Полная версия

Главная arrow География arrow БИОХИМИЯ ЧЕЛОВЕКА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Химическая связь, ее экспериментальные характеристики и природа

Разработка современной модели атома и предсказание на ее основе свойств индивидуальных атомов - очень важное достижение квантовой механики. Однако в земных условиях редко встречаются изолированные атомы. Окружающие нас тела неживой и живой природы построены из молекул.

Молекулы - наименьшие частицы вещества, которые состоят из двух и более атомов и определяют химические свойства вещества.

Основная задача квантовой механики - расшифровка электронного строения молекул и прогнозирование их свойств.

Живые организмы построены из самых разных молекул. Это и многочисленные низкомолекулярные соединения - аминокислоты, сахара, жиры, неорганические вещества, и высокомолекулярные соединения - очень сложные молекулы белков, нуклеиновых кислот, составляющих основу жизни.

Химиков всегда интересовали вопросы: почему одни атомы соединяются в молекулы, а другие нет? Почему одни вещества устойчивы, а другие быстро распадаются? Почему все молекулы даже самого сложного вещества одинаковы? Ответы на эти вопросы важно знать и биологам и медикам. Например, идентичность всех молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) в организме животного - необходимое условие устойчивости наследственных свойств и причина генетических болезней.

На многие из этих вопросов ответил выдающийся русский химик А.М. Бутлеров (1828-1886), создавший теорию химического строения органических веществ (1861). С этого времени в химию начинают постепенно входить понятия «валентность» и «химическая связь».

Валентностью называют способность атома присоединять определенное число других атомов с образованием молекулы. Валентность обозначают черточками у символа элемента. Водород (Н-) - одновалентный, кислород (0=) - двухвалентный. Число валентных черточек определяет число химических связей, которые данный атом может образовать с другими атомами. Так, один атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, образуя воду Н-О-Н. При соединении атома

н /н

углерода с четырьмя атомами водорода получается метан уСС , а с двумя ато-

W хн

мами кислорода - диоксид углерода 0=С=0. Представления о валентности и химической связи, разработанные в XIX в., широко используют до настоящего времени.

Однако классическая теория валентности носит эмпирический характер. Непонятно, например, почему валентность кислорода равна двум, а водорода - единице. Почему не образуются молекулы гелия? Почему валентность атомов может быть переменной? Природа химической связи была установлена лишь после открытия законов квантовой механики и расчета атомных орбиталей. Только тогда удалось ответить на поставленные и многие другие вопросы.

-?Химической связью называют совокупность взаимодействий между электронами и ядрами, приводящих к соединению атомов в молекулу.

Свойства химической связи изучают различными методами. С помощью химических методов определяют число связей атомов (валентность) и их реакционную способность.

Бутлеров создал теорию строения, согласно которой химические и физические свойства веществ зависят не только от элементной формулы вещества, но и от строения его молекул - порядка соединения атомов в молекуле в соответствии с их валентностью. Вещества, имеющие одинаковую элементную формулу, но различное строение, были названы изомерами. Например, этиловый спирт и димети- ловый эфир (применяют для наркоза при операциях) - изомеры, так как имеют одинаковый элементный состав, выражаемый формулой С2НбО. Но их химические и физические свойства сильно различаются.

Под действием света хлор С1г, реагируя с этиловым спиртом, замещает 5, а с эфиром - 6 атомов водорода. Натрий замещает в спирте один атом водорода, а с эфиром не взаимодействует. На основе таких опытов можно сделать вывод, что 5 атомов водорода спирта и 6 атомов водорода эфира связаны с углеродом, а один атом водорода спирта связан с кислородом. Молекулы имеют одинаковое число атомов С, Н и О, но различаются положением атома кислорода О. Это приводит к весьма различным свойствам веществ-изомеров.

