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

1.1. Основные виды химической связи — ЗФТШ, МФТИ

Взаимодействие валентных (наименее прочно связанных с ядром) электронов атомов приводит к образованию химических связей, т. е. к объединению атомов в молекулу. Образование молекулы из атомов возможно лишь тогда, когда оно приводит к выигрышу энергии; молекулярное состояние должно обладать меньшей энергией, чем атомное состояние, и, следовательно, быть устойчивее. Таким наиболее устойчивым является состояние атома, когда число электронов на внешнем электронном уровне максимальное, которое он может вместить; такой уровень называется завершённым и характеризуется наибольшей прочностью. Таковы электронные конфигурации атомов благородных газов. Значит, образование химической связи должно приводить к завершению внешнего электронного уровня атомов.

Это взаимодействие валентных электронов, приводящее к образованию химической связи, может осуществляться по-разному. Различают три основных вида химических связей: ковалентную, ионную и металлическую.

Рассмотрим  механизм  возникновения  ковалентной связи на примере образования молекулы водорода: 

`»H»+»H»=»H»_2`;   `Delta»H»=-436` кДж/моль

Реакция сопровождается высвобождением большого количества тепла, значит, она энергетически выгодна.

Ядро свободного атома водорода окружено сферически симметричным электронным облаком, образованным `1s`-электроном. При сближении атомов до определённого расстояния происходит частичное перекрывание их электронных облаков (орбиталей).                        

Обычно наибольшее перекрывание электронных облаков осуществляется вдоль линии, соединяющей ядра двух атомов.

Химическую связь можно изобразить:

1) в виде точек, обозначающих электроны и поставленных у химического знака элемента:

 `»H»* + *»H»=»H»:»H»`          где  `:`  означает `sigma`-связь

2) с помощью квантовых ячеек (орбиталей), как размещение двух электронов с противоположными спинами в одной молекулярной квантовой ячейке:

3) часто, особенно в органической химии, ковалентную связь изображают чёрточкой,  которая символизирует пару электронов: `»H» — «H»`.

Ковалентная связь в молекуле хлора также осуществляется с помощью двух общих электронов или электронной пары:

:Cl·····+·Cl····: → :Cl····:Cl····::\overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{\mathrm{Cl}}}\cdot+\cdot\overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{\mathrm{Cl}}}:\;\rightarrow\;:\overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{\mathrm{Cl}}}:\overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{\mathrm{Cl}}}:

В каждом атоме хлора `7` валентных электронов, из них `6` в виде неподелённых пар, а `1` — неспаренный электрон. Образование химической связи происходит именно за счёт неспаренных электронов каждого атома хлора. Они связываются в общую пару (или неподелённую пару) электронов. Если считать, что общая пара принадлежит обоим атомам, то каждый из них становится обладателем `8` электронов, т. е. приобретает устойчивую конфигурацию благородного газа. Поэтому ясно, что молекула хлора энергетически выгоднее, чем отдельные атомы.

Это также `sigma`-связь, но она образована перекрыванием `p`-электронных орбиталей по оси `x`.

Если в реагирующих атомах имеется `2` или `3` неспаренных электрона, то могут образоваться не `1`, а `2` или `3` связи, т. е. общих электронных пары. Если между атомами возникла одна ковалентная связь, то она называется одинарной, если две — двойной, если три — тройной. Они обозначаются соответственно = или `-=` штрихами.

Но хотя обозначение их одинаково, они отличаются по своим свойствам от одинарной `sigma`-связи.  Чтобы пояснить разницу,  рассмотрим  образование тройной связи в молекуле азота `»N»_2`. В ней атомы имеют три общие пары электронов:

:N···+·N··: → :N⋮⋮N::\overset\cdot{\underset\cdot{\mathrm N}}\cdot+\cdot\overset\cdot{\underset\cdot{\mathrm N}}:\;\rightarrow\;:\mathrm N\vdots\vdots\mathrm N:

Они образованы неспаренными `p`-электронами двух атомов азота:

Орбитали `2p`-электронов расположены взаимно перпендикулярно, т. е. по осям `x`, `y` и `z`. Если перекрывание по оси `x` ведёт к образованию  `sigma`-связи (перекрывание вдоль линии, связывающей центры атомов), то перекрывание по осям `y` и `z` происходит по обе стороны линии, связывающей центры соединяющихся атомов. Такая

Очевидно, что взаимное перекрывание орбиталей в случае `pi`-связи меньше, чем в случае `sigma`-связи, поэтому `pi`-связь всегда менее прочная, чем `sigma`-связь. Но в сумме три связи `(sigma_x+pi_y+pi_z)` придают молекуле `»N»_2` большую прочность, поэтому молекула азота при нормальных условиях нереакционноспособна.  

