Энергия химической связи — это… Что такое Энергия химической связи?

        равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить молекулу на две части (атомы, группы атомов) и удалить их друг от друга на бесконечное расстояние. Например, если рассматривается Э. х. с. H₃C—H в молекуле метана, то такими частицами являются метильная группа CH₃ и атом водорода Н, если рассматривается Э. х. с. Н—Н в молекуле водорода, такими частицами являются атомы водорода. Э. х. с. — частный случай энергии связи (См. Энергия связи), обычно ее выражают в кдж/моль (ккал/моль); в зависимости от частиц, образующих химическую связь (См. Химическая связь), характера взаимодействия между ними (Ковалентная связь, Водородная связь и другие виды химической связи), кратности связи (например, двойные, тройные связи) Э. х. с. имеет величину от 8—10 до 1000 кдж/моль. Для молекулы, содержащей две (или более) одинаковых связей, различают Э. х. с. каждой связи (энергию разрыва связи) и среднюю энергию связи, равную усредненной величине энергии разрыва этих связей. Так, энергия разрыва связи HO—H в молекуле воды, т. е. Тепловой эффект реакции H₂O = HO + H равен 495 кдж/моль, энергия разрыва связи Н—О в гидроксильной группе — 435 кдж/моль, средняя же Э. х. с. равна 465 кдж/моль. Различие между величинами энергий разрыва и средней Э. х. с. обусловлено тем, что при частичной диссоциации (См. Диссоциация) молекулы (разрыве одной связи) изменяется электронная конфигурация и взаимное расположение оставшихся в молекуле атомов, в результате чего изменяется их энергия взаимодействия. Величина Э. х. с. зависит от начальной энергии молекулы, об этом факте иногда говорят как о зависимости Э. х. с. от температуры. Обычно Э. х. с. рассматривают для случаев, когда молекулы находятся в стандартном состоянии (См. Стандартные состояния) или при 0 К. Именно эти значения Э. х. с. приводятся обычно в справочниках. Э. х. с. — важная характеристика, определяющая реакционную способность (См. Реакционная способность) вещества и использующаяся при термодинамических и кинетических расчетах реакций химических (См. Реакции химические). Э. х. с. может быть косвенно определена по данным калориметрических измерений (см. Термохимия), расчетным способом (см. Квантовая химия), а также с помощью масс-спектроскопии (См. Масс-спектроскопия) и спектрального анализа (См. Спектральный анализ).

         Лит.: Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону, М., 1974; Киреев В. А., Курс физической химии, 3 изд., М., 1975.

Полярная и неполярная связь. Свойства ковалентной связи

☰

Если молекула образована одинаковыми атомами (O₂, H₂, Cl₂), то между ними образуется неполярная ковалентная связь. В таком случае валентные электроны притягиваются атомами с равной силой, поэтому общее электронное облако расположено симметрично относительно обоих атомов. Электронная пара, образующая связь, в равной степени принадлежит обоим атомам.

Если ковалентную связь в молекуле образуют атомы разных элементов, то она будет полярной. В полярной ковалентной связи электронная пара смещена к атому с большей электроотрицательностью, то есть к тому, который сильнее притягивает электроны. Поскольку электроотрицательность у каждого химического элемента своя, то смещение в полярных связях может быть разное. Чем больше разница между электроотрицательностями, тем больше будет полярность связи. В полярной связи электронное облако смещено к тому элементу, который притягивает к себе электроны. Так в молекуле HF по сравнению с HI полярность связи больше, т. к. фтор более электроотрицательный элемент.

В молекулах с полярными ковалентными связями из-за того, что электронное облако смещено, молекула приобретает отрицательный и положительный заряд в разных своих точках. То есть молекула становится полярной — диполем. Так происходит в молекуле воды, где электроны водорода смещаются к атому кислорода, в результате у водородов больше положительный заряд, а у кислорода отрицательный.

Небольшой отрицательный заряд (δ-) у атома, к которому смещены электроны, равен положительному заряду (δ+) на атоме, от которого оттягиваются атомы. (Если рассматривать двухатомные молекулы).

Однако бывают молекулы с полярной связью, которые неполярны, т. е. не являются диполями. Так молекула углекислого газа CO

2 неполярна. Хотя 4 внешних электрона углерода оттянуты по 2 к атомам кислорода, но из-за того, что углерод расположен в центре молекулы, она в целом неполярна.

Полярная ковалентная связь также характеризуется длинной связи (расстоянием между ядрами атомов). Ядра находятся друг от друга на таком расстоянии, на котором энергия молекулы минимальна. Это состояние достигается, когда электронные облака максимально перекрываются. Обычно чем больше размеры атомов, тем больше в них длина связи. Так в молекуле водорода (H₂) длина связи самая маленькая.

Когда атом образует несколько полярных связей, то связи образуют определенный угол между собой — валентный угол (от 90° до 180°). Так в CO

2 угол между связями равен 180°. Валентные углы определяют геометрическую форму молекулы.

Физические свойства воды

Физические свойства воды

---

(по И. В. Петрянову)

Почему вода — вода?

Среди необозримого множества веществ вода с ее физико-химическими свойствами занимает совершенно особое, исключительное место. И это надо понимать буквально.

Почти все физико-химические свойства воды — исключение в природе. Она действительно самое удивительное вещество на свете. Вода удивительна не только многообразием изотопных форм молекулы и не только надеждами, которые связаны с ней как с неиссякаемым источником энергии будущего. Кроме того, она удивительна и своими — самыми обычными свойствами.

Как построена молекула воды?

Как построена одна молекула воды, теперь известно очень точно. Она построена вот так.

Хорошо изучено и измерено взаимное расположение ядер атомов водорода и кислорода и расстояние между ними. Оказалось, что молекула воды нелинейна. Вместе с электронными оболочками атомов молекулу воды, если на нее взглянуть «сбоку», можно было бы изобразить вот так: т. е. геометрически взаимное расположение зарядов в молекуле можно изобразить как простой тетраэдр. Все молекулы воды с любым изотопным составом построены совершенно одинаково.

Сколько молекул воды в океане?

Одна. И этот ответ не совсем шутка. Конечно, каждый может, посмотрев в справочник и узнав, сколько в Мировом океане воды, легко сосчитать, сколько всего в нем содержится молекул Н₂О. Но такой ответ будет не вполне верен. Вода — вещество особенное. Благодаря своеобразному строению отдельные молекулы взаимодействуют между собой. Возникает особая химическая связь вследствие того, что каждый из атомов водорода одной молекулы оттягивает к себе электроны атомов кислорода в соседних молекулах. За счет такой водородной связи каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя другими соседними молекулами, подобно тому как это изображено на схеме. Правда, эта схема чересчур упрощена — она плоская, иначе не изобразишь на рисунке. Представим себе несколько более верную картину. Для этого нужно учесть, что плоскость, в которой расположены водородные связи (они обозначены пунктиром), в молекуле воды направлена перпендикулярно к плоскости расположения водородных атомов.

Все отдельные молекулы Н₂О в воде оказываются связанными в единую сплошную пространственную сетку — в одну гигантскую молекулу. Поэтому вполне оправдано утверждение некоторых ученых физико-химиков, что весь океан — это одна молекула. Но не следует понимать это утверждение слишком буквально. Хотя все молекулы воды в воде и связываются между собой водородными связями, они в то же бремя находятся в очень сложном подвижном равновесии, сохраняя индивидуальные свойства и единичных молекул и образуя сложные агрегаты. Подобное представление приложимо не только к воде: кусок алмаза тоже одна молекула.

Как построена молекула льда?

Никаких особых молекул льда нет. Молекулы воды благодаря своему замечательному строению соединены в куске льда друг с другом так, что каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекулами. Это приводит к возникновению очень рыхлой структуры льда, в которой остается очень много свободного объема. Правильное кристаллическое строение льда выражается в изумительном изяществе снежинок и в красоте морозных узоров на замерзших оконных стеклах.

