Химическая связь вода: Водородные связи между молекулами воды (статья)

Химическая связь — основные виды, типы и характеристики

Химическая связь и строение вещества

Все системы стремятся к равновесию и к уменьшению свободной энергии — так гласит один из постулатов химической термодинамики. Атомы, взаимодействующие в молекуле вещества, тоже подчиняются этому закону. Они стремятся образовать устойчивую конфигурацию — 8-электронную или 2-электронную внешнюю оболочку. Этот процесс взаимодействия называется химической связью, благодаря ему получаются молекулы и молекулярные соединения.

Как понятно из определения химической связи, при взаимодействии двух атомов один из них может притянуть к себе внешние электроны другого. Эта способность называется электроотрицательностью (ЭО). Атом с более высокой электроотрицательностью (ЭО) при образовании химической связи с другим атомом может вызвать смещение к себе общей электронной пары.

Важно!

Существует несколько систем измерения ЭО, но пользоваться для расчетов можно любой из них. Для образования химической связи важно не конкретное значение ЭО, а разница между этими показателями у двух атомов.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Механизм образования химической ковалентной связи

Существует два механизма взаимодействия атомов:

• обменный — предполагает выделение по одному внешнему электрону от каждого атома и соединение их в общую пару;

• донорно-акцепторный — происходит, когда один атом (донор) выделяет два электрона, а второй атом (акцептор) принимает их на свою свободную орбиталь.

Независимо от механизма химическая связь между атомами сопровождается выделением энергии. Чем выше ЭО атомов, т. е. их способность притягивать электроны, тем сильнее и этот энергетический всплеск.

Также на прочность влияют следующие показатели:

• Длина связи — расстояние между ядрами атомов. С уменьшением этого расстояния растет энергия связи и увеличивается ее прочность.

• Кратность связи — количество электронных пар, появившихся при взаимодействии атомов. Чем больше это число, тем выше энергия и, соответственно, прочность связи.

На примере химической связи в молекуле водорода посмотрим, как меняется энергия системы при сокращении расстояния между ядрами атомов. По мере сближения ядер электронные орбитали этих атомов начинают перекрывать друг друга, в итоге появляется общая молекулярная орбиталь. Неспаренные электроны через области перекрывания смещаются от одного атома в сторону другого, возникают общие электронные пары. Все это сопровождается нарастающим выделением энергии. Сближение происходит до тех пор, пока силу притяжения не компенсирует сила отталкивания одноименных зарядов.

Основные типы химических связей

Различают четыре вида связей в химии: ковалентную, ионную, металлическую и водородную. Но в чистом виде они встречаются редко, обычно имеет место наложение нескольких типов химических связей. Например, в молекуле фосфата аммония (NH₄)₃PO₄присутствует одновременно ионная связь между ионами и ковалентная связь внутри ионов.

Также отметим, что при образовании кристалла от типа связи между частицами зависит, какой будет кристаллическая решетка. Влияя на тип кристаллической решетки, химическая связь определяет и физические свойства вещества: твердость, летучесть, температуру плавления и т. д.

Основные характеристики химической связи:

• насыщенность — ограничение по количеству образуемых связей из-за конечного числа неспаренных электронов;

• полярность — неравномерная электронная плотность между атомами и смещение общей пары электронов к одному из них;

• направленность — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг к другу.

Ковалентная связь

Как уже говорилось выше, этот тип связи имеет два механизма образования: обменный и донорно-акцепторный. При обменном механизме объединяются в пару свободные электроны двух атомов, а при донорно-акцепторном — пара электронов одного из атомов смещается к другому на его свободную орбиталь.

Как вы помните, сила притяжения электронов определяется электроотрицательностью атома. Если у двух атомов она одинакова, между ними будет неполярная связь, а если один из атомов имеет большую ЭО — к нему сместится общая электронная пара и получится полярная химическая связь.

Важно!

В зависимости от того, сколько получилось электронных пар, химические связи могут быть одинарными, двойными или тройными.

Ковалентная неполярная связь образуется в молекулах простых веществ, неметаллов с одинаковой ЭО: Cl₂, O₂, N₂, F₂ и других.

Посмотрим на схему образования этой химической связи. У атомов водорода есть по одному внешнему электрону, которые и образуют общую пару.

Ковалентная полярная связь характерна для неметаллов с разным уровнем ЭО: HCl, NH₃,HBr, H₂O, H₂S и других.