Таким образом, если имеется одинарная связь, то это обязательно `sigma`-связь; если имеется двойная или тройная связь, то одна из составляющих её связей обязательно `sigma`-связь (как более прочная она формируется первая и разрушается последняя), а остальные — `pi`-связи. И `sigma`-, и `pi`-связи — это разновидности ковалентной связи.

В общем случае  

Например, полярная ковалентная связь образуется при взаимодействии атомов водорода и хлора.

H·+·Cl····: → H:Cl····:\mathrm H\cdot+\cdot\overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{\mathrm{Cl}}}:\;\rightarrow\;\mathrm H:\overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{\mathrm{Cl}}}:

Электронная пара смещена к атому хлора, так как относительная электроотрицательность хлора `(x=3)` больше, чем у водорода `(x=2,1)`.

У молекул, содержащих неполярную связь, связующее облако распределяется симметрично между ядрами обоих атомов, и ядра в равной степени тянут его к себе. Электрический момент диполя таких молекул (`»H»_2`, `»F»_2`, `»Cl»_2` и др.) равен нулю. Молекулы, содержащие полярную связь, образованы связующим электронным облаком, смещённым в сторону атома с большей относительной электроотрицательностью.

Описанные выше примеры образования ковалентной связи относятся к обменному механизму, когда каждый из соединяющихся в молекулу атомов предоставляет по электрону. Однако образование ковалентной связи может происходить и по донорно-акцепторному механизму. В этом случае химическая связь возникает за счёт двухэлектронного облака одного атома (спаренных электронов) и свободной орбитали другого атома. Атом, предоставляющий неподелённую пару, называется донором, а атом, принимающий её (т. е. предоставляющий свободную орбиталь) —акцептором. -`, несущими разноимённые заряды, возникают силы электростатического притяжения, в результате чего образуется соединение `»NaCl»`.

Ионные соединения образуют атомы элементов, резко отличающихся по электроотрицательности, например, атомы элементов главных подгрупп I и II групп с элементами главных подгрупп VI и VII групп.

Таким образом, между механизмами возникновения ковалентной и ионной связей нет принципиального различия. Они различаются лишь степенью поляризации (смещения) общих электронных пар. Поэтому можно рассматривать ионную связь как предельный случай полярной ковалентной связи.

Вместе с тем надо помнить о важных отличиях ионной связи от ковалентной. Ионная связь характеризуется ненаправленностью в пространстве (каждый ион может притягивать ион противоположного знака по любому направлению) и ненасыщаемостью (взаимодействие ионов не устраняет способность притягивать или отталкивать другие ионы). Вследствие ненаправленности и ненасыщаемости ионные соединения в твёрдом состоянии представляют собой ионную кристаллическую решётку, в которой  каждый ион  взаимодействует не с одним,  а со многими ионами противоположного знака; например, в решётке хлорида натрия катион натрия окружён шестью хлорид-анионами и наоборот. Связи между ионами многочисленны и прочны, поэтому вещества с ионной решёткой тугоплавки, малолетучи и обладают сравнительно высокой твёрдостью. При плавлении ионных кристаллов прочность связи между ионами уменьшается, и расплавы их проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, хорошо растворяются в воде и других полярных растворителях.

В то же время ковалентная связь отличается насыщаемостью (т. е. способностью атомов  образовывать  ограниченное  количество  ковалентных связей, определяемое числом неспаренных электронов) и направленностью (определённой пространственной структурой молекул, которой мы коснёмся ниже).

Твёрдые вещества, состоящие из молекул (полярных и неполярных), образуют молекулярные кристаллические решётки. Молекулы в таких решётках соединены сравнительно слабыми межмолекулярными силами, поэтому вещества с молекулярной решёткой имеют малую твёрдость, низкие температуры плавления, они плохо растворимы в воде, а их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной кристаллической решёткой невелико: лёд, твёрдый оксид углерода (IV) («сухой лёд»), твёрдые галогеноводороды и простые вещества, но зато большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решётку.

Если же в узлах решётки располагаются атомы, соединённые прочными ковалентными связями, то такие вещества имеют высокие температуры плавления, прочность и твёрдость, они практически нерастворимы в жидкостях.

