170955 0

Всеки атом има определен брой електрони.

Влизайки в химична реакция, атомите даряват, придобиват или социализират електрони, достигайки най-стабилната електронна конфигурация. Конфигурацията с най-ниска енергия е най-стабилна (както в атомите на благородния газ). Този модел се нарича "октетно правило" (фиг. 1).

Ориз. един.

Това правило важи за всички видове връзки. Електронните връзки между атомите им позволяват да образуват стабилни структури, от най-простите кристали до сложни биомолекули, които в крайна сметка образуват живи системи. Те се различават от кристалите по непрекъснатия си метаболизъм. Много химични реакции обаче протичат според механизмите електронен трансфер, които играят важна роля в енергийните процеси в организма.

Химическата връзка е сила, която държи заедно два или повече атома, йони, молекули или произволна комбинация от тях..

Природата химическа връзкауниверсален: това е електростатичната сила на привличане между отрицателно заредени електрони и положително заредени ядра, определена от конфигурацията на електроните във външната обвивка на атомите. Способността на атома да образува химични връзки се нарича валентност, или степен на окисление. Концепцията за валентни електрони- електрони, които образуват химични връзки, тоест тези, които се намират в най-високоенергийните орбитали. Съответно се нарича външната обвивка на атом, съдържаща тези орбитали валентна обвивка. Понастоящем не е достатъчно да се посочи наличието на химична връзка, но е необходимо да се изясни нейният тип: йонна, ковалентна, дипол-диполна, метална.

Първият тип връзка ейонни Връзка

Според електронната теория на Луис и Косел за валентността, атомите могат да постигнат стабилна електронна конфигурация по два начина: първо, чрез загуба на електрони, превръщайки се в катиони, второ, придобивайки ги, превръщайки се в аниони. В резултат на преноса на електрони, поради електростатичната сила на привличане между йони със заряди с противоположен знак, се образува химична връзка, наречена Kossel " електровалентен(сега се нарича йонни).

В този случай анионите и катионите образуват стабилна електронна конфигурация със запълнена външна електронна обвивка. Типичните йонни връзки се образуват от катиони на Т и II групи на периодичната система и аниони на неметални елементи от групи VI и VII (съответно 16 и 17 подгрупи, халкогении халогени). Връзките в йонните съединения са ненаситени и ненасочени, така че те запазват възможността за електростатично взаимодействие с други йони. На фиг. 2 и 3 показват примери за йонни връзки, съответстващи на модела на електронен трансфер на Косел.

Ориз. 2.

Ориз. 3.Йонна връзка в молекулата на натриев хлорид (NaCl).

Тук е уместно да си припомним някои от свойствата, които обясняват поведението на веществата в природата, по-специално да разгледаме концепцията за киселинии основания.

Водните разтвори на всички тези вещества са електролити. Те променят цвета си по различни начини. показатели. Механизмът на действие на индикаторите е открит от F.V. Оствалд. Той показа, че индикаторите са слаби киселини или основи, чийто цвят в недисоциираните и дисоциираните състояния е различен.

Основите могат да неутрализират киселините. Не всички основи са разтворими във вода (например, някои органични съединения, които не съдържат -OH групи, са неразтворими, по-специално, триетиламин N (C 2 H 5) 3); разтворимите основи се наричат алкали.

Водните разтвори на киселини влизат в характерни реакции:

а) с метални оксиди - с образуване на сол и вода;

б) с метали - с образуване на сол и водород;

в) с карбонати - с образуване на сол, CO 2 и з 2 О.

Свойствата на киселините и основите се описват от няколко теории. В съответствие с теорията на S.A. Арениус, киселината е вещество, което се дисоциира, за да образува йони з+ , докато основата образува йони ТОЙ- . Тази теория не взема предвид съществуването на органични бази, които нямат хидроксилни групи.

В съответствие с протонСпоред теорията на Бронстед и Лоури киселината е вещество, съдържащо молекули или йони, които отдават протони ( донорипротони), а основата е вещество, състоящо се от молекули или йони, които приемат протони ( акцепторипротони). Обърнете внимание, че във водните разтвори водородните йони съществуват в хидратирана форма, тоест под формата на хидрониеви йони H3O+ . Тази теория описва реакции не само с вода и хидроксидни йони, но и проведени в отсъствието на разтворител или с неводен разтворител.