Как же все-таки построены молекулы воды в воде?

К сожалению, этот очень важный вопрос изучен еще недостаточно. Строение молекул в жидкой воде очень сложно. Когда лед плавится, его сетчатая структура частично сохраняется в образующейся воде. Молекулы в талой воде состоят из многих простых молекул — из агрегатов, сохраняющих свойства льда. При повышении температуры часть их распадается, их размеры становятся меньше.

Взаимное притяжение ведет к тому, что средний размер сложной молекулы воды в жидкой воде значительно превышает размеры одной молекулы воды. Такое необычайное молекулярное строение воды обусловливает ее необычайные физико-химические свойства.

Какова должна быть плотность воды?

Правда, очень странный вопрос? Вспомните, как была установлена единица массы — один грамм. Это масса одного кубического сантиметра воды. Значит, не может быть никакого сомнения в том, что плотность воды должна быть только такой, какая она есть. Можно ли в этом сомневаться? Можно. Теоретики подсчитали, что если бы вода не сохраняла рыхлую, льдоподобную структуру в жидком состоянии и ее молекулы были бы упакованы плотно, то и плотность воды была бы гораздо выше. При 25°С она была бы равна не 1,0, а 1,8 г/см

3.

При какой температуре вода должна кипеть?

Этот вопрос тоже, конечно, странен. Ведь вода кипит при ста градусах. Это знает каждый. Больше того, всем известно, что именно температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении и выбрана в качестве одной из опорных точек температурной шкалы, условно обозначенной 100°С.

Однако вопрос поставлен иначе: при какой температуре вода должна кипеть? Ведь температуры кипения различных веществ не случайны. Они зависят от положения элементов, входящих в состав их молекул, в периодической системе Менделеева.

Если сравнивать между собой одинаковые по составу химические соединения различных элементов, принадлежащих к одной и той же группе таблицы Менделеева, то легко заметить, что чем меньше атомный номер элемента, чем меньше его атомный вес, тем ниже температура кипения его соединений. Вода по химическому составу может быть названа гидридом кислорода. Н₂Те, H₂Se и H₂S — химические аналоги воды. Если проследить за температурами их кипения и сопоставить, как изменяются температуры кипения гидридов в других группах периодической системы, то можно довольно точно определить температуру кипения любого гидрида, так нее как и любого другого соединения. Сам Менделеев таким способом смог предсказать свойства химических соединений еще не открытых элементов.

Если же определить температуру кипения гидрида кислорода по положению его в периодической таблице, то окажется, что вода должна кипеть при -80° С. Следовательно, вода кипит приблизительно на сто восемьдесят градусов выше, чем должна кипеть. Температура кипения воды — это наиболее обычное ее свойство — оказывается необычайным и удивительным.

Свойства любого химического соединения зависят от природы образующих его элементов и, следовательно, от их положения в периодической системе химических элементов Менделеева. На этих графиках приведены зависимости температур кипения и плавления водородных соединений IV и VI группы периодической системы. Вода является поразительным исключением. Благодаря очень малому радиусу протона силы взаимодействия между ее молекулами столь велики, что разделить их очень трудно, поэтому вода кипит и плавится при аномально высоких температурах.

График А. Нормальная зависимость температуры кипения гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева. График Б. Среди гидридов элементов VI группы вода обладает аномальными свойствами: вода должна была бы кипеть при минус 80 — минус 90° С, а кипит при плюс 100° С.
График В. Нормальная зависимость температуры плавления гидридов элементов IV группы от их положения в таблице Менделеева. График Г. Среди гидридов элементов VI группы вода нарушает порядок: должна была бы плавиться при минус 100 °С, а ледяные сосульки тают при 0°С.

При какой температуре вода замерзает?

Не правда ли, вопрос не менее странен, чем предыдущие? Ну кто же не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить: при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической природой? Оказывается, гидрид кислорода на основании егс положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

Сколько существует жидких состояний воды?

На такой вопрос не так просто ответить. Конечно, тоже одно — привычная нам всем жидкая вода. Но вода в жидком состоянии обладает такими необыкновенными свойствами, что приходится задуматься: правилен ли такой простой, казалось бы, не вызывающий никаких сомнений ответ? Вода — единственное в мире вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем по мере повышения температуры начинает расширяться. Примерно при 4°С у воды наибольшая плотность. Эту редкостную аномалию в свойствах воды объясняют тем, что в действительности жидкая вода представляет собой сложный раствор совершенно необычайного состава: это раствор воды в воде.

При плавлении льда сначала образуются крупные сложные молекулы воды. Они сохраняют остатки рыхлой кристаллической структуры льда и растворены в обычной низкомолекулярной воде. Поэтому сначала плотность воды низкая, но с повышением температуры эти большие молекулы разрушаются, и поэтому плотность воды растет, пока не начнет преобладать обычное тепловое расширение, при котором плотность воды снова падает. Если это верно, то возможны несколько состояний воды, только их никто не умеет разделить. И пока неизвестно, удастся ли когда-нибудь это сделать. Такое необычайное свойство воды имеет огромное значение для жизни. В водоемах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода опускается вниз, пока температура всего водоема не достигнет 4°С. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остается сверху и всякое перемешивание прекращается. В результате создается необычайное положение: тонкий слой холодной воды становится как бы «теплым одеялом» для всех обитателей подводного мира. При 4°С они чувствуют себя явно неплохо.

Что должно быть легче — вода или лед?

Кто же этого не знает… Ведь лед плавает на воде. В океане плавают гигантские айсберги. Озера зимой покрыты плавающим сплошным слоем льда. Конечно, лед легче воды.

Но почему «конечно»? Разве это так ясно? Наоборот, объем всех твердых тел при плавлении увеличивается, и они тонут в своем собственном расплаве. А вот лед плавает в воде. Это свойство воды — аномалия в природе, исключение, и притом совершенно замечательное исключение.

Положительные заряды в молекуле воды связаны с атомами водорода. Отрицательные заряды — это валентные электроны кислорода. Их взаимное расположение в молекуле воды можно изобразить в виде простого тетраэдра.

Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами и лед был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее жидкой воды. Зимой намерзающий сверху более плотный лед тонул бы в воде, непрерывно опускаясь на дно водоема. Летом лед, защищенный толщей холодной воды, не мог бы растаять. Постепенно все озера, пруды, реки, ручьи промерзли бы нацело, превратившись в гигантские ледяные глыбы. Наконец, промерзли бы моря, а за ними и океаны. Наш прекрасный цветущий зеленый мир стал бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тонким слоем талой воды.

Сколько существует льдов?

В природе на нашей Земле — один: обычный лед. Лед — горная порода с необычайными свойствами. Он твердый, но течет, как жидкость, и существуют огромные ледяные реки, медленно стекающие с высоких гор. Лед изменчив — он непрерывно исчезает и образуется вновь. Лед необычайно прочен и долговечен — десятки тысячелетий хранит он в себе без изменений тела мамонтов, случайно погибших в ледниковых трещинах. В своих лабораториях человек сумел открыть еще, по крайней мере, шесть различных, не менее удивительных льдов. В природе их найти нельзя. Они могут существовать только при очень высоких давлениях. Обычный лед сохраняется до давления 208 МПа (мегапаскалей), но при этом давлении он плавится при — 22 °С. Если давление выше, чем 208 МПа, возникает плотный лед — лед-Ш. Он тяжелее воды и тонет в ней. При более низкой температуре и большем давлении — до 300 МПа — образуется еще более плотный лед-П. Давление сверх 500 МПа превращает лед в лед-V. Этот лед можно нагреть почти до 0 ° С, и он не растает, хотя и находится под огромным давлением. При давлении около 2ГПа (гигапаскалей) возникает лед-VI. Это буквально горячий лед — он выдерживает, не плавясь, температуру 80° С. Лед-VII, найденный при давлении ЗГПа, пожалуй, можно назвать раскаленным льдом. Это самый плотный и тугоплавкий из известных льдов. Он плавится только при 190° выше нуля.