Посмотрим схему такой связи в молекуле хлороводорода. У водорода имеется один свободный электрон, а у хлора — семь. Таким образом, всего есть два неспаренных электрона, которые соединяются в общую пару. Поскольку в данном случае ЭО выше у хлора, эта пара смещается к нему.

Другой пример — молекула сероводорода H₂S. В данном случае мы видим, что каждый атом водорода имеет по одной химической связи, в то время как атом серы — две. Количество связей определяет валентность атома в конкретном соединении, поэтому валентность серы в сероводороде — II.

Характеристики ковалентной связи:

• насыщена,
• направлена,
• имеет полярность.

Ионная связь

Как понятно из названия, данный тип связи основан на взаимном притяжении ионов с противоположными зарядами. Он возможен между веществами с большой разницей ЭО — металлом и неметаллом. Механизм таков: один из атомов отдает свои электроны другому атому и заряжается положительно. Второй атом принимает электроны на свободную орбиталь и получает отрицательный заряд. В результате этого процесса образуются ионы.

Разноименно заряженные ионы стремятся друг к другу за счет кулоновского притяжения, которое одинаково направлено во все стороны. Благодаря этому притяжению образуются ионные кристаллы, в решетке которых заряды ионов чередуются. У каждого иона есть определенное количество ближайших соседей — оно называется координационным числом.

Обычно ионная связь появляется между атомами металла и неметалла в таких соединениях, как NaF, CaCl2, BaO, NaCl, MgF2, RbI и других. Ниже схема ионной связи в молекуле хлорида натрия.

Важно!

Все соли образованы с помощью ионных связей, поэтому в задачах, где нужно определить тип химической связи в веществах, в качестве подсказки можно использовать таблицу растворимости.

Характеристики ионной связи:

Ковалентная и ионная связь в целом похожи, и одну из них можно рассматривать, как крайнее выражение другой. Но все же между ними есть существенная разница. Сравним эти виды химических связей в таблице.

Металлическая связь

Отличительная особенность металлов в том, что их атомы имеют достаточно большие радиусы и легко отдают свои внешние электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). В итоге получается кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы, а вокруг беспорядочно перемещаются электроны проводимости, образуя «электронное облако» или «электронный газ».

Свободные электроны мигрируют от одного иона к другому, временно соединяясь с ними и снова отрываясь в свободное плавание. Этот механизм по своей природе имеет сходство с ковалентной связью, но взаимодействие происходит не между отдельными атомами, а в веществе.

Наличие такого «электронного облака», которое может прийти в направленное движение, обусловливает электропроводность металлов. Другие их качества — пластичность и ковкость, объясняются тем, что ионы в кристаллической решетке легко смещаются. Поэтому металл при ударном воздействии способен растягиваться, но не разрушаться.

Характеристики металлической связи:

Металлическая связь присуща как простым веществам — таким как Na, Ba, Ag, Cu, так и сложным сплавам — например, AlCr₂, CuAl₁₁Fe₄, Ca₂Cu и другим.

Схема металлической связи:

M — металл,

n — число свободных внешних электронов.

К примеру, у железа в чистом виде на внешнем уровне есть два электрона, поэтому его схема металлической связи выглядит так:

Обобщим все полученные знания. Таблица ниже описывает кратко химические связи и строение вещества.

Элементы жизни. Вода — Индикатор

Из чего состоят живые тела и при чем тут углерод? Что такое генетический код, кто такие вирусы, как устроено эволюционное древо и почему произошел кембрийский взрыв? Книга Сергея Ястребова «От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни», вышедшая в издательстве «Альпина нон-фикшн», дает актуальные ответы на эти и многие другие вопросы. Indicator.Ru публикует главу из этой книги.

Что такое вода?

Вода — одно из самых распространенных веществ на планете Земля. Она покрывает две трети земной поверхности,и ее очень много в живых организмах — гораздо больше, чем любого другого вещества. Подавляющее большинство биохимических реакций, то есть превращений жизненно важных молекул друг в друга, идет в растворах, где вода является растворителем. Воды много и в космосе — например, в кометах, в недрах Урана и Нептуна или в межзвездных туманностях. В целом можно сказать, что вода — это одно из самых распространенных веществ не только на Земле, но и вообще во Вселенной. Иное дело, что далеко не на всех планетах она встречается в жидком виде (Земля — единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой есть постоянно существующие водоемы). Так или иначе, неудивительно, что именно вода послужила средой для всем нам знакомой жизни.