Например при реакцията между амоняк NH 3 (слаба основа) и хлороводород в газовата фаза се образува твърд амониев хлорид и в равновесна смес от две вещества винаги има 4 частици, две от които са киселини, а другите две са основи:

Тази равновесна смес се състои от две спрегнати двойки киселини и основи:

1)NH 4+ и NH 3

2) НС1и кл ‑

Тук във всяка спрегната двойка киселината и основата се различават с един протон. Всяка киселина има спрегната основа. Силната киселина има слаба спрегната основа, а слабата киселина има силна спрегната основа.

Теорията на Бронстед-Лоури дава възможност да се обясни уникалната роля на водата за живота на биосферата. Водата, в зависимост от веществото, което взаимодейства с нея, може да проявява свойствата на киселина или основа. Например при реакции с водни разтвориПри оцетната киселина водата е основа, а при водните разтвори на амоняка е киселина.

1) CH3COOH + H 2 O ↔ H 3 O + + CH 3 SOO- . Тук молекулата на оцетната киселина отдава протон на водната молекула;

2) NH3 + H 2 O ↔ NH4 + + ТОЙ- . Тук молекулата на амоняка приема протон от водната молекула.

Така водата може да образува две конюгирани двойки:

1) H 2 O(киселина) и ТОЙ- (конюгирана основа)

2) H 3 O+ (киселина) и H 2 O(конюгирана основа).

В първия случай водата отдава протон, а във втория го приема.

Такова свойство се нарича амфипротонност. Наричат ​​се вещества, които могат да реагират както на киселини, така и на основи амфотерни. Такива вещества често се срещат в природата. Например, аминокиселините могат да образуват соли както с киселини, така и с основи. Следователно пептидите лесно образуват координационни съединения с наличните метални йони.

По този начин характерното свойство на йонната връзка е пълното изместване на куп свързващи електрони към едно от ядрата. Това означава, че между йоните има област, където електронната плътност е почти нулева.

Вторият тип връзка ековалентен Връзка

Атомите могат да образуват стабилни електронни конфигурации чрез споделяне на електрони.

Такава връзка се образува, когато двойка електрони се споделя един по един. от всякаатом. В този случай социализираните електрони на връзката се разпределят по равно между атомите. Примери ковалентна връзкаможе да се нарече хомонуклеарендвуатомна H молекули 2 , н 2 , Е 2. Алотропите имат един и същи тип връзка. О 2 и озон О 3 и за многоатомна молекула С 8 и също хетероядрени молекулихлороводород НС1, въглероден двуокис CO 2, метан CH 4, етанол ОТ 2 з 5 ТОЙ, серен хексафлуорид SF 6, ацетилен ОТ 2 з 2. Всички тези молекули имат еднакви общи електрони, а връзките им са наситени и насочени по един и същи начин (фиг. 4).

За биолозите е важно ковалентните радиуси на атомите в двойните и тройните връзки да бъдат намалени в сравнение с единичната връзка.

Ориз. четири.Ковалентна връзка в Cl 2 молекулата.

Йонните и ковалентните типове връзки са два ограничаващи случая на много съществуващи видове химични връзки и на практика повечето от връзките са междинни.

Съединенията на два елемента, разположени в противоположните краища на един и същи или различни периоди от системата на Менделеев, образуват предимно йонни връзки. Тъй като елементите се приближават един към друг в рамките на период, йонният характер на техните съединения намалява, докато ковалентният характер се увеличава. Например халогенидите и оксидите на елементите от лявата страна на периодичната таблица образуват предимно йонни връзки ( NaCl, AgBr, BaSO 4 , CaCO 3 , KNO 3 , CaO, NaOH), а същите съединения на елементите от дясната страна на таблицата са ковалентни ( H2O, CO2, NH3, NO2, CH4, фенол C6H5OH, глюкоза C6H12O6, етанол C2H5OH).

Ковалентната връзка от своя страна има друга модификация.

В многоатомните йони и в сложните биологични молекули и двата електрона могат да идват само от единатом. Нарича се донорелектронна двойка. Нарича се атом, който социализира тази двойка електрони с донор акцепторелектронна двойка. Този вид ковалентна връзка се нарича координация (донор-акцептор, илидателен падеж) комуникация(фиг. 5). Този тип връзка е най-важен за биологията и медицината, тъй като химията на най-важните d-елементи за метаболизма се описва до голяма степен от координационните връзки.

Снимка 5.

По правило в сложно съединение метален атом действа като акцептор на електронна двойка; напротив, при йонните и ковалентните връзки металният атом е донор на електрони.

Същността на ковалентната връзка и нейната разновидност - координационната връзка - може да се изясни с помощта на друга теория за киселините и основите, предложена от Г.Н. Люис. Той донякъде разшири семантичната концепция на термините "киселина" и "основа" според теорията на Бронстед-Лоури. Теорията на Луис обяснява природата на образуването на сложни йони и участието на веществата в реакциите нуклеофилно заместване, тоест при формирането на КС.

Според Луис киселината е вещество, способно да образува ковалентна връзка чрез приемане на електронна двойка от основа. Базата на Люис е вещество, което има несподелена електронна двойка, която, като отдава електрони, образува ковалентна връзка с киселината на Луис.

Тоест, теорията на Луис разширява обхвата на киселинно-базовите реакции и до реакции, в които протоните изобщо не участват. Освен това самият протон, според тази теория, също е киселина, тъй като е в състояние да приеме електронна двойка.

Следователно, според тази теория, катионите са киселини на Луис, а анионите са бази на Люис. Следните реакции са примерни:

По-горе беше отбелязано, че подразделението на веществата на йонни и ковалентни е относително, тъй като в ковалентните молекули няма пълен преход на електрон от метални атоми към акцепторни атоми. В йонните съединения всеки йон е в електрическо полейони с противоположен знак, така че те са взаимно поляризирани и черупките им са деформирани.

Поляризираемостопределя се от електронната структура, заряда и размера на йона; тя е по-висока за аниони, отколкото за катиони. Най-високата поляризуемост сред катионите е за катиони с по-голям заряд и по-малък размер, например за Hg 2+, Cd 2+, Pb 2+, Al 3+, Tl 3+. Има силен поляризиращ ефект з+ . Тъй като ефектът от поляризацията на йони е двустранен, той значително променя свойствата на съединенията, които образуват.

Третият тип връзка -дипол-дипол Връзка

В допълнение към изброените видове комуникация, има и дипол-дипол междумолекуленвзаимодействия, известни още като ван дер Ваалс .

Силата на тези взаимодействия зависи от природата на молекулите.

Има три вида взаимодействия: постоянен дипол - постоянен дипол ( дипол-диполатракция); постоянен дипол - индуциран дипол ( индукцияатракция); мигновен дипол - индуциран дипол ( дисперсияпривличане или лондонски сили; ориз. 6).

Ориз. 6.

Само молекули с полярни ковалентни връзки имат дипол-диполен момент ( HCl, NH3, SO2, H2O, C6H5Cl), а силата на свързване е 1-2 дебай(1D \u003d 3,338 × 10 -30 кулонови метра - C × m).

В биохимията се разграничава друг вид връзка - водород връзка, което е ограничителен случай дипол-диполатракция. Тази връзка се образува от привличането между водороден атом и малък електроотрицателен атом, най-често кислород, флуор и азот. При големи атоми, които имат подобна електроотрицателност (например при хлор и сяра), водородната връзка е много по-слаба. Водородният атом се отличава с една съществена характеристика: когато свързващите електрони се отдръпнат, неговото ядро ​​- протонът - се разкрива и престава да бъде екранирано от електрони.

Следователно атомът се превръща в голям дипол.

Водородната връзка, за разлика от връзката на Ван дер Ваалс, се образува не само по време на междумолекулни взаимодействия, но и в рамките на една молекула - вътрешномолекуленводородна връзка. Водородните връзки играят важна роля в биохимията, например за стабилизиране на структурата на протеини под формата на α-спирала или за образуване на двойна спирала на ДНК (фиг. 7).

Фиг.7.

Водородните и ван дер Ваалсовите връзки са много по-слаби от йонните, ковалентните и координационните връзки. Енергията на междумолекулните връзки е посочена в табл. един.

Маса 1.Енергия на междумолекулните сили

Забележка: Степента на междумолекулни взаимодействия отразява енталпията на топене и изпаряване (кипене). Йонните съединения изискват много повече енергия за отделяне на йони, отколкото за разделяне на молекули. Енталпиите на топене на йонните съединения са много по-високи от тези на молекулярните съединения.

Четвъртият тип връзка -метална връзка

И накрая, има друг тип междумолекулни връзки - метал: свързване на положителните йони на решетката на металите със свободни електрони. Този тип връзка не се среща в биологични обекти.

От кратък преглед на видовете връзки излиза наяве една подробност: важен параметър на атом или йон на метал - донор на електрони, както и на атом - акцептор на електрони е неговата размерът.

Без да навлизаме в подробности, отбелязваме, че ковалентните радиуси на атомите, йонните радиуси на металите и радиусите на Ван дер Ваалс на взаимодействащите молекули се увеличават с увеличаване на техния атомен номер в групите на периодичната система. В този случай стойностите на йонните радиуси са най-малки, а радиусите на Ван дер Ваалс са най-големи. Като правило, при движение надолу по групата, радиусите на всички елементи се увеличават, както ковалентни, така и ван дер Ваалсови.

Най-важните за биолозите и медиците са координация(донор-акцептор) връзки, разглеждани от координационната химия.

Медицинска бионеорганика. Г.К. Баръшков

Химическата връзка е взаимодействието на атомите, което определя стабилността на химическата частица или кристал като цяло.
Природата на химическата връзка е електростатичното привличане на противоположно заредени частици (катиони и аниони, атомни ядра и електронни двойки, метални катиони и електрони).
Според механизма на образуване има:
а) йонна връзка - връзка между метален катион и неметален анион. По този начин йонният тип връзка се среща във вещества, образувани от атоми на силни метали и силни неметали. В същото време металните атоми даряват електрони от външното (понякога от предвъншното) енергийно ниво и се превръщат в положително заредени йони (катиони), а неметалните атоми приемат електрони на външното енергийно ниво и се превръщат в отрицателно заредени йони (аниони) (примери за вещества: оксиди на типичните метали K2O, CaO, MgO, основи KOH, Ca(OH)2, соли NaNO3, CaSO4).
б) ковалентна връзка - връзка между атоми на неметали. Ковалентна връзка възниква поради образуването на общи електронни двойки от несдвоени електрони на външното енергийно ниво на всеки неметален атом (изчислено по формула 8 - номерът на групата на елемента). Броят на връзките в едно съединение е равен на броя на споделените електронни двойки. Ако съединението е образувано от атоми на един химичен елемент - неметали, тогава връзката се нарича ковалентна неполярна (примери: N2, Cl2, O2, H2). Ковалентна неполярна връзка съществува в прости неметални вещества. Ако съединението е образувано от атоми на различни неметални елементи, тогава връзката се нарича ковалентна полярна, т.к. в този случай общите електронни двойки се изместват към елемента с по-голяма електроотрицателност и върху елементите се появяват частично положителни и частично отрицателни заряди (примери за вещества: HCl, NO, CCl4, H2SO4). Ковалентна полярна връзка съществува в сложни вещества, образувани от неметални атоми.
Валентност - способността на атомите на химичните елементи да образуват химични връзки. Числено валентността съвпада с броя на химичните връзки, които атомите на даден химичен елемент образуват с атоми на друг химичен елемент. Най-високата валентност съвпада с номера на групата на елемента (изключения: кислород (II) и азот (IV)).
в) метална връзка - връзка между атом-йони на метали и социализирани електрони. Металната връзка възниква в резултат на факта, че металните атоми даряват всички електрони от външното енергийно ниво на общото междуатомно пространство и се превръщат в положително заредени йони (катиони). Социализираните електрони се движат свободно в междуатомното пространство и свързват всички катиони в едно цяло поради електростатично привличане. Метална връзка се наблюдава в прости вещества-метали или в метални сплави (примери за вещества: Al, Fe, Cu, бронз, месинг).

химическа връзка

В природата няма отделни атоми. Всички те са в състава на прости и сложни съединения, където тяхното свързване в молекули се осигурява от образуването на химични връзки помежду си.

Образуването на химични връзки между атомите е естествен, спонтанен процес, тъй като в този случай енергията на молекулярната система намалява, т.е. енергията на молекулярната система е по-малка от общата енергия на изолираните атоми. Това е движещата сила зад образуването на химическа връзка.

Природата на химичните връзки е електростатична, т.к Атомите са съвкупност от заредени частици, между които действат силите на привличане и отблъскване, които влизат в равновесие.

Във формирането на връзки участват несдвоени електрони, разположени във външните атомни орбитали (или готови електронни двойки) - валентни електрони. Казват, че когато се образуват връзки, електронните облаци се припокриват, което води до зона между ядрата на атомите, където вероятността на намиране на електрони на двата атома е максимално.

s, p - елементи	d - елементи
Валентните електрони са външното ниво Например, H +1) 1 д 1s 1 1 валентен електрон O+8) 2e) 6 д 1s 2 2s 2 2p 4 Външното ниво не е завършено - 6 валентни електрона	Валентните електрони са външното ниво иd са електрони на предвъншното ниво Например , Cr +24) 2e) 8e) 8e+ 5д )1д 6 валентни електрона (5e + 1e)

химическа връзка - това е взаимодействието на атомите, осъществявано чрез обмен на електрони.

Когато се образува химическа връзка, атомите се стремят да придобият стабилна осемелектронна (или двуелектронна - H, He) външна обвивка, съответстваща на структурата на най-близкия атом на инертен газ, т.е. завършете външното си ниво.