Лед-VII обладает необыкновенно высокой твердостью. Этот лед может стать даже причиной внезапных катастроф. В подшипниках, в которых вращаются валы мощных турбин электростанций, развивается огромное давление. Если в смазку попадет хотя бы немного воды, она замерзнет, несмотря на то что температура подшипников очень высока. Образовавшиеся частицы льда-VII, обладающие огромной твердостью, начнут разрушать вал и подшипник и быстро выведут их из строя.

Может быть, лед и в космосе есть?

Как будто бы есть, и при этом очень странный. Но открыли его ученые на Земле, хотя такой лед на нашей планете существовать не может. Плотность всех известных в настоящее время льдов даже при очень высоких давлениях, лишь очень немного превышает 1 г/см³. Плотность гексагональной и кубической модификации льда при очень низких давлениях и температурах, даже близких к абсолютному нулю, немного меньше единицы. Их плотность равна 0,94 г/см³.

Но оказалось, что в вакууме, при ничтожных давлениях и при температурах ниже -170° С, при условиях, когда образование льда происходит при его конденсации из пара на охлаждаемой твердой поверхности, возникает совершенно удивительный лед. Его плотность… 2,3 г/см³. Все известные до сих пор льды кристаллические, а этот новый лед, по-видимому, аморфный, он характеризуется беспорядочным относительным расположением отдельных молекул воды; определенная кристаллическая структура у него отсутствует. По этой причине его иногда называют стеклянным льдом. Ученые уверены, что этот удивительный лед должен возникать в космических условиях и играть большую роль в физике планет и комет. Открытие такого сверхплотного льда было для физиков неожиданным.

Что нужно, чтобы лед растаял?

Очень много тепла. Гораздо больше, чем для плавления такого лее количества любого другого вещества. Исключительно большая удельная теплота плавления -80 кал (335 Дж) на грамм льда — таклее аномальное свойство воды. При замерзании воды такое нее количество тепла снова выделяется.

Когда наступает зима, образуется лед, выпадает снег и вода отдает обратно тепло, подогревает землю и воздух. Они противостоят холоду и смягчают переход к суровой зиме. Благодаря этому замечательному свойству воды на нашей планете существует осень и весна.

Сколько тепла нужно, чтобы нагреть воду?

Очень много. Больше, чем для нагревания равного количества любого другого вещества. Чтобы нагреть грамм воды на один градус, необходима одна калория (4,2 Дж). Это больше чем вдвое превышает теплоемкость любого химического соединения.

Вода — вещество, необычайное далее в самых обыденных для нас свойствах. Конечно, эта способность воды имеет очень большое значение не только при варке обеда на кухне. Вода — это великий распределитель тепла по Земле. Нагретая Солнцем под экватором, она переносит тепло в Мировом океане гигантскими потоками морских течений в далекие полярные области, где жизнь возможна только благодаря этой удивительной особенности воды.

Почему в море вода соленая?

Это, пожалуй, одно из самых важных следствий одного из самых удивительных свойств воды. В ее молекуле центры положительных и отрицательных зарядов сильно смещены относительно друг друга. Поэтому вода обладает исключительно высоким, аномальным значением диэлектрической проницаемости. Для воды е = 80, а для воздуха и вакуума е = 1. Это значит, что два любых разноименных заряда в воде взаимно притягиваются друг к другу с силой, в 80 раз меньшей, чем в воздухе. Ведь по закону Кулона:

Но все же межмолекулярные связи во всех телах, определяющие прочность тела, обусловлены взаимодействием между положительными зарядами атомных ядер и отрицательными электронами. На поверхности тела, погруженного в воду, силы, действующие между молекулами или атомами, ослабевают под влиянием воды почти в сотню раз. Если оставшаяся прочность связи между молекулами становится недостаточной, чтобы противостоять действию теплового движения, молекулы или атомы тела начинают отрываться от его поверхности и переходят в воду. Тело начинает растворяться, распадаясь либо на отдельные молекулы, как сахар в стакане чаю, либо на заряженные частицы — ионы, как поваренная соль.

Именно благодаря аномально высокой диэлектрической проницаемости вода — один из самых сильных растворителей. Она даже способна растворить любую горную породу на земной поверхности. Медленно и неотвратимо она разрушает даже граниты, выщелачивая из них легкорастворимые составные части.

Ручьи, речки и реки сносят растворенные водой примеси в океан. Вода из океана испаряется и вновь возвращается на землю, чтобы снова и снова продолжать свою вечную работу. А растворенные соли остаются в морях и океанах.

Не думайте, что вода растворяет и сносит в море только то, что легко растворимо, и что в морской воде содержится только обычная соль, которая стоит на обеденном столе. Нет, морская вода содержит в себе почти все элементы, существующие в природе. В ней есть и магний, и кальций, и сера, и бром, и йод, и фтор. В меньшем количестве в ней найдены железо, медь, никель, олово, уран, кобальт, даже серебро и золото. Свыше шестидесяти элементов нашли химики в морской воде. Наверное, будут найдены и все осталь ные. Больше всего в морской воде поваренной соли. Поэтому вода в море соленая.

Можно ли бегать по поверхности воды?

Можно. Чтобы в этом убедиться, посмотрите летом на поверхность любого пруда или озера. По воде не только ходит, но и бегает немало живого и быстрого народца. Если учесть, что площадь опоры лапок у этих насекомых очень мала, то нетрудно понять, что, несмотря на их небольшой вес, поверхность воды выдерживает, не прорываясь, значительное давление.

Может ли вода течь вверх?

Да, может. Это происходит всегда и повсеместно. Сама поднимается вода вверх в почве, смачивая всю толщу земли от уровня грунтовых вод. Сама поднимается вода вверх по капиллярным сосудам дерева и помогает растению доставлять растворенные питательные вещества на большую высоту — от глубоко скрытых в земле корней к листьям и плодам. Сама движется вода вверх в порах промокательной бумаги, когда вам приходится высушивать кляксу, или в ткани полотенца, когда вытираете лицо. В очень тонких трубочках — в капиллярах — вода может подняться на высоту до нескольких метров.

Чем это объясняется?

Еще одной замечательной особенностью воды — ее исключительно большим поверхностным натяжением. Молекулы воды на ее поверхности испытывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны, а у воды это взаимодействие аномально велико. Поэтому каждая молекула на ее поверхности втягивается внутрь жидкости. В результате возникает сила, стягивающая поверхность жидкости, У воды она особенно велика: ее поверхностное натяжение составляет 72 мН/м (миллиньютона на метр).

Может ли вода помнить?

Такой вопрос звучит, надо признать, очень необычно, но он вполне серьезен и очень важен. Он касается большой физико-химической проблемы, которая в своей наиболее важной части еще не исследована. Этот вопрос только поставлен в науке, но ответа на него она еще не нашла.

Вопрос в том: влияет или нет предыдущая история воды на ее физико-химические свойства и возможно ли, исследуя свойства воды, узнать, что происходило с ней ранее, — заставить саму воду «вспомнить» и рассказать нам об этом. Да, возможно, как это ни кажется удивительным. Проще всего это можно понять на простом, но очень интересном и необычайном примере — на памяти льда.

Лед — это ведь вода. Когда вода испаряется — меняется изотопный состав воды и пара. Легкая вода испаряется хотя и в ничтожной степени, но быстрее тяжелой.

При испарении природной воды состав изменяется по изотопному содержанию не только дейтерия, но и тяжелого кислорода. Эти изменения изотопного состава пара очень хорошо изучены, и так же хорошо исследована их зависимость от температуры.