Характерный пример вещества с атомной кристаллической решёткой — алмаз; она характерна также для твёрдого бора, кремния, германия и соединений некоторых элементов с углеродом и кремнием.

Особый тип решётки в твёрдом состоянии образуют металлы. В узлах такой металлической кристаллической решётки находятся катионы металлов, а между ними — отрицательно заряженный «электронный газ». Атомы металлов в решётке упакованы так тесно, что валентные орбитали соседних атомов перекрываются, и электроны получают возможность свободно перемещаться из орбиталей одного атома в орбитали других атомов, осуществляя связь между всеми атомами данного кристалла металла. Лишённые валентных электронов, атомы превращаются в катионы, а электроны, осуществляющие связь, перемещаются по всему кристаллу металла и становятся общими.

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку и в её основе лежит обобществление валентных электронов. Однако при ковалентной связи эти электроны находятся вблизи соединённых атомов и прочно с ними связаны, тогда как при металлической связи электроны свободно перемещаются по всему кристаллу и принадлежат всем его атомам. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической — пластичны, т. е. без разрушения изменяют форму, прокатываются в листы, вытягиваются в проволоку. Наличие свободных электронов придаёт кристаллам металлов непрозрачность, высокую электрическую проводимость, теплопроводность.

Водородная связь весьма распространена и играет важную роль при ассоциации молекул, в процессах кристаллизации, растворения, образования кристаллогидратов, электролитической диссоциации и других важных физико-химических процессах.

Молекула воды может образовывать четыре водородные связи, так как имеет два атома водорода и две несвязывающие электронные пары:

Эта способность обусловливает строение и свойства воды и льда.

Вода является жидкостью, хотя более тяжелый сероводород – полный электронный аналог воды – газ. Молекулы воды образуют между собой водородные связи, что увеличивает плотность вещества в жидком состоянии и его температуру кипения. Между молекулами сероводорода подобных связей не возникает из-за большого радиуса и сравнительно малой электроотрицательности атома серы.

При замерзании количество водородных связей между молекулами воды становится максимальным. Строго ориентируясь относительно друг друга, они образуют правильные шестиугольники. Образованные ими канальцы заполнены воздухом, поэтому плотность льда меньше плотности воды.

Водородная связь приводит к образованию димеров муравьиной и уксусной кислот, устойчивых в газообразном и жидком состоянии:

Благодаря водородной связи фтороводород `»HF»` в обычных условиях существует в жидком состоянии (`»t»_»кип»=19,5^@»C»`), а плавиковая кислота диссоциирует с образованием как фторид-аниона `»F»^-`, так и гидродифторид-аниона `»HF»_2^-`.

Важную роль играют водородные связи в химии процессов жизнедеятельности, поскольку они распространены в молекулах белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений.

Химическая связь и строение молекул | Задания 61

Ковалентная связь. Строение молекулы воды

Задание 61. 

Какую химическую связь называют ковалентной? Чем можно объяснить направленность ковалентной связи? Как метод валентных связей (ВС) объясняет строение молекулы воды?
Решение:

Связь, осуществляемая за счёт образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащей обоим атомам, называется ковалентной неполярной. Ковалентные связи определённым образом ориентированы в пространстве, т. е. имеют направленность. Причина того, что молекулы могут иметь линейное плоское или какое-либо другое строение, заключается в использовании атомами для образования связей разные орбитали и разное их количество. Молекулы, которые имеют дипольный момент, не являются линейными, а молекулы, у которых нет дипольного момента – линейные.  

Молекула воды Н₂О имеет дипольный момент, значит, она имеет нелинейное строение. В образовании связей между атомами кислорода и водорода участвуют один атом кислорода и два атома водорода.  Кислород – цейтральный атом в молекуле воды, и он имеет четыре электронные пары, две пары неподелённые и две – поделённые, которые образованы одним s-электроном и одним р-электроном кислорода. Такая молекула имеет тетраэдрическое строение в центре тетраэдра находится атом кислорода, а по углам тетраэдра два атома водорода и две неподелённые электронные пары кислорода. В такой молекуле угол между связями должен быть равен 109,5⁰. Если бы молекула воды была плоская, то угол НОН должен быть 90⁰. Но рентгеноструктурный анализ молекул воды показывает, что угол НОН равен 104,5⁰.  Это объясняет, что молекула воды имеет не линейное форму, а имеет форму  искажённого тетраэдра. Объясняется это тем, что атом кислорода претерпевает sp³— гибридизацию, когда одна s-орбиталь и три р-орбитали атома кислорода гибридизируются, образуя четыре равноценные sp³-гибридные орбитали. Из четырёх sp³-гибридных орбиталей две заняты s-орбиталями атома водорода. Разница между значениями валентного угла и тетраэдрическим углом объясняется тем, что отталкивание между неподелёнными электронными парами больше, чем между связывающими.

