химический каталог




Типы химических связей

Автор неизвестен

Варианты классификации химических связей определяются различными характеристиками или способами описания. В теории валентности каждой связи между атомами соответствует одна электронная пара. В зависимости от способа её образования из электронов связываемых атомов можно выделить ковалентную и координационную связь. Если электронная пара полностью принадлежит одному из атомов, то образуется ионная связь. По степени смещения центра тяжести электронного облака связывающих электронов химическую связь делят на неполярную и полярную. Ковалентные и координационные связи принято подразделять по числу образующих их электронных пар на простые и кратные (двойные, тройные, четверные). Существуют также классификации связей по результатам квантово-механических расчётов волновых функций веществ. Это: двухцентровые (С-С; С-Н) и многоцентровые связи (например: металлическая связь в кристаллической решётке). В биологически важных молекулах особо выделяют водородные, гидрофобные, гидрофильные и Ван-дер-ваальсовые связи.

Ковалентная химическая связь образуется электронами общими для двух атомов. Связь, объединяющая в кристаллах и молекулах нейтральные атомы на валентных орбиталях которых имеются неспаренные электроны. Связь возникает за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма. Два общих электрона образуют одинарную связь, четыре - двойную, а шесть - тройную связь, энергия которой 100-1000 кДж/моль и распределяется приблизительно следующим образом среди наиболее часто встречающихся в биологической химии комбинаций

Ковалентная связь  Энергия ковалентной связи, кДж/моль
-S-S-связи 210
С-N  305    
С-С 350
С-Н 414
С=С  610
С=О 720
Первичная структура макромолекул 146-880

Ионные связи образуются в тех случаях, когда один атом отдаёт один или более электронов другому. В результате этого перераспределения электронных плотностей (переноса) возникают электростатические взаимодействия между образовавшимися положительно или отрицательно заряженными ионами. На деле ионная связь между атомами в чистом виде не реализуется нигде или почти нигде, обычно связь носит частично ионный, а частично ковалентный характер. В то же время связь сложных молекулярных ионов часто может считаться чисто ионной. Важнейшими отличиями ионной связи от других типов химической связи заключаются в ненаправленности и ненасыщаемости. Именно поэтому кристаллы, образованные за счёт ионной связи тяготеют к различным плотнейшим упаковкам соответствующих ионов. Характеристикой подобных соединений служит хорошая растворимость в полярных растворителях (вода, кислоты и т.д.). Это происходит из за заряженности частей молекулы. При этом диполи растворителя притягиваются к заряженным концам молекулы, и, в результате Броуновского движения, "растаскивают" молекулу вещества на части и окружают их, не давая соединиться вновь. В итоге получаются ионы окружённые диполями растворителя. При растворении подобных соединений, как правило, выделяется энергия, так как суммарная энергия образованных связей растворитель-ион больше энергии связи анион-катион. Исключения составляют многие соли азотной кислоты (нитраты), которые при растворении поглощают тепло (растворы охлаждаются). Для разных типов связи энергия связи определяется и называется по-разному. Для ионной связи эта энергия называется молярной энергией ионной кристаллической решетки, или кратко энергия решетки и составляет приблизительно 100-20000 кДж/моль.

Ионная связь  Энергия ионной связи (молярная энергия ионной кристаллической решетки), кДж/моль
CsI 604
CsF 738
LiI 742
LiF 1010
CaF2 2620
CaO 3570
MgO 3980
Al2O3 15150

Ионная связь имеет очень важное значение в формировании структурных молекулярных и межмолекулярных связей, определяющих качественные характеристики и активности многих соединений и композитов.

Водородные связи возникают в результате дипольных взаимодействий. Чаще всего они имеют место в тех молекулах, где атомы Н связаны с О, N или галогенами, особенно F. Высокая электроотрицательность этих элементов и малый объём атома Н, образующего положительный конец диполя, приводят к исключительно высокой полярности этой связи. Тогда водород в форме Н+ сильно притягивается заряженной группой другой полярной молекулы. Таким образом, одна связь является сильно полярной ковалентной связью, а другая осуществляется в результате электростатического взаимодействия. Энергия водородной связи находится в пределах 10-50 кДж/моль. Межмолекулярные водородные связи оказывают сильное воздействие на физические свойства многих веществ и, в первую очередь, воды. Внутримолекулярные водородные связи являются важным фактором, стабилизирующим форму молекул (например, белков) и лежат в основе некоторых из их свойств (например, сократимости). Разрыв водородных связей приводит к существенному изменению всей молекулы, а в случае белков - к их денатурации. Водородные связи во многом обуславливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты,амиды карбоновых кислот, сложные эфиры). Аномально высокая теплоемкость воды и многоатомных спиртов обеспечивается многочисленными водородными связями. Одна молекула воды может образовать до четырёх классических водородных связей с соседями (с учетом бифуркатных связей Н-связей до 5-6). Водородные связи повышают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение жидкостей. Водородные связи ответственны за многие другие уникальные свойства воды.

