. вправу 13 для визначення мегаелектронного вольта.)

Q15.1.15

Що проникає в речовину глибше – альфа-частинки або бета-частинки? Запропонуйте способи захисту від обох частинок.

С15.1.15

Бета-частинки проникають більше. Товста стінка інертної речовини достатня, щоб перекрити обидві частинки.

КВ 15.1.16

Що проникає в речовину глибше – альфа-частинки або гамма-промені? Запропонуйте способи убезпечити себе від обох викидів.

Q15.1.17

С15.1.17

Ядерний поділ – це розпад великих ядер на більш дрібні ядра, як правило, з виділенням зайвих нейтронів.

Q15.1.18

Яка загальна характеристика зазвичай необхідна для того, щоб ядро зазнало спонтанного поділу?

15.2: Період напіврозпаду

Q15.2.1

Чи всі ізотопи мають період напіврозпаду? Поясніть свою відповідь.

С15.2.1

Тільки радіоактивні ізотопи мають період напіврозпаду.

Q15.2.2

Що є більш радіоактивним – ізотоп з тривалим періодом напіврозпаду або ізотоп з коротким періодом напіврозпаду?

Q15.2.3

Скільки часу потрібно, щоб 1,00 г паладію-103 розпався до 0,125 г, якщо його період напіврозпаду становить 17,0 д?

S15.2.3

Q15.2.4

Скільки часу потрібно для 2,00 г ніобію-94 до розпаду до 0,0625 г, якщо його період напіврозпаду становить 20,000 у?

Q15.2.5

Знадобилося 75 у для 10,0 г радіоактивного ізотопу розпаду до 1,25 м Який період напіврозпаду цього ізотопу?

С15.2.5

Q15.2.6

Знадобилося 49,2 с для 3.000 г радіоактивного ізотопу розпаду до 0,1875 м Який період напіврозпаду цього ізотопу?

Q15.2.7

Напівжиття америцію-241 становить 432 р Якщо 0,0002 г америцію-241 присутній в детекторі диму на дату виготовлення, яка маса америцію-241 присутній через 100,0 у? Після 1,000.0 років?

С15.2.7

Q15.2.8

Якщо період напіввиведення тритію (водню-3) становить 12,3 у, скільки 0,00444 г зразка тритію присутній через 5,0 у? Після 250.0 г?

Q15.2.9

Поясніть, чому сума, що залишилася після 1,000,0 у Вправі 7, не становить однієї десятої від суми, присутньої після 100,0 у, незважаючи на те, що кількість пройденого часу в 10 разів більше.

С15.2.9

Радіоактивний розпад – експоненціальний процес, а не лінійний процес.

КВ 15.2.10

Поясніть, чому сума, що залишилася після 250,0 у у Вправі 8, не становить однієї п’ятдесятої від суми, присутньої після 5.0 у, незважаючи на те, що кількість пройденого часу в 50 разів більше.

КВ 15.2.11

Артефакт, що містить вуглець-14, містить в ньому 8,4 × 10 −9 г вуглецю-14. Якщо вік артефакту становить 10,670 у, скільки вуглецю-14 він мав спочатку? Період напіввиведення вуглецю-14 становить 5730 у.

С15.2.11

КВ 15.2.12

Вуглець-11 – радіоактивний ізотоп, який використовується в позитронно-емісійної томографії (ПЕТ) скануванні для медичної діагностики. Позитронна емісія – ще один, хоча і рідкісний, вид радіоактивності. Період напіввиведення вуглецю-11 становить 20,3 хв. Якщо 4,23 × 10 −6 г вуглецю-11 залишилося в організмі через 4,00 ч, то яка маса вуглецю-11 була присутня спочатку?

15.3: Одиниці радіоактивності

Q15.3.1

С15.3.1

одиниця радіоактивного опромінення, що дорівнює 0,01 Дж енергії на грам тканини

Q15.3.2

Q15.3.3

Чим беккерель відрізняється від кюрі?

С15.3.3

Беккерель – це 1 розпад /с, тоді як кюрі – 3,7 × 10 10 розпадів/с.

Q15.3.4

Q15.3.5

Зразок радонового газу має активність 140,0 мКі. Якщо період напіввиведення радону становить 1500 у, скільки часу до активності проби становить 8,75 мКі?

С15.3.5

Q15.3.6

Зразок курію має активність 1600 Бк. Якщо період напіввиведення курію становить 24,0 с, як довго до його активності 25,0 Бк?

Q15.3.7

Якщо радіоактивний зразок має активність 65 мкCi, скільки відбувається розпадів в секунду?

С15.3.7

2,41 × 10 6 розпусків в секунду

Q15.3.8

Якщо радіоактивний зразок має активність 7,55 × 10 5 Бк, скільки відбувається розпадів в секунду?

Q15.3.9

Зразок фтору-20 має активність 2,44 мКі. Якщо його період напіввиведення становить 11,0 с, яка його активність після 50,0 с?

С15.3.9

Q15.3.10

Стронцій-90 має період напіввиведення 28,1 у Якби 66,7 Бк чистого стронцію-90 було дозволено розпаду протягом 15,0 у, якою була б активність залишився стронцію-90?

Q15.3.11

Скільки часу потрібно 100.0 мКi фтору-20, щоб розпастися до 10,0 мКі, якщо його період напіврозпаду становить 11,0 с?

Q15.3.12

Технецій-99 використовується в медицині як джерело випромінювання. Типова доза становить 25 мКи. Скільки часу потрібно, щоб активність зменшилася до 0.100 МКi? Період напіввиведення 99 Тк становить 210 000 у.

Q15.3.13

Опишіть, як визначається радіаційне опромінення в ремс.

С15.3.13

за допомогою плівкового значка, який піддається випромінюванню, або лічильника Гейгера

Q15.3.14

Що сприяє більшій мірі впливу – альфа- або бета-частинок? Чому?

Q15.3.15

Використовуйте таблицю 15.4.2, щоб визначити, які джерела радіаційного опромінення неминучі, а яких можна уникнути. Який відсоток випромінювання неминучий?

С15.3.14

Радіоактивні атоми в організмі, більшості земних джерел, космічних джерел і ядерних джерел енергії, ймовірно, неминучі, що становить близько 27% від загального опромінення. Якщо додати вплив радонового газу, загальна неминуча експозиція збільшується до 82%.

КВ 15.3.16

Назвіть два ізотопи, які сприяють радіоактивності в наших тілах.

Q15.3.17

Поясніть, як працює значок фільму для виявлення радіації.

С15.3.17

Плівка піддається впливу випромінювання. Чим більше радіаційної плівки піддається, тим більше вона стає оголеною.

Q15.3.18

Поясніть, як працює лічильник Гейгера для виявлення радіації.

15.4: Використання радіоактивних ізотопів

Q15.4.1

Визначте трейсер і наведіть приклад того, як працюють трасери.

С15.4.1

Трасер – це радіоактивний ізотоп, який можна виявити далеко від його первісного джерела, щоб простежити шлях певних хімічних речовин. Водень-3 можна використовувати для відстеження шляху води під землею.

Q15.4.2

Назвіть два ізотопи, які були використані як трасери.

КВ 15.4.3

Поясніть, як працює радіоактивне датування.

С15.4.3

Якщо відома початкова кількість радіоактивного ізотопу, то, виміряючи кількість ізотопу, що залишився, людина може обчислити, скільки років тому об’єкту, оскільки він зайняв ізотоп.

Q15.4.4

Назвіть два ізотопи, які були використані в радіоактивних датуваннях.

Q15.4.5

Поточна швидкість розпаду для вуглецю-14 становить 14,0 Бк. Виявлено, що зразок спаленої деревини, виявлений в археологічних розкопках, має швидкість розпаду вуглецю-14 3,5 Бк. Якщо період напіввиведення вуглецю-14 становить 5,730 у, приблизно скільки років зразку деревини?

С15.4.5

Q15.4.6

Невеликий астероїд врізається на Землю. Після хімічного аналізу встановлено, що він містить 1 г технецію-99 на кожні 3 г рутенію-99, його дочірнього ізотопу. Якщо період напіврозпаду технецію-99 становить 210 000 у, приблизно скільки років астероїду?

Q15.4.7

У чому позитивний аспект опромінення їжі?

С15.4.7

збільшений термін зберігання (відповіді будуть відрізнятися)

Q15.4.8

Що таке негативний аспект опромінення їжі?