Полярная ковалентная связь

Задание 62. 

Какую ковалентную связь называют полярной? Что служит количественной мерой полярности ковалентной связи? Исходя из значений электроотрицательности атомов соответствующих элементов определите, какая из связей: HCl, IСl, ВгF наиболее полярна.
Решение:

Ковалентная связь, которая образована разными атомами, называется полярной. Например, H — Cl; центр тяжести отрицательного заряда (связанного с электронами) не совпадает с центром тяжести положительного заряда (связанного с зарядом ядра атома). Электронная плотность общих электронов смещена к одному из атомов, имеющего большее значение электроотрицательности, в большей степени. В H  : Cl общая электронная пара смещена в сторону наиболее электроотрицательного атома хлора. Полярность связи количественно оценивается дипольным моментом (), который является произведением длины диполя (l) – расстояния между двумя равными по величине и противоположными по знаку зарядами  +g и –g на абсолютную величину заряда:   = lg. Дипольные моменты НСI, НВг, НI равны, соответственно 1,04; 0,79; 0,38 D. Дипольные моменты молекул обычно измеряют в дебаях (D)* : 1D = 3,33 ^. 10^-30 Кл ^.м.

Дипольный момент  — величина векторная и направлен по оси диполя от отрицательного заряда к положительному. Дипольный момент связи даёт ценную информацию о поведении молекулы в целом. Наряду с дипольным моментом , для оценки степени полярности связи используют характеристику, называемую электроотрицательностью элемента (ЭО). ЭО – это способность атома притягивать к себе валентные электроны других атомов. Значения ЭО элементов приведены в специальных шкалах (таблицах). 

Значения ЭО водорода, хлора, брома, йода, фтора соответственно равны: 2,1; 3,0; 2,8; 2,5; 4,0. Исходя из значений ЭО элементов в соединениях 

наиболее полярная связь в молекуле ВгF, так как разница электроотрицательностей между фтором и бромом наибольшая – 1,2 (4,0 – 2,8 = 1,2), чем у HCl и IСl.

Донорно-акцепторная связь

Задание 63. 

Какой способ образования ковалентной связи называют донорно-акцепторным? Какие химические связи имеются в ионах NH⁴⁺ и BF^4-? Укажите донор и акцептор.
Решение:

Донорно-акцепторная связь – это ковалентная связь, в которой обобществлённую пару электронов предоставляет только один из участвующих в связи атомов. При этом один из атомов является донором – поставщиком электронной пары, а другой – акцептором – поставщиком свободной квантовой орбитали. 

Катион аммония NH⁴⁺ образуется по донорно-акцепторному механизму:

Он имеет форму правильного тетраэдра:

В ионе аммония каждый атом водорода связан с атомом азота общей электронной парой, одна из которых реализована по донорно-акцепторному механизму. Важно отметить, что связи H — N, образованные по различным механизмам, никаких различий не имеют, т. е. все они равноценны. Донором является атом азота, а акцептором – атом водорода.

Ион BF^4- образуется из BF₃ и иона F-. Этот  ион образуется за счёт того, что неподелённая электронная пара иона F- «встраивается» в валентную оболочку атома бора ковалентносвязанной молекулы BF₃:

В ионе BF^4- донором является ион фтора, а акцептором атом бора молекулы BF₃. 

Донорно-акцепторная связь в структурных формулах изображается стрелкой которая направлена от донора к акцептору.

Метод валентных связей (ВС)

Задание 64. 

Как метод валентных связей (ВС) объясняет линейное строение молекулы ВеCl₂ и тетраэдрическое СН₄? 
Решение                          

а) Представления метода валентных связей позволяют объяснить геометрию многих молекул. Так молекула BeCl₂ состоит из одного атома бериллия и двух атомов хлора. Атом бериллия в возбуждённом состоянии имеет один s-электрон и один р-электрон. При образовании BeCl₂ возникают две ковалентные связи. Одна из них должна быть s — p связью, образованная за счёт перекрывания s-облака атома бериллия и р-облака атома хлора, другая (р — р связь) за счёт перекрывания р-облака атома бериллия и р-облака атома хлора. 