Что же такое вода с точки зрения химии? Это весьма простая молекула, состоящая всего лишь из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Соответственно, химическая формула воды — H₂O. Каждый атом водорода соединен с атомом кислорода одной ковалентной связью, в полном соответствии с валентностью кислорода, которая (как мы помним) равна двум. Формулу воды можно записать и так: H–O–H. Это эквивалентно формуле, которую обычно приводят в книгах.

Многие свойства воды объясняются тем, что ее молекулы исключительно хорошо «слипаются» друг с другом. Например, на поверхности водоема они образуют пленку, по которой клопы-водомерки, отнюдь не микроскопические существа, бегают как посуху. Другие особенности воды как вещества — прекрасная теплопроводность и высокая температура кипения (на испарение литра воды надо потратить больше энергии, чем на испарение того же объема чуть ли не любой другой жидкости). Чтобы понять, почему вода именно такова, надо присмотреться к ее молекулам повнимательнее.

Водородная связь

Начнем вот с чего. В общей химии часто встречается понятие «электроотрицательность», введенное когда-то Лайнусом Полингом. Электроотрицательность — это сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Самый электроотрицательный элемент — фтор (F), а сразу за ним на
шкале электроотрицательности следует кислород (O). Иначе говоря, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора, который в живой природе встречается очень редко. Запомним этот факт, он нам пригодится.

Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующая ее пара электронов никуда не смещается. Грубо говоря, эти электроны располагаются между атомами точно посредине. Такая ковалентная связь называется неполярной. Само собой разумеется, что любая ковалентная связь между одинаковыми атомами будет неполярна (например, связь в молекуле водорода H–H или углерод-углеродная связь C–C).

Если же ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого электроотрицательность выше. Такая связь называется полярной (см. рис. 1 и 2). При очень большой разнице в электроотрицательности связь может даже превратиться в ионную — это случится, если один атом полностью «отберет» общую пару электронов у другого. В молекулах, из которых состоят живые существа, ионные связи встречаются относительно редко, зато ковалентные полярные — очень часто. Например, это широко распространенные в органических веществах связи C–O и H–O.

Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — это типичная ковалентная полярная связь. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на атоме кислорода образуется маленький отрицательный заряд, а на атомах водорода — маленькие положительные заряды. На графических формулах эти маленькие заряды, величина которых значительно меньше единицы, принято обозначать буквой «дельта» с добавлением соответствующего знака. Как мы теперь знаем, связи кислорода с водородом или углеродом вообще всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде.

А вот связь между углеродом и водородом (C–H) считается неполярной, хоть атомы и разные. И это тоже очень важно. Между атомами углерода и водорода разница в электроотрицательности настолько мала, что смещение электронов там незаметно. Например, молекулы углеводородов, состоящие только из атомов C и H, в силу этого полностью неполярны, никаких частичных зарядов, которые хоть на что-то влияли бы, в них нет.

Теперь вспомним, что положительные и отрицательные электрические заряды, согласно закону Кулона, притягиваются друг к другу. Например, частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул воды. В результате между водородом и кислородом возникают нековалентные связи, основанные на электростатическом притяжении, — они называются водородными.

Это очень слабые связи, в жидкой воде они легко образуются и так же легко рвутся при движениях молекул. Но, несмотря на то, что водородные связи гораздо слабее ковалентных, они дают сильный эффект, если их много.

А в воде их очень много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды исключительно высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Большинство особенностей воды так или иначе связано с тем, что ее молекулы очень хорошо образуют водородные связи.

«Водородная связь чем-то напоминает любовь втроем», — писал в своем известном университетском учебнике американский биохимик Люберт Страйер. Он имел в виду, что в водородной связи атом водорода связан сразу с двумя атомами кислорода: с одним ковалентно (и прочно), а с другим электростатически (и слабо). Чтобы образовать водородную связь, атом водорода обязательно должен уже состоять в ковалентной связи с другим атомом, причем значительно отличающимся от него по электроотрицательности.

Водородные связи важны не только с точки зрения свойств воды. Они много где встречаются. Например, в главе 9 мы увидим, что без водородных связей невозможно представить себе структуру молекулы ДНК, от которой зависит хранение наследственной информации.

Любовь и ненависть воды

Любое вещество, растворенное в воде, так или иначе взаимодействует с ней, и способ этого взаимодействия зависит прежде всего от электрических свойств молекул. Например, если растворить в воде поваренную соль (NaCl), она распадется на положительно заряженные ионы натрия (Na⁺) и отрицательно заряженные ионы хлора (Cl^–). При этом к ионам натрия молекулы воды «прилипнут» своими атомами кислорода (несущими маленький отрицательный заряд δ–), а к ионам хлора — атомами водорода (несущими маленький положительный заряд δ+). В результате и те и другие ионы получат оболочку, состоящую из молекул воды (см. рис. 3). Образование таких оболочек называется гидратацией. Ионы натрия и хлора находятся в воде в гидратированном состоянии. Гидратация — процесс, сопутствующий растворению в воде любого вещества (если оно вообще в ней растворимо, конечно).

Молекулы, в которых много ковалентных полярных связей, тоже прекрасно взаимодействуют с водой — в первую очередь потому, что образуют с ней водородные связи, «цепляясь» за молекулы воды своими частичными зарядами. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными («любящими воду»). К гидрофильным веществам относятся, например, спирты и углеводы. Каждый знает, что столовый сахар (а это типичный углевод) растворяется в воде очень хорошо. То же самое можно сказать и о спиртах, например об этиловом спирте — основе алкогольных напитков. Именно растворам спирта в воде была посвящена знаменитая диссертация Дмитрия Ивановича Менделеева.

Правда, рецепта водки Менделеев, вопреки распространенной легенде, не разрабатывал. Его интересовало происходящее при растворении взаимодействие молекул спирта и воды — тот самый процесс, который мы только что назвали гидратацией.

Менделеев убедительно показал, что растворение — это не физическое явление (простое смешивание), а химическое (включающее образование новых межмолекулярных связей). Тогда получается, что раствор — это, по сути, новое вещество.

Как правило, любое наугад взятое органическое соединение будет растворяться в воде тем лучше, чем больше в нем атомов кислорода. Это понятно: именно вокруг атомов кислорода обычно образуются водородные связи. Например, молекула глюкозы (C₆H₁₂O₆, шесть атомов кислорода!) в этом отношении просто идеальна. Как раз поэтому сахара, и глюкозу в том числе, очень удобно использовать в роли быстро усваивающихся питательных веществ.

Молекулы, в которых все связи неполярные, взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Вещества, состоящие из таких молекул, плохо растворяются в воде и называются гидрофобными («боящимися воды»). Типичные гидрофобные соединения — углеводороды. Как мы знаем, они по определению состоят только из углерода и водорода, связи между которыми неполярны. Если бросить в воду парафин (смесь твердых углеводородов, из которой делают свечи), он и не подумает там растворяться — ни при каких условиях.

А если налить в воду бензин (смесь жидких углеводородов, которая служит моторным топливом), то он, скорее всего, отслоится от нее, образовав четкую поверхность раздела. Вода как бы «выталкивает» эти вещества.

Если в формуле органического соединения есть кислород, то оно, скорее всего, гидрофильное, разве что там присутствует какая-нибудь совсем уж огромная углеводородная цепочка.

Гидрофильными бывают и некоторые бескислородные органические вещества — например, амины. В биохимии значение различий между гидрофильными и гидрофобными веществами без преувеличения грандиозно. Многие детали устройства клеток без учета этих различий просто невозможно понять. А все потому, что земная жизнь — водная.

Талассогены

А могут ли подойти для жизни какие-нибудь другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, углекислота (ее формула O=C=O, или просто CO₂) знакома людям прежде всего в виде углекислого газа, который мы выдыхаем, но она может и замерзать, образуя так называемый сухой лед. Проблема в том, что при нагревании в условиях, характерных для Земли, сухой лед сразу испаряется в газ, минуя жидкую фазу. Потому мы и не видим в быту жидкой углекислоты. Однако при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, углекислота может становиться жидкостью. И тогда она представляет собой хороший гидрофильный растворитель, аналогичный по свойствам воде (и легко смешивающийся с ней), в котором успешно идут многие биохимические реакции.

В этом растворителе могут жить даже земные микробы. Например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море исследователи-океанологи нашли целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии.

Некоторые исследователи считают, что океаны жидкой углекислоты могут существовать на так называемых суперземлях — планетах с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли. Суперземли — довольно многочисленная категория экзопланет, и возможность жизни на них сейчас активно обсуждается.

Другой перспективный кандидат на роль вмещающей среды для жизни — аммиак (NH₃). Это гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом (их разница в электроотрицательности для этого вполне достаточна, см. рис. 2). Неудивительно, что по своим физико-химическим свойствам аммиак напоминает воду. На более холодных планетах, чем Земля, он находится в жидком состоянии и вполне может быть основой жизни. Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами. Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть серьезные сомнения (см. главу 1), то углеродную жизнь, использующую не воду, а какой-нибудь другой растворитель, представить себе гораздо легче. Никакие фундаментальные законы не запрещают ей существовать.