Q15.4.9

Опишіть, як йод-131 використовується як для діагностики, так і для лікування проблем зі щитовидною залозою.

С15.4.9

Щитовидна залоза поглинає більшу частину йоду, дозволяючи знімати його для діагностичних цілей або переважно опромінювати для цілей лікування.

КВ 15.4.10

Перерахуйте щонайменше п’ять органів, які можуть бути зображені за допомогою радіоактивних ізотопів.

КВ 15.4.11

Які радіоактивні викиди можуть бути використані терапевтично?

С15.4.11

КВ 15.4,12

Який ізотоп використовується в терапії насамперед для його гамма-випромінювання?

15.5: Атомна енергетика

Q15.5.1

Згідно з рівнянням Ейнштейна, перетворення 1,00 г речовини в енергію генерує скільки енергії?

С15.5.1

Q15.5.2

Скільки речовини потрібно перетворити в енергію, щоб забезпечити 400 кДж енергії, приблизну енергію 1 моль зв’язків С—Н? Який висновок дає це про енергетичні зміни хімічних реакцій?

Q15.5.3

При мимовільному поділі свинця-208 відбувається \[_<>^\textrm\rightarrow \: _< >^\textrm\: +\: _< >^\textrm\: +\: 3_< >^\textrm\] наступна реакція: На кожен моль свинцю 208, який розпадається, втрачається 0,1002 г маси. Скільки енергії віддається на один моль відреагував свинцю-208?

С15.5.3

Q15.5.4

При мимовільному поділі радію-226 відбувається наступна реакція: \[_<>^\textrm\rightarrow \: _< >^\textrm\: +\: _< >^\textrm\: +\: 2_< >^\textrm\] на кожен моль радію-226, який розпадається, втрачається 0,1330 г маси. Скільки енергії віддається на моль реагував радію-226?

Q15.5.5

Перерахуйте кількість енергії з вправи 3 в перерахунку на кількість грамів відреагували свинцю – 208.

С15.5.5

Q15.5.6

Перерахуйте кількість енергії з вправи 4 в перерахунку на кількість відреагував грамів радію-226.

Q15.5.7

Яка енергетична зміна цієї реакції поділу? Маси в грамах передбачені. \[\underset^\textrm>\rightarrow \: \underset^\textrm>\: +\: \underset^\textrm>\: +\: \underset^\textrm>\]

С15.5.7

Q15.5.8

Яка енергетична зміна цієї реакції поділу? Маси в грамах передбачені. \[\underset^\textrm>\rightarrow \: \underset^\textrm>\: +\: \underset^\textrm>\: +\: \underset^\textrm>\]

Q15.5.9

Два більш рідкісні ізотопи водню – дейтерію та тритію – також можуть бути сплавлені для отримання гелію наступною реакцією: \[^H+^H\rightarrow ^\textrm+^n\] У ході цієї реакції втрачається 0,01888 г маси. Скільки енергії віддається в реакції 1 моль дейтерію і тритію?

С15.5.9

Q15.5.10

Вважається, що процес, який називається горінням гелію, відбувається всередині старих зірок, утворюючи вуглець: \[3^He\rightarrow ^C\] Якщо реакція протікає з 0.00781 г маси, втраченої на молярній основі, скільки енергії виділяється?

Q15.5.11

Коротко опишіть, як ядерний реактор виробляє електроенергію.

С15.5.11

Ядерний реактор контролює ядерну реакцію для отримання енергії в придатних кількостях. Вироблена енергія генерує пар, який використовується для повороту турбіни, яка виробляє електроенергію для загального користування.

Q15.5.12

Коротко опишіть різницю між тим, як працює ядерний реактор і як працює ядерна бомба.

Q15.5.13

Що таке ланцюгова реакція?

С15.5.13

процес, який генерує більше шляхів реакції для кожної попередньої реакції

Q15.5,14

Чому уран повинен бути збагачений для постачання ядерної енергії?

Додаткові вправи

Додаткова.1

Враховуючи, що багато елементів є металами, припустити, чому було б небезпечно мати радіоактивні матеріали в контакті з кислотами.

Екстра 1.

Кислоти можуть розчиняти багато металів; пролита кислота може призвести до забруднення.