р — р связь и s — p могут располагаться друг относительно друга под углом, т. е. молекула BeCl₂ должна быть угловой, но точно установлено, что молекула BeCl₂ имеет линейное строение, причём обе   — связи равны по энергии и по длине. Для объяснения геометрии молекулы BeCl₂ привлекается концепция гибридизации атомных орбиталей. Суть концепции атомных орбиталей заключается в том, что атомные орбитали могут геометрически видоизменяться и смешиваться друг с другом таким образом, чтобы обеспечить наибольшее перекрывание с орбиталями других атомов и, следовательно, наибольший выигрыш в энергии. Это  достигается в том случае, если вместо орбиталей, имеющих разные форму и энергию, появляются одинаковые по форме и энергии гибридные орбитали, представляющие собой линейные комбинации исходных атомных орбиталей. Так в атоме Ве s-орбиталь и р-орбиталь вступают во взаимодействие, их энергии выравниваются и образуются две одинаковые по форме sp-гибридные орбитали. Два образовавшихся sp-гибридных электронных облака имеют одинаковую энергию и ассиметричную форму, которая обеспечивает большее перекрывание р-электронными облаками атома хлора, чем перекрывание с участием чистых негибридизированных s- и р-облаков. Два гибридных sp-облака располагаются относительно друг друга и ядра атома под углом 180⁰:

                      Рис. 1. Трёхатомная молекула BeCl₂ 

В результате такого расположения гибридных облаков молекула BeCl₂ имеет линейное строение.

б) Молекула СН₄ состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода, между которыми возникают четыре ковалентные связи. Атом углерода в возбуждённом состоянии имеет четыре неспаренных электрона, один из них на s-орбитали и три на р-орбиталях:

Заполнение внешнего энергетического уровня атома углерода в основном состоянии:

Заполнение внешнего энергетического уровня атома углерода в возбуждённом состоянии:

Из четырёх связей в молекуле СН₄ должны быть одна s — s и три  s — p связи, образованные за счёт перекрывания орбиталей атома углерода с s-орбиталью атомов водорода. В результате этого перекрывания должна образоваться связь s — s, отличная от трёх s — p связей длиной и энергией и, расположенная к любой из них под углом около 125⁰. Однако точно установлено, что молекула СН₄ имеет форму тетраэдра с углом между связями 109,5⁰, причём все связи равноценны по длине и энергии. Объяснить тетраэдрическое строение молекулы СН₄ можно sp³-гибридизацией. Атом углерода содержит четыре sp³-гибридные орбитали, образующиеся в результате линейной комбинации s-орбитали и трёх p-орбиталей. Четыре sp³-гибридные орбитали располагаются друг относительно друга под углом 109,5⁰. Они направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится ядро атома углерода (рис. 2.).

Рис. 2. Схема строения молекулы СН₄;

 Метан, несвязывающих электронных пар нет.

Таким образом, в молекуле СН₄ образуются четыре равноценные химические  -связи за счёт перекрывания sp³-гибридных орбиталей атома углерода с s-орбиталями атомов углерода. 

Образование сигма-связи и пи-связи

Задание 65. 

Какую ковалентную связь называют -связью и какую  -связью? Разберите на примере строения молекулы азота.
Решение:

Связь, образующаяся за счёт перекрывания вдоль линии, соединяющей два атома, называют   -связью (любая простая связь) или «Если перекрывание атомных орбиталей происходит на межъядерной оси, то образуется сигма-связь (  -связь). Сигма-связь образуется за счёт перекрывания двух s-орбиталей (s — s связь), одной s- и одной р-орбиталью (s — p связь), двумя р-орбиталями (р — р связь), одной s— и одной d-орбиталью (s — d связь), одной p— и одной d-орбиталью (p — d связь).