Недавно ученые поставили замечательный опыт. В Арктике, в толще огромного ледника на севере Гренландии, была заложена буровая скважина и высверлен и извлечен гигантский ледяной керн длиной почти полтора километра. На нем были отчетливо различимы годичные слои нараставшего льда. По всей длине керна эти слои были подвергнуты изотопному анализу, и по относительному содержанию тяжелых изотопов водо рода и кислорода — дейтерия и 18О были определены температуры образования годичных слоев льда на каждом участке керна. Дата образования годичного слоя определялась прямым отсчетом. Таким образом была восстановлена климатическая обстановка на Земле на протяжении тысячелетия. Вода все это сумела запомнить и записать в глубинных слоях гренландского ледника.

В результате изотопных анализов слоев льда была построена учеными кривая изменения климата на Земле. Оказалось, средняя температура у нас подвержена вековым колебаниям. Было очень холодно в XV в., в конце XVII в. и в начале XIX. Самые жаркие годы были 1550 и 1930.

Тогда в чем же состоит загадка «памяти» воды?

Дело в том, что за последние годы в науке постепенно накопилось много поразительных и совершенно непонятных фактов. Одни из них установлены твердо, другие требуют количественного надежного подтверждения, и все они еще ждут своего объяснения.

Например, еще никто не знает, что происходит с водой, протекающей сквозь сильное магнитное поле. Физики-теоретики совершенно уверены, что ничего с ней при этом происходить не может и не происходит, подкрепляя свою убежденность вполне достоверными теоретическими расчетами, из которых следует, что после прекращения действия магнитного поля вода должна мгновенно вернуться в прежнее состояние и остаться такой, какой была. А опыт показывает, что она изменяется и становится другой.

Велика ли разница? Судите сами. Из обычной воды в паровом котле растворенные соли, выделяясь, отлагаются плотным и твердым, как камень, слоем на стенках котельных труб, а из омагниченной воды (так ее теперь стали называть в технике) выпадают в виде рыхлого осадка, взвешенного в воде. Вроде разница невелика. Но это зависит от точки зрения. По мнению работников тепловых электростанций, эта разница исключительно валена, так как омагниченная вода обеспечивает нормальную и бесперебойную работу гигантских электростанций: не зарастают стены труб паровых котлов, выше теплопередача, больше выработка электроэнергии. На многих тепловых станциях давно установлена магнитная подготовка воды, а как и почему она работает, не знают ни инженеры, ни ученые. Кроме того, на опыте подмечено, что после магнитной обработки воды в ней ускоряются процессы кристаллизации, растворения, адсорбции, изменяется смачивание… правда, во всех случаях эффекты невелики и трудно воспроизводимы.

Действие магнитного поля на воду (обязательно быстротекущую) длится малые доли секунды, а «помнит» вода об этом десятки часов. Почему — неизвестно. В этом вопросе практика далеко опередила науку. Ведь далее неизвестно, на что именно действует магнитная обработка — на воду или на содержащиеся в ней примеси. Чистой-то воды ведь не бывает.

«Память» воды не ограничивается только сохранением последствий магнитного воздействия. В науке существуют и постепенно накапливаются многие факты и наблюдения, показывающие, что вода как будто бы «помнит» и о том, что она раньше была заморожена.

Талая вода, недавно получившаяся при таянии куска льда, как будто бы тоже отличается от той воды, из которой этот кусок льда образовался. В талой воде быстрее и лучше прорастают семена, быстрее развиваются ростки; далее как будто бы быстрее растут и развиваются цыплята, которые получают талую воду. Кроме удивительных свойств талой воды, установленных биологами, известны и чисто физико-химические отличия, например талая вода отличается по вязкости, по значению диэлектрической проницаемости. Вязкость талой воды принимает свое обычное для воды значение только через 3-6 суток после плавления. Почему это так (если это так), толее никто не знает.

Большинство исследователей называют эту область явлений «структурной памятью» воды, считая, что все эти странные проявления влияния предыдущей истории воды на ее свойства объясняются изменением тонкой структуры ее молекулярного состояния. Может быть, это и так, но… назвать — это еще не значит объяснить. По-прежнему в науке существует важная проблема: почему и как вода «помнит», что с нею было.

Атомная физика

В молекуле водорода химическая связь двух атомов осуществляется, как мы видели, за счет влияния электронных облаков между атомами. В невозбужденных атомах эти электроны находятся в s-состояниях, и их волновые функции сферически симметричны. Форма перекрывания этих облаков показана на рис. 8.4-1.

Рис. 8.4. Форма перекрывания электронных оболочек: 1 — оба электрона находятся в s-состоянии;
2 — один из электронов находится в р—состоянии 

Но часто валентные электроны находятся в р-состоянии с угловым моментом, равным единице. В этом состоянии волновая функция, соответствующая нулевой проекции момента на какую-либо ось, пропорциональна косинусу угла q между этой осью и радиус-вектором. Следовательно, электронное облако имеет плотность, пропорциональную . Если изобразить такое облако на рисунке, то оно будет иметь форму восьмерки (точнее, тела, образованного вращением восьмерки вокруг продольной оси). Если такой р-электрон «спаривается» с s-электроном другого атома, то последний стремится «пристроиться» таким образом, чтобы перекрытие волновых функций было максимальным. Очевидно, что такая связь осуществляется в направлении вытянутости облака р-электрона (рис. 8.4-2).

Электронное облако в состоянии m = 0 «обволакивает» ось z, в двух других состояниях с проекциями  такие же облака вытянуты по осям x и y. Это помогает уяснить пространственное строение молекул различных веществ. Ниже мы приводим некоторые характерные примеры.

Вода Н₂0. Атом кислорода имеет две заполненные оболочки: 1s и 2s, на которых размещаются четыре электрона. Оставшиеся четыре валентных электрона находятся на оболочке 2р. Их электронные облака отталкиваются и стремятся расположиться подальше друг от друга: три облака вытягиваются по осям  и четвертому деваться некуда. Скажем, оно располагается по оси z, причем электрон имеет противоположный спин по сравнению с другим электроном, облако которого также расположено вдоль этой оси. Образуются спаренные электроны, не участвующие в химической связи. Для химической связи остаются свободными два электрона — облака по осям x и y. Атомы водорода, подсоединяясь, как было сказано, образуют молекулу треугольной формы (рис. 8.5), причем угол  между направлениями на атомы водорода должен быть равен 90°.

Рис. 8.5. Расположение атомов в молекуле воды

Но частично «оголенные» протоны также отталкиваются, и этот угол несколько возрастает: его экспериментальное значение . Это увеличение тем меньше, чем больше размер атома. Так, в аналогичном соединении  атом серы больше атома кислорода, отталкивание протонов слабее и угол уменьшается до . Еще больше атом селена, и в молекуле  атомы водорода расположены под углом .

Аммиак NH₃. Атом азота имеет конфигурацию . Как и в кислороде, четыре электрона, находящиеся в 1s и в 2s состояниях, спарены и не участвуют в химической связи. Остаются три p-электрона, и все три связи расположены по осям . При подсоединении трех атомов водорода образуется правильная треугольная пирамида с атомом азота в вершине (см. рис. 8.6).

Рис. 8.6. Расположение атомов в молекуле аммиака

Из-за отталкивания протонов углы  при вершине чуть больше . У похожего соединения, фосфина , угол ближе к прямому, а у   . Из объемности молекулы аммиака следует существование двух вырожденных состояний, отличающихся положением атома азота по ту или иную сторону от основания пирамиды. Однако вырождение снимается вследствие квантовомеханического туннелирования, что ведет к расщеплению вырожденных уровней. Переходы между ними приводят к излучению, которое сделало возможным создание аммиачного мазера.

Перекись водорода . В случае, когда спариваются два p-электрона, максимальное перекрытие получается, если их «восьмерки» ориентированы вдоль одной оси. Таким образом, соединяются два атома кислорода в молекуле перекиси водорода (рис. 8.7).