Гидрофобные взаимодействия (гидрофобность или лиофобность) связывают неполярные (гидрофобные) части одной или разных молекул в водных растворах, характеризуя способность вещества взаимодействовать с жидкой средой. Энергия каждого такого взаимодействия не велика и может находиться в пределах 1-10 кДж/моль. Однако взаимодействие большого числа длинных молекулярных цепей приводит к возникновению весьма устойчивых систем, способных быть очень чувствительными к изменению статических, электростатических и иных сил и полей в своём окружении. Существование таких связей и их сила определяются изменением энтропии системы и играют важную роль в стабилизации конформаций биополимеров, образовании структур биологических мембран, регулируемых активностей мембранных образований. В особенности это касается трансмембранных белковых структур (например: ионоселективных каналов, аденилатциклазы, гексокиназы и др.).

Ван-дер-ваальсовые взаимодействия складываются из сил отталкивания атомов, обусловленных перекрыванием их электронных плотностей и дисперсионного взаимного притяжения. При сближении атомов электроны, имеющие противоположно направленные спины, отталкиваются. В результате такого отталкивания электронная плотность в пространстве между ядрами двух взаимодействующих атомов уменьшается. Это и приводит к увеличению энергии межъядерного отталкивания. Таким образом, Ван-дер-ваальсовое отталкивание атомов складывается из отталкивания электронов и электростатического отталкивания дезэкранированных ядер (вследствие взаимодействия атомарных электронов). Энергия Ван-дер-Ваальсового взаимодействия приблизительно составляет 0,1-1 кДж/моль.

Макроэргические связи - это ковалентные связи которые гидролизуются с выделением значительного количества энергии 30 кДж/моль и более (свободная энергия гидролиза). Вообще термин "макроэргическая связь" используется исключительно для связей, энергия которых используется в метаболизме и не указывает на истинную величину энергии связей. Как известно, энергия связей всегда положительна, другими словами, разрыв любой связи, в том числе и макроэргической, всегда требует дополнительных затрат энергии, но их результирующая - выше. Важно отметить, что последовательное усложнение материи неизбежно приводит к усложнению и усовершенствованию инструментов её самоуправления и управления. При этом количество таких инструментов весьма ограничено физическими и химическими свойствами самой материи. Появление макроэргических связей на горизонте эволюционного процесса, открыло фактически новую эру в возможностях мобильного применения химических (биохимических) связей в формировании, поддержании и усовершенствовании гомеостатического устройства в инструментальном обеспечении жизнедеятельности организованной материи. Одним из таких структурно-функциональных инструментов является межмолекулярное взаимодействие.

Ориентационные силы действуют между полярными молекулами. Сила притяжения между двумя полярными молекулами максимальна в том случае, когда их дипольные моменты располагаются по одной линии и зависит от их взаимной ориентации. Поэтому их и называют "ориентационными".

Индукционные силы действуют между полярной и неполярной молекулами, а также между полярными молекулами. Полярная молекула создаёт электрическое поле, которое поляризует другую молекулу, индуцируя в ней дипольный момент.

Дисперсионное межмолекулярное взаимодействие действует между неполярными молекулами. Его природа была выяснена только после появления теории квантовой механики. В атомах и молекулах электроны сложным образом "движутся" вокруг ядер, образуя соответствующие конфигурации электронных плотностей. В среднем времени дипольные моменты неполярных молекул оказываются нейтральными. Однако мгновенное значение дипольного момента может быть отлично от нуля. Таким образом, мгновенный диполь создаёт своё мгновенное электрическое поле, способное поляризовать соседние молекулы. Возникает прецедент взаимодействия мгновенных диполей, а энергия взаимодействия неполярных молекул и есть результат взаимодействия таких мгновенных диполей.

Силы отталкивания действуют между молекулами на очень малых расстояниях, когда приходят в соприкосновение заполненные электронные плотности атомов, входящих в состав молекул. Возникающие при этом силы отталкивания зависят в большей степени, чем силы притяжения, от индивидуальных особенностей молекул.


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
нож поварской профессиональный
коттеджный поселок новая рига эконом класса
часы шестигранные настенные российские
индивидуальное обучение excel

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(08.12.2016)