Варианты перекрывания атомных орбиталей, приводящие к образованию   -связи (рис.1.):

Рис. 1.Схемы образования  -связей

Связь, образованная за счёт перекрывания атомных орбиталей по обе стороны от межъядерной оси, называется  -связью. Вариантов образования   -связи немного (рис. 2.): 

Рис. 1.Схемы образования   -связей

Она не так прочна как сигма-связь, поскольку перекрывание в  -связи намного слабее.   -связи никогда не образуются , если нет   -связи. Иными словами,   -связи могут быть лишь в молекулах с двойными и тройными связями. Например, в молекуле N₂ тройная связь включает одну   -связь и две   -связи: . Атом азота на внешнем энергетическом уровне содержит пять электронов: два на s-орбитали и три неспаренных электрона на р-орбиталях. За счёт перекрывания р-электрона одного атома и р-электрона другого атома азота образуется 

 -связь. Две другие связи являются  -связями, которые образовались за счёт перекрывания двух р-электронов одного атома и двух р-электронов другого ниже и выше и перпендикулярно друг другу по отношению плоскости   -связи. 

Вопросы и ответы по водной химии

Библиотека вопросов по воде

I — Учебник

Глава 2

Химические связи

OpenStax, Химические связи. OpenStax CNX. 28 февраля 2018 г. http://cnx.org/contents/2c60e072-7665-49b9-a2c9-2736b72b533c@5. © 28 февраля 2018 г. OpenStax. Контент учебников, созданный OpenStax, находится под лицензией Creative Commons Attribution License 4.0.

Цели обучения

• Объяснить связь между молекулами и соединениями
• Различать ионы, катионы и анионы
• Определите основное различие между ионными и ковалентными связями
• Различают неполярные и полярные ковалентные связи
• Объясните, как молекулы воды соединяются водородными связями

Атомы, разделенные большим расстоянием, не могут соединиться; скорее, они должны подойти достаточно близко, чтобы электроны в их валентных оболочках могли взаимодействовать. Но соприкасаются ли когда-нибудь атомы друг с другом? Большинство физиков сказали бы «нет», потому что отрицательно заряженные электроны в своих валентных оболочках отталкиваются друг от друга. Никакая сила в человеческом теле или где-либо еще в мире природы не может преодолеть это электрическое отталкивание. Поэтому, когда вы читаете об атомах, соединяющихся друг с другом или сталкивающихся друг с другом, имейте в виду, что атомы не сливаются в физическом смысле.

Вместо этого атомы соединяются, образуя химическую связь. Связь  – это слабое или сильное электрическое притяжение, которое удерживает атомы в одном и том же месте. Новая группа, как правило, более стабильна (с меньшей вероятностью снова прореагирует), чем атомы, входящие в ее состав, когда они были разделены. Более или менее стабильная группа из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями, называется молекулой. Связанные атомы могут быть одного и того же элемента, как в случае H ₂ , который называется молекулярным водородом или газообразным водородом. Когда молекула состоит из двух или более атомов разных элементов, она называется химическим соединением. Таким образом, единица воды, или H ₂ O представляет собой соединение, как и отдельная молекула газообразного метана, или CH ₄ .

Три типа химических связей важны в физиологии человека, потому что они удерживают вместе вещества, которые используются организмом для важнейших аспектов гомеостаза, передачи сигналов и производства энергии, и это лишь некоторые из важных процессов. Это ионные связи, ковалентные связи и водородные связи.

Ионы и ионные связи

Напомним, что атом обычно имеет одинаковое количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Пока сохраняется эта ситуация, атом электрически нейтрален. Но когда атом участвует в химической реакции, которая приводит к отдаче или принятию одного или нескольких электронов, атом становится положительно или отрицательно заряженным. Это часто происходит для большинства атомов, чтобы иметь полную валентную оболочку, как описано ранее. Это может произойти либо путем получения электронов для заполнения оболочки, заполненной более чем наполовину, либо путем отдачи электронов для опустошения оболочки, заполненной менее чем наполовину, в результате чего следующая меньшая электронная оболочка остается новой, полной валентностью. оболочка. Атом, имеющий электрический заряд, положительный или отрицательный, – это ион.

Калий (K), например, является важным элементом во всех клетках организма. Его атомный номер — 19. В его валентной оболочке всего один электрон. Эта характеристика делает калий весьма вероятным для участия в химических реакциях, в которых он отдает один электрон. (Калию легче отдать один электрон, чем получить семь электронов.) Потеря приведет к тому, что положительный заряд протонов калия будет более влиятельным, чем отрицательный заряд электронов калия. Другими словами, полученный ион калия будет слегка положительным. Ион калия записывается K ⁺ , что указывает на то, что он потерял один электрон. Положительно заряженный ион известен как катион.