Рис. 8.7. Форма и расположение электронных облаков в молекуле перекиси водорода

К ним подсоединяются обычным способом атомы водорода, причем вследствие отталкивания атомы водорода подсоединяются к кислородным облакам вдоль разных осей, так что линия ОО и две линии НО на рис. 8.7 все взаимно ортогональны (на самом деле валентный угол между ОО и ОН возрастает до ).

В некоторых молекулах связи между атомами осуществляются не одной, а двумя или тремя парами электронов (двойные или тройные связи). Пример тройной связи: молекула , которую химики записывают в виде

(черточка соответствует паре электронов). Тройная связь атома углерода имеет место в молекуле ацетилена:

Двойная связь атома углерода в молекуле этилена:

 

Квантовая механика объясняет эти и более сложные типы связей.

Химические связи • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Электроны в атоме занимают ряд вложенных слоев (см. Атом Бора), при этом воздействию другого атома могут подвергаться, как правило, только электроны, находящиеся во внешнем слое (он называется валентным слоем). Когда электроны в двух атомах выстраиваются так, что возникает сила, удерживающая вместе эти два атома, мы говорим, что образуется химическая связь. Различают несколько видов химической связи.

Ионная связь

Когда внешние электронные слои полностью заполнены, общая энергия атомов понижается. Например, атом натрия, имеющий на внешнем слое один электрон, охотно отдает этот электрон. И наоборот, атом хлора, которому не хватает одного электрона для заполнения внешнего слоя, стремится присоединить электрон для завершения уровня. Когда атомы натрия и хлора оказываются рядом, натрий отдает электрон, а хлор его принимает. При этом атом натрия, потеряв отрицательный заряд, становится положительно заряженным ионом натрия, а атом хлора, получив дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным ионом хлора. По закону Кулона между двумя ионами возникает электростатическое притяжение, приводящее к образованию химической связи, которая и удерживает атомы вместе (см. также Правило октета).

С этой реакцией связано одно из чудес химии: бурно реагирующее вещество натрий и сильно ядовитый газ хлор, соединяясь, образуют обычную поваренную соль, широко применяемую в питании.

Ковалентная связь

Некоторые атомы, в основном это касается углерода, образуют связи по-другому. Когда два таких атома достаточно приближаются друг к другу, между ними возникает взаимодействие, которое можно рассматривать как длительный взаимный обмен электронами. Как будто атом бросает один из своих внешних электронов другому атому, затем ловит электрон другого атома и снова бросает его обратно в бесконечной игре в мяч. В соответствии с законами квантовой механики, такой обмен электронами вызывает силу притяжения, которая и удерживает атомы вместе.

Дело в том, что такой атом как углерод, имеющий четыре электрона во внешнем слое, может дополнить этот валентный слой до восьми электронов, образуя ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Поэтому атомы углерода способны образовывать молекулы с длинными цепями, какие мы наблюдаем в биологических системах). Некоторые ученые (и я в том числе) даже утверждают, что вследствие этого свойства атома углерода вся жизнь во Вселенной, как и жизнь на Земле, должна быть углеродной.

Металлическая связь

В металлах образуется химическая связь еще одного вида. Каждый атом в металле отдает один или два подвижных электрона, как бы делясь этими электронами со всеми соседними атомами металла. Эти квазисвободные электроны образуют что-то вроде желе, в котором располагаются тяжелые положительные ионы металла. Все это напоминает трехмерную пространственную решетку из стеклянных шариков в вязкой патоке — если толкнуть один из таких шариков, он слегка сдвинется, но сохранит свое положение относительно других. Точно так же атомы металла, потревоженные внешним механическим воздействием, останутся связанными друг с другом благодаря «электронному желе» (или «электронному газу»). Вот почему, если ударить по металлу молотком, останется вмятина, но сам кусок металла, скорее всего, не разломится. Именно «электронное желе» делает металлы хорошими проводниками электричества (см. Электронная теория проводимости).

Водородная связь

Строго говоря, это не химическая связь в том смысле, в каком мы рассматривали предыдущие три типа связи. Это, скорее, притяжение между отдельными молекулами. Многие молекулы, хотя и являются в целом нейтральными (то есть имеют одинаковое количество отрицательных электронов и положительных протонов в своем ядре), оказываются поляризованными. Это значит, что некоторые части таких молекул имеют суммарный отрицательный заряд, в то время как другие части — положительный. Конечно, суммарный заряд молекулы нейтрален, но положительный и отрицательный заряды распределены неравномерно.

Представим, что полярная молекула, как ее называют, приближается своей отрицательной областью к молекуле-мишени. Электростатическая сила со стороны этой отрицательной области больше, чем со стороны положительной, т. к. положительная область расположена дальше. Эта электростатическая сила вызывает в молекуле-мишени передвижение электронов прочь от точки контакта, тем самым создавая в этом месте молекулы-мишени незначительный положительный заряд. В результате между двумя молекулами возникает сила притяжения и, следовательно, образуется связь.

Самая известная полярная молекула — это молекула воды. Отрицательный заряд собирается вокруг атома кислорода, приводя к образованию слабого положительного заряда около атомов водорода. Благодаря такой поляризации вода является хорошим растворителем. Ее молекулы способны создавать связи более прочные, чем те, которые удерживают молекулы-мишени вместе. Связи, создаваемые посредством положительно заряженных атомов водорода, называются водородными связями. Поскольку молекул водорода очень много в биологических молекулах, водородные связи в них образуются достаточно часто. В частности, именно водородные связи удерживают вместе две спирали молекулы ДНК.

См. также:

Задачи к разделу Химическая связь и строение молекул

Решение. CH₃Br — ковалентная связь. Ковалентная связь возникает между атомами с близкими или равными значениями электроотрицательностей. Эта связь может рассматриваться как электростатическое притяжение ядер двух атомов к общей электронной паре.

В отличие от ионных соединений, молекулы ковалентных соединений удерживаются вместе за счет «межмолекулярных сил», которые намного слабее химических связей. В связи с этим, ковалентной связи характерна насыщаемость – образование ограниченного числа связей.

Известно, что атомные орбитали ориентированы в пространстве определенным образом, поэтому при образовании связи, перекрывание электронных облаков происходит в определенном направлении. Т.е. реализуется такое свойство ковалентной связи как направленность.

СаО – ионная связь.  Отдельные атомы какого-либо элемента будут стремиться к устойчивой восьмиэлектронной структуре, теряя или приобретая электроны. Атомы, захватившие электроны, имеют отрицательный заряд и называются анионами, атомы, потерявшие электрон, имеют положительный заряд и называются катионами. При встрече анионов с катионами образуется химическая связь, которая называется ионной связью, а соединение — ионным. Ионные соединения образуются, когда связываются атомы с большой разностью электроотрицательностей (более, чем 2,1). Логично предположить, что при соединении металлов с неметаллами, будет возникать ионное соединение с ионной связью, т.к. их электроотрицательности очень различаются.

Ионные соединения часто имеют сходные свойства. Они стремятся образовывать группы, которые, в свою очередь, образуют еще более крупные группировки, типа Li_nCl_m. Такие образования называются кристаллами. Это происходит из-за того, что для данного типа связи не характерна направленность и насыщаемость.

J₂ – Ковалентная неполярная связь. Если ковалентная связь в молекуле образована одинаковыми атомами или атомами с равной электроотрицательностью , то такая связь не имеет полярности , т.е электронная плотность распределяется симметрично. Называется она неполярной ковалентной связью. Связи могут быть как одинарными, так и двойными, тройными.

NH₄Cl — донорно-акцепторная связь. Является частным случаем ковалентной связи, когда один атом выступает в роли донора электронной пары, а другой атом — его акцептором (предоставляет свободную орбиталь).  Данную связь часто называют координационной, т.к. она часто возникает при образовании комплексных соединений. При образовании донорно-акцепторной связи электронная оболочка атома-акцептора пополняется парой электронов. В роли доноров и акцепторов кроме атомов и молекул, могут выступать катионы и анионы. При возникновении связи на атоме — доноре возникает  эффективный положительный заряд, а на атоме – акцепторе – эффективный отрицательный заряд.