Просто так уж сложилось, что на нашей планете из всех растворителей преобладает вода, ну а от добра добра не ищут, и земной жизни осталось лишь развиваться в этих относительно благоприятных условиях.

Еще один гидрофильный растворитель, в котором теоретически допускают возможность жизни, — метиловый спирт, или метанол (CH₃OH). Для человека это страшный яд, но тут все зависит от настройки биохимических систем. Вообще-то никакие законы природы не мешают «сконструировать» живой организм, для которого метанол будет совершенно безобиден, а то и полезен. Метанол — одно из самых простых органических веществ, и неудивительно, что образуется он очень легко. Его много в космосе, причем не только на планетах, но и в межзвездных газопылевых облаках. Некоторые ученые осмеливаются предполагать, что именно синтез метанола был ключевым химическим звеном на пути к возникновению земной жизни. Метанол очень гидрофилен и прекрасно образует водородные связи, примерно такие же, как в воде. Собственно, это и делает его хорошим гидрофильным растворителем. Как и аммиак, метанол замерзает при гораздо более низкой температуре, чем вода, и в принципе может быть средой для жизни на более холодных планетах, чем Земля. В Солнечной системе метанола хватает, например на Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна.

Наконец, еще один кандидат на роль подходящего для жизни гидрофильного растворителя — сероводород, соединение водорода и серы с формулой H₂S (она же H–S–H). Молекула сероводорода очень похожа на молекулу воды. Правда, водородные связи она образует несколько хуже. В Солнечной системе сероводорода много на Ио — спутнике Юпитера, который отличается невероятной геологической активностью. Поверхность Ио покрыта вулканами, выбрасывающими фонтаны лавы, а состоит эта лава в основном из разнообразных соединений серы, которые текут и застывают, ибо в системе Юпитера очень холодно. Ио — это настоящий «мир льда и пламени».

Если бы на Ио была жизнь, она вполне могла бы быть основана на сероводороде, точно так же, как земная жизнь — на воде.

А может ли среда для жизни оказаться не гидрофильной, а гидрофобной? Исключить такое в принципе нельзя. Например, на крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH₄), этана (C₂H₆) и пропана (C₃H₈). Это настоящий гидрофобный растворитель, в котором некоторые ученые допускают существование жизни, хотя прямых подтверждений этому пока что нет. Жидкой воды на поверхности Титана не бывает, там слишком холодно.

В целом, однако, сейчас кажется более вероятным, что главный растворитель для внеземной жизни окажется гидрофильным (но не обязательно водой). Во-первых, гидрофильных растворителей в природе просто больше. А во-вторых, все известные биохимические механизмы слишком уж сильно «заточены» под гидрофильную среду. Биохимию на гидрофобной основе вообразить гораздо труднее.

Из совсем уж экзотических альтернатив воде можно назвать, к примеру, фтороводород (HF, «аш-фтор»). Водный раствор фтороводорода — очень агрессивное вещество, которое называется плавиковой кислотой (в сериале «Во все тяжкие», главный герой которого — химик, ставший преступником, этой кислотой растворяют трупы). Однако многие органические молекулы, например углеводороды, в ней совершенно стабильны. К тому же фтороводород прекрасно образует водородные связи, а это, как мы уже знаем, очень важное для растворителя свойство. Возможность фтороводородной жизни допускали некоторые ученые, например астроном Карл Саган. А в фантастической повести Ивана Ефремова «Сердце
Змеи» описана планета с фтороводородным океаном и дышащими фтором разумными жителями, с которыми земляне вступают в контакт. «Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…»

Великий популяризатор науки Айзек Азимов — кстати говоря, биохимик по научной специальности — не раз задумывался над тем, из каких веществ могли бы образоваться океаны на других планетах. Он назвал такие вещества термином «талассогены», что буквально значит «производящие море». По определению Азимова, талассоген — это вещество, способное сформировать планетарный океан. В замечательной книге «Асимметрия жизни» Азимов подробно разбирает проблему океанов, приходя к выводу, что самые вероятные талассогены — это вода, аммиак и метан. При этом для планет, расположенных примерно на таком расстоянии от звезд, как Земля, вода имеет преимущество, потому что она остается жидкой при более высокой температуре. «Вы можете представить метановые океаны на такой планете, как Нептун, или аммиачные океаны на планете типа Юпитера, однако вода, и только вода может создать океан на внутренней планете вроде Земли». Это выглядит логичным, но тут есть по меньшей мере один важный нюанс. Азимов писал эту книгу больше 40 лет назад, когда о планетах других звездных систем не было известно совершенно ничего. Не было даже уверенности, что они вообще существуют. А сейчас астрономам известны тысячи экзопланет, и уже ясно, что, мягко говоря, далеко не все звездные системы похожи на Солнечную. Сочетания условий там могут быть совершенно другими. Поэтому от расширения списка возможных вариантов вреда, скорее всего, не будет.