Теперь рассмотрим фтор (F), компонент костей и зубов. Его атомный номер девять, и у него семь электронов в его валентной оболочке. Таким образом, весьма вероятно, что фтор свяжется с другими атомами таким образом, что фтор примет один электрон (фтору легче получить один электрон, чем отдать семь электронов). Когда это произойдет, его электронов будет на один больше, чем его протонов, и он будет иметь общий отрицательный заряд. Ионизированная форма фтора называется фторидом и записывается как F ^– . Отрицательно заряженный ион известен как анион.

Атомы, которые могут отдать или принять более одного электрона, получат более сильный положительный или отрицательный заряд. Катион, отдавший два электрона, имеет суммарный заряд +2. Используя магний (Mg) в качестве примера, это можно записать как Mg ⁺⁺  или Mg ²⁺ . Анион, принявший два электрона, имеет суммарный заряд -2. Ионная форма селена (Se), например, обычно записывается Se ^2–.

Противоположные заряды катионов и анионов вызывают умеренно сильное взаимное притяжение, которое удерживает атомы в непосредственной близости, образуя ионную связь. Ионная связь – это постоянная тесная связь между ионами с противоположным зарядом. Поваренная соль, которой вы посыпаете еду, обязана своим существованием ионной связи. Как показано на рисунке 1, натрий обычно отдает электрон хлору, превращаясь в катион Na ⁺ . Когда хлор принимает электрон, он становится анионом хлора, Cl ^– . Эти два иона с их противоположными зарядами сильно притягиваются друг к другу.

Ионная связь

Рис. 1: (а) Натрий легко отдает единственный электрон в своей валентной оболочке хлору, которому требуется только один электрон, чтобы иметь полную валентную оболочку. (b) Противоположные электрические заряды образующихся катиона натрия и аниона хлорида приводят к образованию связи притяжения, называемой ионной связью. в) притяжение многих ионов натрия и хлора приводит к образованию больших групп, называемых кристаллами.

Вода является важным компонентом жизни, поскольку она способна разрушать ионные связи в солях, освобождая ионы. На самом деле в биологических жидкостях большинство отдельных атомов существуют в виде ионов. Эти растворенные ионы производят электрические заряды внутри тела. Поведение этих ионов создает следы работы сердца и мозга, наблюдаемые в виде волн на электрокардиограмме (ЭКГ или ЭКГ) или электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Электрическая активность, возникающая в результате взаимодействия заряженных ионов, является причиной того, что их также называют электролитами.

Посмотрите видео по ссылке ниже, чтобы узнать об электрической энергии и притяжении/отталкивании зарядов. Что происходит с заряженным электроскопом, когда между его пластиковыми листами перемещается проводник, и почему?

Ковалентные связи

В отличие от ионных связей, образованных притяжением между положительным зарядом катиона и отрицательным зарядом аниона, молекулы, образованные ковалентной связью, имеют общие электроны во взаимно стабилизирующих отношениях. Подобно ближайшим соседям, чьи дети тусуются сначала в одном доме, а затем в другом, атомы не теряют и не приобретают электроны постоянно. Вместо этого электроны перемещаются взад и вперед между элементами. Из-за близкого расположения пар электронов (по одному электрону от каждого из двух атомов) ковалентные связи прочнее ионных.

Неполярные ковалентные связи

На рис. 2 показаны несколько распространенных типов ковалентных связей. Обратите внимание, что два ковалентно связанных атома обычно имеют только одну или две общие электронные пары, хотя возможны и более крупные общие пары. Важная концепция, которую следует извлечь из этого, заключается в том, что в ковалентных связях электроны в самой внешней валентной оболочке используются совместно, чтобы заполнить валентные оболочки обоих атомов, в конечном итоге стабилизируя оба вовлеченных атома. При одинарной ковалентной связи два атома делят один электрон, а при двойной ковалентной связи два атома делят между собой две пары электронов. Существуют даже тройные ковалентные связи, когда три атома являются общими.

Ковалентная связь

Рисунок 2

Вы видите, что ковалентные связи, показанные на рисунке, уравновешены. Разделение отрицательных электронов относительно равно, как и электрическое притяжение положительных протонов в ядрах вовлеченных атомов. Вот почему ковалентно связанные молекулы, которые электрически сбалансированы таким образом, описываются как неполярные; то есть ни одна область молекулы не является ни более положительной, ни более отрицательной, чем любая другая.