Класификация на химичните връзки.

1. Според механизма на образуване на химична връзка.

а) обмен когато и двата атома, които образуват връзка, осигуряват несдвоени електрони за нея.

Например образуването на водородни молекули H 2 и хлор Cl 2:

б) донор-акцептор , когато един от атомите осигурява готова двойка електрони (донор) за образуване на връзка, а вторият атом осигурява празна свободна орбитала.

Например образуването на амониев йон (NH 4) + (заредена частица):

2. Според начина, по който се припокриват електронните орбитали.

а) σ - връзка (сигма), когато максимумът на припокриване лежи на линията, свързваща центровете на атомите.

Например,

H 2 σ (s-s)

Cl 2 σ(p-p)

HClσ(s-p)

б) π - връзки (pi), ако максимумът на припокриване не лежи на линията, свързваща центровете на атомите.

3. Според метода за постигане на завършената електронна обвивка.

Всеки атом има тенденция да завърши своята външна електронна обвивка и може да има няколко начина за постигане на такова състояние.

Знак за сравнение	ковалентен		Йонни	метал
	неполярни	полярен
Как се постига завършената електронна обвивка?	Социализация на електроните	Социализация на електроните	Пълен трансфер на електрони, образуване на йони (заредени частици).	Социализацията на електроните от всички атоми в Христа. решетка
Какви атоми са включени?	nemeth - немет ЕО = ЕО	1) Немет-Немет 1 2) Мет-Немет EO < ЭО	мет+ [вцепенен] - EO << EO	Местата съдържат катионни метални атоми. Комуникацията се осъществява от електрони, свободно движещи се в интерстициалното пространство.
∆c = EO 1 - EO 2		< 1,7	> 1,7
Примери	простите вещества са неметали.

Йонна химична връзка е връзка, която се образува между атоми на химични елементи (положително или отрицателно заредени йони). И така, какво е йонна връзка и как се образува?

Обща характеристика на йонната химична връзка

Йоните са заредени частици, в които се превръщат атомите, когато даряват или приемат електрони. Те се привличат един към друг доста силно, поради тази причина веществата с този тип връзка имат високи точки на кипене и топене.

Ориз. 1. Йони.

Йонната връзка е химическа връзка между различни йони поради тяхното електростатично привличане. Може да се счита за граничен случай на ковалентна връзка, когато разликата между електроотрицателността на свързаните атоми е толкова голяма, че се получава пълно разделяне на зарядите.

Ориз. 2. Йонна химична връзка.

Обикновено се смята, че връзката придобива електронен характер, ако EC > 1.7.

Разликата в стойността на електроотрицателността е толкова по-голяма, колкото по-далеч са разположени елементите един от друг в периодичната система по период. Тази връзка е характерна за металите и неметалите, особено тези, разположени в най-отдалечените групи, например I и VII.

Пример: готварска сол, натриев хлорид NaCl:

Ориз. 3. Схема на йонната химична връзка на натриевия хлорид.

Йонната връзка съществува в кристалите, има сила, дължина, но не е наситена и не е насочена. Йонната връзка е характерна само за сложни вещества, като соли, основи и някои метални оксиди. В газообразно състояние такива вещества съществуват под формата на йонни молекули.

Между типичните метали и неметали се образува йонна химична връзка. Електроните безпроблемно преминават от метала към неметала, образувайки йони. В резултат на това се образува електростатично привличане, което се нарича йонна връзка.

Всъщност напълно йонна връзка не възниква. Така наречената йонна връзка е отчасти йонна, отчасти ковалентна. Връзката на сложните молекулни йони обаче може да се счита за йонна.

Примери за образуване на йонна връзка

Има няколко примера за образуване на йонна връзка:

• взаимодействие на калций и флуор

Ca 0 (атом) -2e \u003d Ca 2 + (йон)

За калция е по-лесно да отдаде два електрона, отколкото да получи липсващите.

F 0 (атом) + 1e \u003d F- (йон)

- Флуорът, напротив, по-лесно приема един електрон, отколкото да отдава седем електрона.

Нека намерим най-малкото общо кратно между зарядите на образуваните йони. То е равно на 2. Нека определим броя на флуорните атоми, които ще приемат два електрона от калциев атом: 2: 1 = 2. 4.

Нека съставим формула за йонна химична връзка:

Ca 0 +2F 0 → Ca 2 +F−2.

• взаимодействие на натрий и кислород

4.3. Общо получени оценки: 318.