Возвращаясь к земной (а вернее, водной) биохимии, будем иметь в виду, что она не единственная теоретически возможная. Изучая природу, всегда полезно помнить любимую мысль Станислава Лема: «Среди звезд нас ждет Неизвестное».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.

Типы ковалентных связей: полярные и неполярные

Электроны распределяются по-разному в ионных и ковалентных связях. Ковалентные связи могут быть неполярными или полярными и реагировать на электростатические заряды.

Ионные связи , как и в поваренной соли (NaCl), обусловлены электростатическими силами притяжения между их положительно (Na+) и отрицательно заряженными (Cl-) ионами. Во втором блоке мы сравнили атомы со щенками, а электроны с костями в нашей аналогии того, как работает связь. При ионной связи каждый щенок начинает с электронной кости, но один щенок действует как вор и крадет кость другого щенка (см. рис. 3-1а). Теперь у одного щенка две электронные кости, а у другого щенка нет ни одной. Поскольку электронные кости в нашей аналогии имеют отрицательный заряд, щенок-вор становится отрицательно заряженным из-за дополнительной кости. Щенок, потерявший свою электронную кость, становится положительно заряженным. Поскольку щенок, потерявший кость, имеет заряд, противоположный заряду щенка-вора, щенки удерживаются вместе электростатическими силами, точно так же, как ионы натрия и хлорида!

В ковалентных связях , таких как газообразный хлор (Cl2), оба атома разделяют и крепко удерживают электроны друг друга. В нашей аналогии каждый щенок снова начинает с электронной кости. Однако вместо того, чтобы один щенок воровал кость другого, оба щенка держатся за обе кости (см. рис. 3-1b).

Некоторые ковалентно связанные молекулы, такие как газообразный хлор (Cl2), поровну делят свои электроны (как два одинаково сильных щенка, каждый из которых держит обе кости). Другие ковалентно связанные молекулы, такие как газообразный фтористый водород (HF), не делят электроны поровну. Атом фтора действует как немного более сильный щенок, который немного сильнее притягивает общие электроны (см. рис. 3-1c). Несмотря на то, что электроны во фтористом водороде являются общими, фтористая сторона молекулы воды сильнее притягивает отрицательно заряженные общие электроны и становится отрицательно заряженной. Атом водорода имеет небольшой положительный заряд, потому что он не может так крепко держаться за отрицательные электронные кости. Ковалентные молекулы с таким типом неравномерного распределения заряда полярный . Молекулы с полярными ковалентными связями имеют положительную и отрицательную стороны.

Рис. 3-1: Связывание по аналогии со щенком. В этой аналогии каждый щенок представляет собой атом, а каждая кость представляет собой электрон.

Вода представляет собой полярную ковалентную молекулу

Вода (h3O), как и фтористый водород (HF), представляет собой полярную ковалентную молекулу. Когда вы посмотрите на диаграмму воды (см. рис. 3-2), вы увидите, что два атома водорода неравномерно распределены вокруг атома кислорода. Неравное распределение электронов между атомами и несимметричная форма молекулы означают, что молекула воды имеет два полюсов — положительный заряд на полюсе водорода (сбоку) и отрицательный заряд на полюсе кислорода (сбоку). Мы говорим, что молекула воды электрически полярна.

Рис. 3-2: Различные способы представления полярного распределения электронов в молекуле воды. На каждой диаграмме показана несимметричная форма молекулы воды. На (а) и (б) полярные ковалентные связи показаны линиями. В части (c) полярные ковалентные связи показаны в виде электронных точек, общих для атомов кислорода и водорода. В части (d) на диаграмме показаны относительные размеры атомов, а связи представлены касанием атомов.

Активность

Полярная ковалентная связь водорода и кислорода в воде приводит к интересному поведению. двигаться, чтобы они могли ориентироваться в присутствии электростатической силы. (см. рис. 3-4).

Эти силы можно наблюдать на следующем видео:

Хотя мы не можем видеть отдельные молекулы, из наших наблюдений мы можем сделать вывод, что при наличии отрицательного заряда молекулы воды поворачиваются так, что их положительные водородные полюса обращены к отрицательно заряженному объекту. То же самое было бы верно в присутствии положительно заряженного объекта; молекулы воды поворачиваются так, что отрицательные полюса кислорода обращены к положительному объекту. См. рис. 3-5 для интерпретации художника.