Полярные ковалентные связи

Группы законодателей с совершенно противоположными взглядами на тот или иной вопрос часто описываются авторами новостей как «поляризованные». В химии полярная молекула — это молекула, которая содержит области с противоположными электрическими зарядами. Полярные молекулы возникают, когда атомы неравномерно делят электроны в полярных ковалентных связях.

Наиболее известным примером полярной молекулы является вода (рис. 3). Молекула состоит из трех частей: одного атома кислорода, ядро ​​которого содержит восемь протонов, и двух атомов водорода, ядра которых содержат только по одному протону. Поскольку каждый протон обладает одинаковым положительным зарядом, ядро, содержащее восемь протонов, создает заряд, в восемь раз больший, чем ядро, содержащее один протон. Это означает, что отрицательно заряженные электроны, присутствующие в молекуле воды, сильнее притягиваются к ядру кислорода, чем к ядрам водорода. Таким образом, единственный отрицательный электрон каждого атома водорода мигрирует к атому кислорода, делая кислородный конец их связи немного более отрицательным, чем водородный конец их связи.

Полярные ковалентные связи в молекуле воды

Рисунок 3

То, что верно для связей, верно и для молекулы воды в целом; то есть область кислорода имеет слегка отрицательный заряд, а области атомов водорода имеют слегка положительный заряд. Эти заряды часто называют «частичными зарядами», потому что сила заряда меньше, чем один полный электрон, как это происходит в ионной связи. Как показано на рисунке, области слабой полярности обозначены греческой буквой дельта (δ) и знаком плюс (+) или минус (–).

Несмотря на то, что одна молекула воды невообразимо мала, она имеет массу, и противоположные электрические заряды на молекуле притягивают эту массу таким образом, что она создает форму, напоминающую треугольную палатку (см. рис. b ). Этот диполь с положительным зарядом на одном конце, образованным атомами водорода на «дне» палатки, и отрицательным зарядом на противоположном конце (атомом кислорода на «верху» палатки) делает заряженные области весьма вероятными. взаимодействовать с заряженными областями других полярных молекул. Для физиологии человека образующаяся связь является одной из важнейших, образованных водой, — водородной связью.

Водородные связи

Водородная связь образуется, когда слабоположительный атом водорода, уже связанный с одним электроотрицательным атомом (например, кислородом в молекуле воды), притягивается к другому электроотрицательному атому другой молекулы. Другими словами, водородные связи всегда включают водород, который уже является частью полярной молекулы.

Самый распространенный пример водородной связи в мире природы возникает между молекулами воды. Это происходит на ваших глазах всякий раз, когда две капли дождя сливаются в большую бусинку или ручей переливается в реку. Водородная связь возникает из-за того, что слабоотрицательный атом кислорода в одной молекуле воды притягивается к слабоположительным атомам водорода двух других молекул воды (рис. 4).

Водородные связи между молекулами воды

Рисунок 4: Обратите внимание, что связи возникают между слабо положительным зарядом атомов водорода и слабо отрицательным зарядом атомов кислорода. Водородные связи относительно слабы и поэтому обозначены пунктирной (а не сплошной) линией.

Молекулы воды также сильно притягивают другие типы заряженных молекул, а также ионы. Это объясняет, почему «поваренная соль», например, на самом деле представляет собой молекулу, называемую в химии «солью», состоящую из равных количеств положительно заряженного натрия (Na ⁺ ) и отрицательно заряженный хлорид (Cl ^– ), так легко растворяются в воде, в этом случае образуя диполь-ионные связи между водой и электрически заряженными ионами (электролитами). Молекулы воды также отталкивают молекулы с неполярными ковалентными связями, такие как жиры, липиды и масла. Вы можете продемонстрировать это с помощью простого кухонного эксперимента: налейте чайную ложку растительного масла, соединения, образованного неполярными ковалентными связями, в стакан с водой. Вместо того, чтобы мгновенно растворяться в воде, масло образует отчетливую каплю, потому что полярные молекулы воды отталкивают неполярное масло.

Обзор главы

Каждый момент жизни атомы кислорода, углерода, водорода и других элементов человеческого тела создают и разрывают химические связи. Ионы — это заряженные атомы, которые образуются, когда атом отдает или принимает один или несколько отрицательно заряженных электронов. Катионы (ионы с положительным зарядом) притягиваются к анионам (ионам с отрицательным зарядом). Это притяжение называется ионной связью. В ковалентных связях участвующие атомы не теряют и не приобретают электроны, а делят их между собой.