Между NH₄⁺  и Cl^— — ионная связь. Между азотом и водородом ковалентная полярная и одна донорно-акцепторная связи.

Понятие о водородной связи » mozok.click

Вспомните: как образуется ковалентная связь.

Понятие о водородной связи

Благодаря полярности и электронному строению молекул воды между ними образуется особый тип химической связи — водородная связь. В отличие от уже известных вам типов химической связи, водородная связь является межмолекулярной, то есть образуется между молекулами.

Вспомним электронное строение молекулы воды, которое мы рассматривали еще в 8 классе: при образовании молекулы воды между атомами Оксигена и Гидрогена возникают две общие электронные пары, определяющие ковалентную связь в молекуле воды. При этом у атома Оксигена еще остаются две неподеленные электронные пары:

Эти электронные пары образуют повышенную электронную плотность вокруг атома Оксигена и позволяют ему взаимодействовать с другими частицами (ионами или молекулами), у которых «дефицит» электронной плотности. В молекуле воды связь между атомом Гидрогена и Оксигена очень полярная, то есть общие электронные пары значительно смещены в сторону атома Оксигена. Благодаря этому на атомах Гидрогена появляется «дефицит» электронов и возникает некоторый частичный положительный заряд.

Значит, между атомом Оксигена одной молекулы воды и атомом Гидрогена другой молекулы возникает дополнительное взаимодействие:

Такое взаимодействие называют водородной связью и обозначают рядом точек (рис. 5.1). Эта связь не так сильна, как ковалентная, но ее достаточно, чтобы удерживать молекулы воды вместе.

Водородная связь — это взаимодействие атома Гидрогена, соединенного с электроотрицательным атомом (Оксигена, Нитрогена или Флуора), одной молекулы со значительно более электроотрицательным атомом другой молекулы.

Влияние водородной связи на физические свойства веществ

В воде атом Оксигена благодаря двум неподеленным электронным парам образует связи с атомами Гидрогена двух соседних молекул воды. В свою очередь атомы Гидрогена этой молекулы образуют связи с атомами Оксигена других молекул воды (рис. 5.2). Таким образом каждая молекула воды может образовать по четыре водородные связи с другими молекулами воды. Это обусловливает специфические свойства воды: в твердом состоянии плотность льда меньше по сравнению с жидкой водой, поэтому при замерзании вода расширяется (рис. 5.3).

Благодаря дополнительному связыванию молекул водородными связями вода обладает аномальными физическими свойствами. Так, молекулярные вещества с небольшими молекулярными массами имеют низкие температуры кипения и плавления. Но благодаря водородным связям у воды аномально высокая температура кипения (M_r = 18, £_кип. = +100 °С) по сравнению, например, с кислородом (M_r = 32,

£кип. = -183°С), гидроген сульфидом (M_r = 34, *кип. = -60,8 °С), гидроген йодидом (M_r = 128, *кип. = -35,4 °С). Среди этих веществ у воды молекулы самые легкие, а температура кипения — самая высокая, поскольку на разрушение дополнительного взаимодействия нужно больше энергии (дополнительный нагрев). Наличие водородных связей обусловливает большое поверхностное натяжение воды, благодаря чему многие насекомые способны перемещаться по воде.

Возможностью образования водородных связей с молекулами других веществ, которые также способны образовывать такие связи, объясняется хорошая растворимость многих веществ в воде: спирта, сахара, ацетона, уксусной кислоты и др.

Наличие дополнительного связывания молекул водородными связями также приводит к аномально высокой теплоемкости воды: чтобы ускорить тепловое движение, молекулам необходимо значительно больше теплоты. Такая особенность воды имеет большое значение для формирования климата Земли. Вблизи морей и океанов климат мягче, чем в центре континентов.

Водородную связь могут образовывать не только молекулы воды, но и молекулы других веществ: неорганических (гидроген флуорида HF, аммиака NH₃ и др.) и органических (этилового спирта, ацетона, уксусной кислоты и др.), что объясняет их хорошую растворимость в воде.

Благодаря водородным связям молекулы белков и нуклеиновых кислот имеют спиральное строение, о чем вы подробнее узнаете на уроках биологии и при изучении органической химии.

Рис. 5.3. В жидкой воде молекулы расположены неупорядоченно и близко друг к другу; во льду молекулы расположены упорядоченно и на большем расстоянии, поэтому лед легче воды (а). При замерзании вода расширяется, в результате чего закрытая стеклянная бутылка, полная воды, в морозилке лопается (б)

Ключевая идея

Водородная связь — особый тип межмолекулярного взаимодействия. Наличие водородных связей обусловливает аномальные физические свойства воды, а также растворимость многих веществ.

Контрольные вопросы

54. Какую связь называют водородной? Благодаря чему она образуется?

55. Как влияет наличие водородной связи на физические свойства воды?

56. Сравните приведенные в тексте параграфа молекулярные массы соединений и их температуры кипения. Какой факт свидетельствует о наличии водородной связи между молекулами воды?

57. Почему возможность образования водородной связи влияет на растворимость веществ, теплоемкость и поверхностное натяжение воды?

Задания для усвоения материала

58*. Используя пластилин или другой материал, изготовьте модели молекул воды и соедините их водородными связями, как показано на рисунке 5.2. По возможности создайте компьютерную модель.

59*. В дополнительных источниках найдите информацию о влиянии водородной связи на физические свойства веществ и ее роль в биологических системах.

 

Это материал учебника Химия 9 класс Григорович

 

Химические связи — MHCC Biology 112: Biology for Health Professions

Атомы могут образовывать несколько типов химических связей. Эти связи представляют собой взаимодействия между двумя атомами, которые удерживают атомы вместе. Важно понимать различные типы связей, потому что они помогают определить, как разные молекулы функционируют в организме. Существует четыре типа связей или взаимодействий: ковалентные, ионные, водородные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия.

Ковалентные облигации

Другой тип прочной химической связи между двумя или более атомами — это ковалентная связь .Эти связи образуются, когда электрон разделяется между двумя элементами. Ковалентные связи являются самой прочной (* см. Примечание ниже) и наиболее распространенной формой химической связи в живых организмах.

Атомы водорода и кислорода, которые объединяются в молекулы воды, связаны прочными ковалентными связями. Электрон от атома водорода делит свое время между атомом водорода и атомом кислорода. Чтобы атом кислорода был стабильным, необходимы два электрона от двух атомов водорода, отсюда и индекс «2» в H ₂ O.H ₂ O означает, что 2 атома водорода связаны с 1 атомом кислорода (1 подразумевается под O в химической формуле). Это совместное использование делает атомы водорода и кислорода более химически стабильными.

Есть два типа ковалентных связей: полярные и неполярные (рис. 3). Неполярные ковалентные связи образуются между двумя атомами, которые разделяют электроны поровну, поэтому на молекуле нет общего заряда. Например, атом кислорода может связываться с другим атомом кислорода.Эта ассоциация неполярная , потому что электроны будут поровну распределены между каждым атомом кислорода. Другой пример неполярной ковалентной связи обнаружен в молекуле метана (CH ₄ ). Атом углерода делит электроны с четырьмя атомами водорода. Все атомы углерода и водорода делят электроны поровну, образуя четыре неполярные ковалентные связи (рис. 3).

В полярной ковалентной связи электроны, разделяемые атомами, проводят больше времени ближе к одному атому, чем к другому.Из-за неравномерного распределения электронов между атомами возникает слегка положительный (δ +) или слегка отрицательный (δ–) заряд. Ковалентные связи между атомами водорода и кислорода в воде являются полярными ковалентными связями. Общие электроны проводят больше времени рядом с кислородом, чем с водородом. Это означает, что кислород имеет небольшой отрицательный заряд, а атомы водорода имеют небольшой положительный заряд.

Рисунок 3 Молекула воды (слева) изображает полярную связь со слегка положительным зарядом на атомах водорода и слегка отрицательным зарядом на кислороде.Примеры неполярных связей включают метан (в центре) и кислород (справа).

* НО ПОДОЖДИТЕ! В химии я узнал, что ионные связи сильнее ковалентных! Что с этим?

Оказывается, химики и биологи по-разному измеряют прочность связи. Химики измеряют абсолютную прочность связи (что-то вроде теоретической прочности). Ионные связи очень сильны при таком измерении. Биологов больше интересует, как связь ведет себя в биологической системе, которая обычно является водной (на водной основе).В воде ионные связи распадаются гораздо легче, чем ковалентные, поэтому биологи сказали бы, что они слабее.

Итак, каков правильный ответ? Зависит от того, на уроке химии или биологии! Если вы заглянете в учебник биологии, он почти всегда скажет вам, что ковалентные связи сильнее. Если вы посмотрите в учебник химии, вы увидите нечто иное. Это отличный пример того, как одна и та же информация может привести к разным ответам в зависимости от точки зрения, с которой вы ее смотрите.

Итак, какой ответ вы должны дать этому классу? Поскольку это урок биологии, вы должны сказать, что ковалентные связи сильнее ионных, потому что они действуют сильнее в водных растворах.

Ионные связи

Атомы обычно имеют равное количество протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд). Это означает, что атомы обычно не заряжены, потому что количество положительно заряженных частиц равно количеству отрицательно заряженных частиц. Когда атом не содержит равного количества протонов и электронов, он будет иметь чистый заряд.Атом с чистым зарядом называется ионом . Положительные ионы образуются при потере электронов. Отрицательные ионы образуются за счет приобретения электронов. Атомы могут терять и отдавать электроны, чтобы стать более стабильными.

Рисунок 1 Если натрий (Na) отдает электрон хлору (Cl), атом натрия становится положительно заряженным (Na +), а атом хлора становится отрицательно заряженным (Cl-).

Когда элемент отдает электрон из своей внешней оболочки, как в примере с атомом натрия выше, образуется положительный ион (рис. 2).Элемент, принимающий электрон, теперь заряжен отрицательно. Поскольку положительные и отрицательные заряды притягиваются, эти ионы остаются вместе и образуют ионную связь или связь между ионами. Элементы связываются вместе с электроном одного элемента, оставаясь преимущественно с другим элементом. Когда Na и Cl объединяются с образованием NaCl, электрон атома натрия остается с другими семью электронами в атоме хлора, образуя положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион хлора.Ионы натрия и хлора притягиваются друг к другу.

Рисунок 2 Образование ионного соединения NaCl.

Водородные связи

Ионные и ковалентные связи — это прочные связи, для разрыва которых требуется значительная энергия. Однако не все связи между элементами являются ионными или ковалентными связями. Могут образоваться и более слабые связи. Это притяжения, возникающие между положительными и отрицательными зарядами, для разрушения которых не требуется много энергии.Две часто встречающиеся слабые связи — это водородные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Эти связи создают уникальные свойства воды и уникальные структуры ДНК и белков.

Когда образуются полярные ковалентные связи, содержащие атом водорода, атом водорода в этой связи имеет слегка положительный заряд. Это связано с тем, что общий электрон сильнее притягивается к другому элементу и от ядра водорода. Поскольку атом водорода слегка положителен (δ +), он будет притягиваться к соседним частичным отрицательным зарядам (δ–).Когда это происходит, происходит слабое взаимодействие между зарядом δ + атома водорода одной молекулы и зарядом δ– другой молекулы. Это взаимодействие называется водородной связью. Этот тип облигации распространен; например, жидкая природа воды вызвана водородными связями между молекулами воды (рис. 4). Водородные связи придают воде уникальные свойства, поддерживающие жизнь. Если бы не водородная связь, вода была бы газом, а не жидкостью при комнатной температуре.

Рисунок 4 Водородные связи образуются между слегка положительными (δ +) и слегка отрицательными (δ–) зарядами полярных ковалентных молекул, таких как вода.

Водородные связи могут образовываться между разными молекулами, и они не всегда должны включать молекулу воды. Атомы водорода в полярных связях внутри любой молекулы могут образовывать связи с другими соседними молекулами. Например, водородные связи удерживают вместе две длинные нити ДНК, чтобы придать молекуле ДНК характерную двухцепочечную структуру. Водородные связи также ответственны за некоторые трехмерные структуры белков.

Взаимодействия Ван-дер-Ваальса

Подобно водородным связям, ван-дер-ваальсовы взаимодействия представляют собой слабое притяжение или взаимодействие между молекулами.Они возникают между полярными ковалентно связанными атомами в разных молекулах. Некоторые из этих слабых притяжений вызваны временными частичными зарядами, которые образуются при движении электронов вокруг ядра. Эти слабые взаимодействия между молекулами важны в биологических системах.

Список литературы

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

OpenStax, Концепции биологии. OpenStax CNX. 22 марта 2017 г. https://cnx.org/contents/[email protected]: IBRqRY3C @ 8 / Строительные блоки молекулы

% PDF-1.4 % 312 0 объект > эндобдж xref 312 101 0000000017 00000 н. 0000002493 00000 н. 0000003725 00000 н. 0000004450 00000 н. 0000004477 00000 н. 0000004615 00000 н. 0000004755 00000 н. 0000004836 00000 н. 0000004862 00000 н. 0000005233 00000 п. 0000005399 00000 н. 0000005514 00000 н. 0000005609 00000 н. 0000005705 00000 н. 0000005841 00000 н. 0000198272 00000 н. 0000283847 00000 н. 0000284361 00000 н. 0000284749 00000 н. 0000288473 00000 н. 0000288592 00000 н. 0000288975 00000 н. 0000289270 00000 н. 0000306785 00000 н. 0000307174 00000 н. 0000307281 00000 н. 0000307710 00000 н. 0000307999 00000 н. 0000329806 00000 н. 0000330219 00000 п. 0000330384 00000 н. 0000330499 00000 н. 0000330602 00000 н. 0000330767 00000 н. 0000330969 00000 п. 0000331066 00000 н. 0000331190 00000 н. 0000331314 00000 н. 0000331438 00000 п. 0000331583 00000 н. 0000331748 00000 н. 0000331929 00000 н. 0000332053 00000 н. 0000332222 00000 н. 0000332403 00000 н. 0000332520 00000 н. 0000332657 00000 н. 0000332800 00000 н. 0000332965 00000 н. 0000333124 00000 н. 0000333248 00000 н. 0000333393 00000 н. 0000333558 00000 н. 0000333737 00000 н. 0000333860 00000 н. 0000334004 00000 н. 0000334141 00000 п. 0000334306 00000 н. 0000334485 00000 н. 0000334622 00000 н. 0000334745 00000 н. 0000334868 00000 н. 0000335033 00000 н. 0000335213 00000 н. 0000335336 00000 п. 0000335473 00000 н. 0000335638 00000 п. 0000335818 00000 н. 0000335983 00000 п. 0000336140 00000 п. 0000336263 00000 н. 0000336407 00000 н. 0000336572 00000 н. 0000336729 00000 н. 0000336894 00000 н. 0000337029 00000 н. 0000337174 00000 н. 0000337318 00000 н. 0000337483 00000 н. 0000337661 00000 н. 0000337780 00000 н. 0000337903 00000 н. 0000338047 00000 н. 0000338186 00000 н. 0000338351 00000 п. 0000338500 00000 н. 0000338619 00000 н. 0000338784 00000 н. ou # O3% üg «W̩5a8Qz) m% -iIK ڤ R