Доп.2

Багато альфа-випромінюючих радіоактивних речовин відносно безпечні в обробці, але вдихання радіоактивного пилу може бути дуже небезпечним. Чому?

Декстра.3

Уран можна відокремити від дочірнього ізотопу торію шляхом розчинення зразка в кислоті і додавання йодиду натрію, який осаджує йодид торію (III):

Якби 0,567 г Th 3+ були розчинені в розчині, скільки мілілітрів 0,500 M NaI (aq) довелося б додати, щоб осад весь торій?

Секстра 3

Доп.4

Оксид торію можна розчинити в кислому розчині: \[ThO_(s)+4H^\rightarrow Th^(aq)+2H_O(l)\]
Скільки мілілітрів 1,55 М HCl (aq) потрібно для розчинення 10,65 г ThO ₂ ?

Доп.5

Радіоактивний стронцій небезпечний тим, що здатний хімічно замінити кальцій в організмі людини. Кістки особливо схильні до радіаційного ураження. Напишіть ядерне рівняння для бета-емісії стронцію-90.

Сектра 5.

Доп.6

Напишіть ядерне рівняння для бета-емісії йоду-131, ізотопу, який використовується для діагностики та лікування проблем із щитовидною залозою.

Доп.7

Поширеною сполукою урану є гексагідрат уранілнітрату [UO ₂ (NO ₃ ) ₂ ⋅ 6H ₂ O]. Яка формульна маса цієї сполуки?

Секстра. 7

Доп.8

Плутоній утворює три оксиди: PuO, PuO ₂ і Pu ₂ O ₃ . Які формульні маси цих трьох сполук?

Доп.9

Банан містить 600 мг калію, 0,0117% якого становить радіоактивний калій-40. Якщо 1 г калію-40 має активність 2,626 × 10 5 Бк, яка активність банана?

Сектра 9

Доп.10

Детектори диму зазвичай містять близько 0,25 мг америцію-241 як частина механізму виявлення диму. Якщо активність 1 г америцію-241 становить 1,26 × 10 11 Бк, яка активність америцію-241 в детекторі диму?

Доп.11

Гексафторид урану (UF ₆ ) реагує з водою з утворенням фториду урану (UO ₂ F ₂ ) та HF. Збалансуйте наступну реакцію: \[UF_+H_O\rightarrow UO_F_+HF\]

Секстра. 11

Доп.12

Циклопентадієніл-аніон (C _{5 H 5} −) – це органічний іон, який може утворювати іонні сполуки з позитивними іонами радіоактивних елементів, таких як Np 3+ . Збалансуйте наступну реакцію:

Доп.13

Якщо період напіввиведення водню-3 становить 12,3 у, скільки часу потрібно 99,0% зразка водню-3 для розпаду?

Секстра. 13

Доп.14

Якщо період напіввиведення вуглецю-14 становить 5730 у, скільки часу потрібно для розпаду 10,0% зразка вуглецю-14?

Доп.15

Хоча вісмут, як правило, вважається стабільним, його єдиний природний ізотоп, вісмут-209, за оцінками, має період напіврозпаду 1,9 × 10 19 у Якщо Всесвіт, за оцінками, має життя 1,38 × 10 10 y, який відсоток вісмуту-209 розпався протягом життя Всесвіту? (Підказка: Будьте готові використовувати багато десяткових знаків.)

Секстра. 15

Доп.16

Найпоширеніший ізотоп урану (уран-238) має період напіврозпаду 4,5 × 10 9 у Якщо всесвіт, за оцінками, має термін життя 1,38 × 10 10 у, який відсоток урану-238 розпався за час життя Всесвіту?

Доп.17

Зверніться до таблиці 15.4.1 та розділіть джерела радіоактивного опромінення на добровільні та мимовільні джерела. Який відсоток радіоактивного опромінення є мимовільним?

Секстра. 17

Радіоактивні атоми в організмі, земні джерела, космічні джерела воістину мимовільні, що становить близько 27% від загальної кількості. Можна уникнути впливу радону, медичних джерел, споживчих товарів і навіть джерел ядерної енергії.

Доп.18

Посилаючись на таблицю 15.4.1, запропонуйте способи, якими практична людина може мінімізувати вплив радіоактивності.