Симметрия и асимметрия

Помните, что в полярной молекуле притяжение одного атома сильнее, чем притяжение другого. Полярные ковалентные молекулы существуют всякий раз, когда существует асимметрия или неравномерное распределение электронов в молекуле. Один или несколько из этих асимметричных атомов притягивают электроны сильнее, чем другие атомы. Например, полярное соединение метиловый спирт имеет отрицательный полюс, состоящий из углерода и водорода, и положительный полюс, состоящий из кислорода и водорода (см. рис. 3-6).

Когда молекулы симметричны , атомы одинаково притягивают электроны и распределение заряда однородно. Симметричные молекулы неполярны. Поскольку неполярные молекулы распределяют свои заряды поровну, они не реагируют на электростатические заряды, как вода. Ковалентные молекулы, состоящие только из атомов одного типа, такие как газообразный водород (h3), неполярны, потому что атомы водорода делят свои электроны поровну. Молекулы, состоящие из более чем одного типа ковалентно связанных атомов неметаллов, такие как углекислый газ (CO2), остаются неполярными, если они симметричны или если их атомы имеют относительно одинаковое притяжение. Даже крупные соединения, подобные гексановому бензину (C6h24), являются симметричными и неполярными. Электростатические заряды, по-видимому, не оказывают сильного влияния на неполярные соединения. См. рис. 3-6 для примеров полярных и неполярных молекул.

Набор вопросов

Химические связи – Биология MHCC 112: биология для медицинских работников

Перейти к содержимому

Атомы могут образовывать несколько типов химических связей. Эти связи представляют собой взаимодействия между двумя атомами, которые удерживают атомы вместе. Важно понимать различные типы связей, потому что они помогают определить, как различные молекулы функционируют в организме. Существует четыре типа связей или взаимодействий: ковалентные, ионные, водородные связи и взаимодействия Ван-дер-Ваальса.

Ковалентные связи

Другим типом сильной химической связи между двумя или более атомами является ковалентная связь . Эти связи образуются, когда электрон делится между двумя элементами. Ковалентные связи являются самой прочной (*см. примечание ниже) и наиболее распространенной формой химической связи в живых организмах.

Атомы водорода и кислорода, которые объединяются, образуя молекулы воды, связаны прочными ковалентными связями. Электрон от атома водорода делит свое время между атомом водорода и атомом кислорода. Чтобы атом кислорода был стабильным, необходимы два электрона от двух атомов водорода, отсюда индекс «2» в H ₂ O. H ₂ O означает, что 2 атома водорода связаны с 1 атомом кислорода (1 подразумевается под O в химической формуле). Это совместное использование делает атомы водорода и кислорода более химически стабильными.

Ковалентные связи бывают двух типов: полярные и неполярные (рис. 3). Неполярные ковалентные связи образуются между двумя атомами, которые делят электроны поровну, поэтому на молекуле нет общего заряда. Например, атом кислорода может быть связан с другим атомом кислорода. Эта ассоциация неполярный , потому что электроны будут поровну распределены между каждым атомом кислорода. Другой пример неполярной ковалентной связи находится в молекуле метана (CH ₄ ). Атом углерода делит электроны с четырьмя атомами водорода. Атомы углерода и водорода делят электроны поровну, образуя четыре неполярные ковалентные связи (рис. 3).

В полярной ковалентной связи электроны, общие для атомов, проводят больше времени ближе к одному атому, чем к другому. Из-за неравномерного распределения электронов между атомами возникает слабоположительный (δ+) или слабоотрицательный (δ–) заряд. Ковалентные связи между атомами водорода и кислорода в воде являются полярными ковалентными связями. Общие электроны проводят больше времени рядом с кислородом, чем рядом с водородом. Это означает, что кислород имеет небольшой отрицательный заряд, а водород имеет небольшой положительный заряд.

Рисунок 3 Молекула воды (слева) изображает полярную связь со слегка положительным зарядом атомов водорода и слегка отрицательным зарядом кислорода. Примеры неполярных связей включают метан (в центре) и кислород (справа).

*НО ПОДОЖДИТЕ! Из химии я узнал, что ионные связи прочнее ковалентных! Что с этим делать?

