Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow География arrow Концепции современного естествознания

Образование химических структур и химическая связь.

Образование различных химических структур имеет свои характерные особенности. Взаимодействуя, атомы соединяются друге другом, образуя посредством химических связей двух- и многоатомные соединения — молекулы, радикалы, ионы и кристаллы. Образование таких соединений приводит к выигрышу в энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное. Химические связи имеют в основном электромагнитный характер; при их образовании происходит перераспределение электронной плотности связывающихся атомов. Главные отличительные черты химической связи: 1) полная энергия многоатомной системы меньше энергии изолированных атомов или атомных фрагментов, из которых она образована; 2) электронная плотность в области химической связи существенно перераспределена по сравнению с простым наложением электронных плотностей несвязанных атомов или атомных фрагментов, сближенных на расстояние связи.

По характеру распределения электронной плотности связывающихся атомов обычно выделяют следующие основные типы связей [2, 8, 13]:

О ковалентная связь, которая осуществляется парой электронов, общих для двух атомов, образующих связь. Атомы в молекуле могут быть соединены неполной ковалентной связью: одинарной (Н2, Н3С-СН3), двойной (Н2С=СН2), тройной (N2, НС=СН) или полярной (НС1, Н3С—С1) в зависимости от электроотрицательности;

О ионная связь, в основе которой лежит электростатическое взаимодействие между противоположно заряженными ионами — электрически заряженными частицами, которые образуются из атома (молекулы) в результате потери или присоединения одного или нескольких электронов. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные — анионами. Примеры ионной связи — молекулы NaCl и KF;

О металлическая связь, которая проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов; эту связь можно представить так: ионный кристаллический остов погружен в электронный газ — свободные электроны, которые непрерывно перемещаются между положительными ионами и компенсируют электростатическое отталкивание ионов, связывая их в твердое тело;

О координационная (донорно-акцепторная) связь характерна для комплексных соединений (гемоглобин, хлорофилл и др.), в молекулах которых выделяют центральный атом (комплексообразова- тель) и непосредственно связанные с ним молекулы или ионы (лиганды, обычно 4 или 6). Координационная связь обусловлена передачей электронной пары с заполненной орбитали донора на вакантную орбиталь центрального атома (акцептора) с образованием общей связывающей молекулярные структуры орбитали. При этом центральный атом и лиганды образуют внутреннюю сферу. Внешнюю сферу составляют ионы, заряд которых компенсирует заряд внутренней сферы. Например, в [Co(NH3)6]Cl3 совокупность атомов в квадратных скобках — внутренняя сфера, Со — центральный атом, NH3 — лиганды, ионы С1 — внешняя сфера.

Помимо этого выделяют водородные связи и межмолекулярные взаимодействия. Водородная связь образуется в результате взаимодействия атома водорода, связанного ковалентной связью, с электроотрицательным атомом и неподеленной парой электронов другого атома. Атомы могут принадлежать как одной, так и разным молекулам. Водородная связь приводит к ассоциации одинаковых или различных молекул в комплексы; она во многом определяет свойства воды и льда, молекулярных кристаллов, структуру и свойства белков, нуклеиновых кислот и др. Межмолекулярные взаимодействия электрической природы происходят между молекулами с насыщенными химическими связями. Впервые существование такого взаимодействия принял во внимание Я.Д. Ван-дер-Ваальс (1873) для объяснения свойств реальных газов и жидкостей.

В чистом виде перечисленные типы связей проявляются редко. В большинстве соединений имеет место наложение разных типов связей. При этом любая химическая связь образуется только тогда, когда сближение атомов приводит к уменьшению полной энергии системы.

Среди способов, которыми соединяются атомы друг с другом, стоит подробнее рассмотреть ковалентную связь, т.е. образование общих электронных пар между атомами различных химических элементов, причем здесь главную роль играют валентные электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром атома. Если у атома на внешней оболочке восемь электронов, она называется завершенной. Атомы, имеющие такое строение, обладают большой устойчивостью (например, атомы инертных газов Ne, Аг и др.). Внешние оболочки атомов других элементов являются незавершенными; они завершаются в процессе химических реакций.