Очевидно, что строение молекул определятся тем, как связаны между собой атомы элементов, из которых состоят эти молекулы. С помощью различных реакций были установлены формулы строения рассматриваемых веществ-изомеров:

Данные формулы показывают, что валентность атомов углерода, водорода и кислорода в разных соединениях одинакова и равна соответственно 4, 1, 2. В рассматриваемых молекулах имеются химические связи одного вида: С-Н, С-О, но есть и разные: С-С, О-Н. Этим и объясняется различие реакционной способности рассматриваемых веществ по отношению к хлору и натрию.

С помощью физических методов определяют длину, прочность, ориентацию и полярность химических связей. Перечисленные характеристики химической связи удобно проиллюстрировать на примере двух простых молекул: водорода Н2 и воды Н20 (рис. 1.2).

Длиной химической связи гс называют величину, измеряемую расстоянием между ядрами связываемых атомов. В качестве единицы измерения длины химической связи гс удобно использовать пикометр (пм): 1 пм = 10-12 м. Характерное значение для одинарной связи гс = 100 пм. Для молекулы воды гон = 97 пм. Длина связи определяется рентгеноструктурным анализом и другими физическими методами.

Прочность химической связи Ес - величина, измеряемая энтальпией ДН образования связи. В качестве единицы измерения прочности химической связи Ес используют кДж/моль. Характерное значение для одинарной связи

Ес = 400 кДж/моль. Для водорода ?нн = 430, а для воды ?он = 450 кДж/моль. Прочность химической связи определяют с помощью закона Гесса на основе энтальпий реакций, при которых образуется или разрывается изучаемая связь.

Характеристики химической связи на примере молекул Н и Н0

Рис. 1.2. Характеристики химической связи на примере молекул Н2 и Н20

Ориентация химической связи Ос - величина, измеряемая углом между направлениями связей данного атома с соседними атомами молекулы. Угол называют валентным.

Единица измерения валентного угла ас - градус. Значение а< может меняться в пределах от 80 до 180°. Для воды etc = аНон = 104°. Для диоксида углерода otoco = 180°.

Валентные углы определяют на основе данных рентгеноструктурного анализа и других физических методов.

Полярность химической связи р* - величина, измеряемая электрическим моментом данной связи.

Электрический момент для двух электрических зарядов +q и -q, равных по абсолютному значению и противоположных по знаку, составляет р = qry где г - расстояние между зарядами. Такие два заряда образуют электрический диполь:

Химическая связь поляризуется, когда связываются два атома с разной относительной электроотрицательностью. В результате на атоме с большим значением относительной электроотрицательности возникает избыточный отрицательный заряд -б, а на атоме с меньшим значением - избыточный положительный заряд +6. Полярность связи рассчитывают по формуле

В качестве единицы измерения полярности химической связи удобно использовать внесистемную единицу дебай (Д). 1 Д = 3,3*Ю"30 Кл-м. Полярность связи

О-Н в молекуле воды равна рон = 1,5 Д.

Изучение химической связи показало, что в большинстве случаев длина, прочность, ориентация, полярность одной и той же химической связи в разных соединениях имеют приблизительно одинаковые значения. Отсюда следует, что взаимодействия, приводящие к образованию данной связи между атомами, имеют одинаковую природу в разных молекулах. Квантово-механические теории химической связи дают объяснение этому факту.

Э. Шрёдингер вывел уравнение, связывающее энергию электрона и характер его движения в атоме.

На основе расчетов с помощью уравнения Шрёдингера установлено, что электрон движется в определенной области пространства около ядра. Эту область пространства называют атомной орбиталью (АО). Форма и размеры атомных орбиталей определяются энергией электронов в атоме (рис. 1.3). В зависимости от формы атомные орбитали называют s-AO (сфера), р-АО (гантель) и d-АО (скрещенные гантели).

Пространственная форма s-, р- и (/-атомных орбиталей

Рис. 1.3. Пространственная форма s-, р- и (/-атомных орбиталей

В атоме в целом z (номер элемента) электронов движутся по своим орбиталям, образуя единое электронное «облако» атома. Описание движения электронов в атомах и молекулах с помощью АО составляет содержание квантовой механики.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>