Оказывается, химики и биологи измеряют прочность связи по-разному. Химики измеряют абсолютную прочность связи (что-то вроде теоретической прочности). При таком измерении ионные связи очень прочны. Биологов больше интересует, как ведет себя связь в биологической системе, которая обычно является водной (на водной основе). В воде ионные связи разрываются гораздо легче, чем ковалентные, поэтому биологи сказали бы, что они слабее.

Так какой же правильный ответ? Зависит от того, учишься ли ты на уроке химии или биологии! Если вы заглянете в учебник по биологии, там почти всегда будет сказано, что ковалентные связи прочнее. Если вы посмотрите в учебнике по химии, вы увидите нечто иное. Это отличный пример того, как одна и та же информация может привести к разным ответам в зависимости от точки зрения, с которой вы ее рассматриваете.

Итак, какой ответ вы должны дать для этого класса? Поскольку это урок биологии, вы должны сказать, что ковалентные связи прочнее ионных, потому что они действуют сильнее в водных растворах.

Ионные связи

Атомы обычно имеют одинаковое количество протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд). Это означает, что атомы обычно не заряжены, потому что количество положительно заряженных частиц равно количеству отрицательно заряженных частиц. Когда атом не содержит одинакового количества протонов и электронов, он будет иметь суммарный заряд. Атом с суммарным зарядом называется ионом . Положительные ионы образуются в результате потери электронов. Отрицательные ионы образуются, приобретая электроны. Атомы могут терять и отдавать электроны, чтобы стать более стабильными.

Рисунок 1 Если натрий (Na) отдает электрон хлору (Cl), атом натрия становится положительно заряженным (Na+), а атом хлора становится отрицательно заряженным (Cl-).

Когда элемент отдает электрон со своей внешней оболочки, как в приведенном выше примере с атомом натрия, образуется положительный ион (рис. 2). Элемент, принимающий электрон, теперь заряжен отрицательно. Поскольку положительные и отрицательные заряды притягиваются, эти ионы остаются вместе и образуют ионную связь или связь между ионами. Элементы связываются вместе с электроном одного элемента, оставаясь преимущественно с другим элементом. Когда Na и Cl объединяются с образованием NaCl, электрон от атома натрия остается с другими семью электронами в атоме хлора, образуя положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион хлора. Ионы натрия и хлора притягиваются друг к другу.

Рисунок 2 Образование ионного соединения NaCl.

Водородные связи

Ионные и ковалентные связи являются сильными связями, для разрыва которых требуется значительная энергия. Однако не все связи между элементами являются ионными или ковалентными связями. Также могут образовываться более слабые связи. Это притяжения, возникающие между положительными и отрицательными зарядами, для разрыва которых не требуется много энергии. Часто встречаются две слабые связи: водородные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Эти связи обуславливают уникальные свойства воды и уникальные структуры ДНК и белков.

Когда образуются полярные ковалентные связи, содержащие атом водорода, атом водорода в этой связи имеет слегка положительный заряд. Это связано с тем, что общий электрон сильнее притягивается к другому элементу и от ядра водорода. Поскольку атом водорода слегка положителен (δ+), он будет притягиваться к соседним отрицательным частичным зарядам (δ–). При этом происходит слабое взаимодействие между δ+ зарядом атома водорода одной молекулы и δ– зарядом другой молекулы. Это взаимодействие называется водородной связью. Этот тип связи распространен; например, жидкая природа воды обусловлена ​​водородными связями между молекулами воды (рис. 4). Водородные связи придают воде уникальные свойства, поддерживающие жизнь. Если бы не водородные связи, вода была бы газом, а не жидкостью при комнатной температуре.

Рисунок 4  Водородные связи образуются между слегка положительным (δ+) и слегка отрицательным (δ–) зарядами полярных ковалентных молекул, таких как вода.

Водородные связи могут образовываться между различными молекулами, и они не всегда должны включать молекулу воды. Атомы водорода в полярных связях внутри любой молекулы могут образовывать связи с другими соседними молекулами. Например, водородные связи удерживают вместе две длинные нити ДНК, придавая молекуле ДНК ее характерную двухцепочечную структуру. Водородные связи также ответственны за некоторую часть трехмерной структуры белков.

Взаимодействия Ван-дер-Ваальса

Подобно водородным связям, взаимодействия Ван-дер-Ваальса представляют собой слабое притяжение или взаимодействие между молекулами. Они возникают между полярными, ковалентно связанными атомами в разных молекулах. Некоторые из этих слабых притяжений вызваны временными частичными зарядами, образующимися при движении электронов вокруг ядра. Эти слабые взаимодействия между молекулами важны в биологических системах.

Каталожные номера

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.