Выделяют неполярную и полярную ковалентные связи. Неполярная ковалентная связь существует в самой простой молекуле — молекуле водорода Н2, состоящей всего из двух атомов водорода. В образовании молекулы участвуют два атома водорода, в каждом из которых на внешней оболочке вращается один электрон. При сближении атомов перекрываются электронные орбитали (рис. 7.2, а) и образуется общая пара электронов

Каждый из атомов водорода завершает свой внешний уровень (оболочку), образуя при этом устойчивый дуплет электронов. Общая пара электронов, в равной степени принадлежащая каждому из атомов водорода, и есть химическая связь между атомами; поскольку она одна, валентность атома водорода равна единице:

Схемы образования химических связей в молекулах

Рис. 7.2. Схемы образования химических связей в молекулах: а — водорода Н2; б — воды Н2О; в — аммиака NH3; г — метана СН4

При образовании молекулы азота также происходит возникновение общих электронных пар между атомами элементов. У атома азота на внешнем уровне (оболочке) содержатся пять электронов. Два электрона образуют пару, а три не имеют пары и стремятся ее приобрести. При сближении двух атомов азота образуются три общие электронные пары, следовательно, атом азота трехвалентен:

Теперь каждый из атомов азота имеет по восемь электронов на внешнем уровне (оболочке), т.е. оболочка завершена и устойчива.

Примером полярной ковалентной связи служит связь в молекуле воды Н20. Если при образовании молекул водорода и азота атомы в молекулах одинаковы и общая электронная пара в равной степени принадлежит каждому из атомов, то в ситуациях, когда атомы неметаллов различны, общая электронная пара будет оттянута к атому того элемента, который сильнее притягивает и удерживает электроны. Так, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. На внешнем уровне (оболочке) атома водорода содержится один электрон, а у атома кислорода — шесть электронов. При сближении атомов кислорода и водорода образуется устойчивая оболочка из восьми электронов у атома кислорода (два не имеющих пары электрона приобретают ее у атома водорода):

На внешнем уровне у атома водорода не остается электронов. До образования молекулы воды электронные облака внешнего слоя (оболочки) атома кислорода находились под утлом 90°; в молекуле воды из-за взаимного отталкивания атомов водорода угол связи увеличивается до 104,5° (рис. 7.2, б).

В молекуле аммиака NH3 атом азота имеет пять электронов, из которых два составляют пару; остальные три электрона образуют пары с тремя электронами водорода (рис. 7.2, в):

Атом углерода особенно приспособлен к образованию молекул. Так, в молекуле метана СН4 четыре электрона атома углерода, не имеющих пары, находят недостающие электроны у атома водорода. Атом углерода приобретает устойчивое состояние из восьми электронов. В пространстве электронные облака внешнего слоя (оболочки) атома углерода располагаются под утлом 109° и образуют тетраэдр, в вершинах которого размещаются атомы водорода (рис. 7.2, г):

В молекуле диоксида углерода С02 четыре валентных электрона углерода попарно связаны с двумя атомами кислорода. В результате формируется вытянутая структура из одного атома углерода и двух атомов кислорода по бокам:

Схематическое изображение молекул углеводородов

Рис. 7.3. Схематическое изображение молекул углеводородов: а — метан; б — этан; в — пропан; г — бутан; д — октан

Атом углерода со своими четырьмя валентными электронами может давать нескончаемый ряд молекул (рис. 7.3). Поэтому на Земле широко распространены соединения углерода — метан, этан, пропан, бутан, октан и др. В этих молекулах, начиная с этана, кроме связи углерод—водород появляется связь углерод—углерод:

Углеводородные структуры могут иметь любую длину, причем короткие молекулы присущи газам, более длинные — жидкостям и очень длинные — твердым веществам. Углеводороды служат горючим в виде газа, нефти или парафина. Оканчивающиеся карбоксильной группой (рис. 7.4, а) углеводородные цепи называются жирными кислотами; они входят в состав животных жиров. Другие характерные углеводородные структуры — молекулы спиртов (рис. 7.4, б).

Схематическое изображение молекул

Рис. 7.4. Схематическое изображение молекул: а — жирная кислота; б — спирт С2Н5ОН; в — сахар (глюкоза) CgH^Og; г—е различные аминокислоты

Еще одна важная группа молекул с длинными цепями — молекулы углеводов. Их цепи подобны углеводородным, но к каждому звену цепи присоединен кислород. Простейший углевод — глюкоза, один из видов сахаров (рис. 7.4, в). Такой углевод, как целлюлоза, имеет очень длинную цепь; она присутствует в больших количествах в древесине и других растительных структурах.

Почти вся живая материя построена из аминокислот. На рис. 7.4, г—е показан общий принцип построения таких структур. В скелет этих молекул входит углерод с четырьмя валентными электронами. На одном конце молекулы — карбоксильная группа, на другом — аминогруппа NH2, а между ними — множество других групп; свойства аминокислот определяются именно ими. На рис. 7.4, г, д показаны молекулы двух простейших аминокислот (глицина и аланина), на рис. 7.4, е — в общем виде строение более сложных аминокислот. Концевые группы аминокислот обладают весьма характерным свойством — они легко соединяются. Аминогруппа и карбоксильная группа связываются друг с другом, и аминокислоты образуют длинные цепи (одна аминокислота как бы цепляется за другую). Такие цепи называются белками и играют важную роль в жизни живых организмов.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы