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イオン



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イオン(ion)
原子は中性であるが、

電子を失うと
  • 正電荷を持つ陽イオン(カチオン) になる
  • たとえば・・・Na+


電子を獲得すると
  • 負電荷をもつ陰イオン(アニオン)になる
  • たとえば・・・Cl-
  • 陽イオン プラスに荷電したものが『陽(cation)イオン』
    原子や分子から電子が奪い取られた結果として生じる
    陰イオン マイナスに荷電したものが『陰(anion)イオン』と呼ばれる
    原子や分子に電子が付加して生じる


なぜイオンになる必要があるのか?
  • 原子が最も安定なのは、最外殻の電子がちょうど満員になっている状態で、元素は何らかの手段でこれに近づこうとする。

  • (希ガス)
  • 希ガスが安定なのは、この条件を満たすから。
    • ネオンNe   2s22p6
    • アルゴンAr  3s23p6

周期表で希ガスのとなりにある列の元素(1列目のアルカリ金属、7A列目のハロゲン)は、とくにイオン化しやすい。


周期表の内側にいくほどイオン化しにくくなる
  • そこで、
  • 生体元素()は「共有結合」という別の手段を使う

イオン結合でできた物質は、
  • 食塩やほかの鉱物のように固い、しかし、強くたたくと粉々になり、水の中では結合力が一気に弱まる。

共有結合では、
  • 安定な価電子数(8)を達成するために、電子の数を増減させる(イオン結合)のではなく、適当な相手を見つけて互いの電子を供出し合うという手段をとる。


2Oの場合
  • H(2s1)は電子が1個不足。
  • O(2s22p4)は電子が2個不足。
  • 電子が共有されているので結合力は強い。

共有結合するのは、主に非金属
  • イオン結合した物質よりも柔らかく、
  • 気体(CO2)や
  • 液体(H2O)の場合もある。



イオン化(ionization)=電離
(イオン化)
=イオンを生成するプロセスのこと。


イオンとは
プラスとマイナスの電荷が等しくない原子または分子のことをさします。
  • 負の電荷は電子、正の電荷は核の中の陽子によってもたらされます。

塩化ナトリウム (NaCl)を例にとると、これは水に溶解するとナトリウムと塩素に別れて2種類のイオン、すなわちNa+とCl-を形成します。これはナトリウムが電子を1個失い、塩素が電子を1個獲得するために起こります


なぜこのような現象が起こるのでしょうか。
  • それはナトリウム原子は一番外側の電子軌道に電子を1個しか持っていないのですが、それを失うとナトリウム原子はとても安定化するのです。同様に塩素原子は電子の最外軌道に電子を7個持っていますが、電子を1個獲得すればその軌道が8個の電子で満たされてとても安定化します。

このように普通のイオン生成には決まった電子のやり取りがかかわっています。

  • 放射線被ばく後、放射線エネルギーはそれを吸収する物質の中に放出され、それにより励起(原子中の電子を軌道の高いレベルに押し上げる)または電離(原子から電子を放出させる)が生じます。
  • 上に述べた通常のイオン生成とは対照的に、放射線はでたらめにいろいろな電子を原子から失わせるため、遊離基(ラジカル)と呼ばれる極度に不安定なイオンを生成します。
  • 遊離基の多くは近隣の原子または分子とほとんど瞬時に反応します(1秒の1000分の1以下)。


人体の70% は水分で構成されています。
  • 放射線はH2Oを分解し、遺伝情報を持つDNAなど種々の生体分子に対して極めて攻撃性の高いことで知られる遊離基OHを生成します
  • 放射線はまた、直接DNAに作用して遊離基を生成しDNA鎖を切断することもできます


ガンマ線や中性子など放射線の種類によって、電離の空間分布は異なります。

ガンマ線照射は細胞内において均一に電離をもたらします

中性子照射は一部に集中的に電離を引き起こし、細胞により深刻な傷害をもたらすと考えられます

(パターン)

@ある種の化合物は、溶液内でイオンに分かれます


酸は水に溶かすと、水素イオンと陰イオンに分かれます。
      HX→H+X-


酸が水素イオンを生じる反応
      H2SO→2H+SO2-


溶液の中でのイオン化の推進力となるのは、生成するイオンの溶媒和です。
例えば
は水和してH3(ヒドロニウムイオンorオキソニウムイオン)となる



A電子の放出でイオンが生じる



金属ナトリウムと塩素との反応では、
ナトリウムの価電子が塩素へと移動し、その結果塩素ナトリウムが出来る。ここで生じるのはイオンの集合体であるNaCl-です



電離性放射線の作用でもイオンは生成する。
だから、加速粒子やフォトンなどが、分子を破壊したり、電子を原子から奪い取るほどのエネルギーを持ったものを用いると、イオンが生じます。
      A→A+e-



B電子の獲得でイオンが生じます
  • A+e-→A-


からだの中の電気信号
脳の信号はすべて「電気」が担当している。
電気といっても、この実態は「イオン」だ。


(電流)
  • 細胞膜にあるタンパク質を「チャネル」といい、チャネルは細胞の膜を貫通する穴、いわば「筒」みたいな構造をしている。
  • その筒には開閉ドアがついている。
    ドアが開くと、筒の中をイオンが通る。
  • だから電流が生まれる。
  • チャネルが開いたり閉じたりすることによって、イオンの流れという電気信号が生まれる。

  • チャネル(細胞膜の穴)にはいろいろな種類があるが、一般に、チャネルはある特定のイオンしか通さない。
    • チャネル

チャネルは細胞膜上にタンパク質が集まってできている


熱さを感じるチャネルはトウガラシのカプサイシン(辛み成分)から見つかった

冷たさを感じるチャネルはミントの成分であるメントールから見つかった。

しかも熱いチャネルと冷たいチャネルは似通った構造をしていた。
アミノ酸の配列がそっくりだった




細胞膜を出入りするイオン
水分子がサポート

2012年、自然科学研究機構・分子科学研究所の古谷祐詞准教授らは、細胞がエネルギーを生み出したり電気信号を出したりする仕組みの一端を解明した。


細胞膜をイオンが通過するのをが手助けしていた。
  • 細胞は脂質の膜に包まれている。

エネルギー源などになるイオンは、膜を通過するタンパク質を利用し、細胞から出たり入ったりしている
  • この運搬役のタンパク質の周辺や内部には水分子があるが、詳しい働きは不明だった
  • 研究チームはタンパク質が働く際の水分子をとらえた

イオンは0.01〜0.1秒間隔で膜の内外を出入りしている
  • 実験では赤外線を使い10マイクロ秒間隔で水分子の動きを測定
  • イオンの動きと連動して水分子がイオンと結合したり離れたりしていた
  • 北海道大学、名古屋大学との共同研究




◎金属のイオン化傾向

単体の金属原子が、
水または水溶液中で陽イオン(水和イオン)になる性質。


◎金属のイオン化列・・・
いろいろな金属について、イオン化傾向の大きなものから順に並べたもの。

Ka>Ca>Na>Mg>Al>Zn>Fe>Ni
Sn>Pb>(H)>Cu>Ag>Pt>Au





=イオン性液体(Ionic Liquids)
イオン液体は液体でありながら、食塩のように陽イオンと陰イオンだけで出来ている不思議な液体。




陽イオン
光が当たると陽イオンを細胞内に取り込む仕組み


  • 2012年、東京大学の濡木理教授らのチームは、緑藻の一種「クラミドモナス」を使い解明した
  • 成果は1/23日付けのネイチャー(電子版)に掲載

解明したのは細胞膜にあるチャネルロドプシンと呼ばれる色素。
陽イオンの通路で、イオンの出し入れを通じて細胞を興奮させるなどしている。成体にとって欠かせない物質。
  • 青い光の刺激を受けると陽イオンが流入することは知られていたが、立体構造をとらえたのは今回が初めて
  • 特殊な結晶化技術とSPring-8の解析技術を用いて調べた。
  • タンパク質の一部の構造が光刺激で変化し、イオンが細胞内に流れ込むことを確認。光刺激でイオンの流入を調整できるという



イオン   単位(mEq/L
血漿
(細胞外液)
間質液
(細胞外液)
細胞内液
Na(ナトリウムイオン) 142 145 10
(カリウムイオン) 4 4 140
Ca2+(カルシウムイオン) 5 3 0.2
Mg2+(マグネシウムイオン) 2 2 35
CI(塩素イオン) 100 117 3
HCO(炭酸水素イオン) 24 27 15
HPO2ー(リン酸イオン) 2 2 100
SO2ー (硫酸イオン) 1 1 20
タンパク陰イオン 20 2 50



血清中のイオン・・・・単位(mEq/L
陽イオン 陰イオン
Na
(ナトリウムイオン)
142 CI
(塩素イオン)
103

(カリウムイオン)
5 HCO
(炭酸水素イオン)
26
Ca2+
(カルシウムイオン)
5 タンパク 16
Mg2+
(マグネシウムイオン)
2 有機酸 6
合計 154 HPO2ー
(リン酸イオン)
2
◎ mEq(ミリ当量):
電解質の量を表示する単位。
  1/1000当量のこと。


◎ 1 mEqのNa
=1原子量/原子価=23/1
=23mgのNaのこと。
SO2ー
(硫酸イオン)
1
合計 154






電子
エネルギー
電解質
イオン反応
イオン性液体
体液






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