D = L4E

Молекулы воды разрывают связи посредством квантового туннелирования | Наука

Страна: Страна * AfghanistanAland IslandsAlbaniaAlgeriaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBolivia, многонациональное государство ofBonaire, Синт-Эстатиус и SabaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика theCook IslandsCosta RicaCote D’IvoireCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland острова (Мальвинские ) Фарерские острова, Фиджи, Финляндия, Франция, Французская Гвиана, Французская Полинезия, Французские Южные территории, Габон, Гамбия, Грузия, Германия, Гана, Гибралтар, Греция, Гренландия, Гренада, Гваделупа, Гватемала, Гернси, Гвинея, Гвинея-Бисау, Гайана, Гаити, Остров Херд и МакДональда IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran, Исламская Республика ofIraqIrelandIsle из ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKorea, Корейская Народно-Демократическая Республика ofKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народная Демократическая RepublicLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Арабская JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacaoMacedonia, бывшая югославская Республика ofMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorwayOmanPakistanPalestinianPanamaPapua Новый GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalQatarReunionRomaniaRussian FederationRWANDASaint BarthélemySaint Елены, Вознесения и Тристан-да-КуньяСент-Китс и НевисСент-ЛюсияСент-Мартен (французская часть) Сен-Пьер и МикелонСент-Винсент и ГренадиныСам oaSan MarinoSao Том и PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint Маартен (Голландская часть) SlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Джорджия и Южные Сандвичевы IslandsSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwanTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTimor-LesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабского EmiratesUnited KingdomUnited StatesUruguayUzbekistanVanuatuVenezuela, Боливарианская Республика ofVietnamVirgin остров, BritishWallis и Футуна Западная Сахара Йемен Замбия Зимбабве

Пожертвовать сейчас

Поддержка некоммерческой научной журналистики

Если мы чему-то научились из пандемии COVID-19, так это тому, что мы не можем дождаться реакции кризиса. Science и AAAS неустанно работают над предоставлением достоверной, основанной на фактах информации о последних научных исследованиях и политике с широким бесплатным освещением пандемии. Ваш не подлежащий налогообложению вклад играет решающую роль в поддержании этих усилий.

Раскрытие благотворительной информации

Школа биомедицинских наук вики

Из Вики Школы биомедицинских наук

Вода (химическая формула: H ₂ O) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Каждый атом водорода образует ковалентную связь с кислородом. Кислород имеет более высокую электроотрицательность, чем водород, из-за двух неподеленных пар электронов. Это вызывает область небольшой отрицательности (хотя и недостаточной для образования иона) на кислороде по сравнению с атомами водорода. Этот пространственный дисбаланс электронов представлен дельта-отрицательным знаком (δ-) на кислороде и дельта-положительным знаком (δ +) на атомах водорода ^[1] . Когда молекулы воды взаимодействуют друг с другом, положительно заряженная область (атом водорода) одной молекулы воды образует слабую водородную связь с отрицательно заряженной областью (атомом кислорода) второй молекулы воды ^[2] .Это водородная связь, и хотя она не такая прочная, как ковалентная, она очень стабильна и отвечает за свойства и, следовательно, обилие воды на Земле.

Вода представляет собой изогнутую молекулу, в которой распределение заряда асимметрично. В результате наличия в воде заряженных областей вода представляет собой полярную молекулу и может проводить электричество. Молекулы воды реагируют с молекулами в водном растворе за счет образования водородных связей и ионных взаимодействий. Эти взаимодействия означают, что вода является хорошим растворителем и может растворять полярные молекулы и ионы.Вода имеет небольшие молекулы и сохраняет физическое состояние жидкости в широком диапазоне температур, а также обладает высокой связностью. Сети водородных связей скрепляют структуру льда и жидкой воды. Эти взаимодействия ответственны за сцепление воды. Вода участвует во многих различных реакциях и своим присутствием может влиять на несколько нековалентных связей. Примерами нековалентных связей, на которые может повлиять присутствие воды, являются электростатические взаимодействия, водородные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия (мгновенные дипольные и индуцированные дипольные эффекты).Более того, когда вода не может реагировать с неполярными молекулами посредством водородных связей или ионных взаимодействий, результатом является гидрофобный эффект, который сопровождается гидрофобными взаимодействиями ^[3] .

Человек содержит около 40 литров воды, и как одноклеточные организмы, так и многоклеточные клетки живут в воде.

Многие болезни связаны с водой, например избыток воды (гипергидратация), недостаток воды (обезвоживание), и многие микроорганизмы используют воду как средство переноса и распространяются через воду, например.грамм. Холера.

Таким образом, вода очень важна для жизни и считается универсальным растворителем. Он помогает растворять в нашем организме такие вещества, как ионы, и участвует во многих химических реакциях в организме, даже на клеточном уровне ^[4] .

Список литературы

1. ↑ Джим Кларк (2000 г. — последнее изменение в феврале 2015 г.) Chemguide доступно на http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/hbond.html 19/10/15
2. ↑ Альбертс и др., Молекулярная биология клетки, 5-е издание, 2008 г., Garland Science, Нью-Йорк, стр. 51
3. ↑ Берг Джереми М., Тимочко Джон Л., Страйер Луберт. (2007) Биохимия, Шестое издание, Нью-Йорк, W.H. Фримен и компания. Р8-9
4. ↑ Pohorille, Andrew & amp; amp; Пратт, Лоуренс. (2012). Является ли вода универсальным растворителем жизни ?. Истоки жизни и эволюция биосферы: журнал Международного общества по изучению происхождения жизни. 42. 10.1007 / s11084-012-9301-6.

Определение и примеры ковалентной связи

Определение ковалентной связи
n., koʊˈveɪlənt bɑnd
Тип химической связи, в которой два или более атомов имеют одну или несколько электронных пар, разделяющих одну или несколько электронных пар

Определение ковалентной связи

Что такое ковалентная связь? В химии и других областях фундаментальной науки ковалентная связь определяется как химическая связь, в которой два или более атомов имеют одну или несколько электронных пар. Как насчет биологии? Что означает ковалентная связь? В биологии ковалентная связь является одним из трех основных типов химических связей, которые имеют биологическое значение; два других — ионные и водородные связи.Однако ковалентная связь отличается от этих двух связей тем, что электроны распределяются между атомами, ионами или молекулярными составляющими биологического соединения.

Этимология: из -co , что означает «вместе» и «валент» , «валентность» , от латинского valentia , что означает «сила» или «вместимость» .
Синонимы: молекулярная связь.

Характеристики ковалентных связей

Что такое ковалентные связи? Они состоят из одновременного притяжения ядер для электронных пар.Эти электроны, которые распределяются между ядрами или атомами, являются одной из основных характеристик, определяющих ковалентную связь. Ковалентное связывание подразумевает, что совместно использует электронов в паре (ах), а не в процессе передачи и получения. Электроны перемещаются между ядрами атомов, которые удерживаются вместе и находятся на стабильном расстоянии друг от друга. Именуемая электронной парой (также называемой парой связей или парой Льюиса ), пара будет состоять из двух электронов на одной молекулярной орбитали, но иметь противоположные спины.Ковалентная связь образуется только на орбиталях с неспаренными электронами. Эти две орбитали перекрываются и образуют ковалентную связь. (Ref.1)

У атома углерода, например, четыре валентных электрона на внешней оболочке. Вместо того, чтобы терять электроны, он разделяет их с другими атомами, если они имеют сравнимую электроотрицательность для возникновения ковалентной связи (см. Рисунок ниже). Помимо углерода, наиболее распространенными формами атомов в живой системе являются водород, кислород, азот, фосфор, кислород и сера.У каждого из них есть крайняя орбиталь с характерным числом электронов. Водород имеет один, углерод — четыре, азот и фосфор — пять, кислород и сера — шесть. Их атомы могут легко образовывать ковалентные связи с другими атомами. Следовательно, они редко существуют как изолированные объекты. (Ссылка 2)

Физические свойства ковалентной связи

Пара электронов между атомами или молекулами, которые ковалентно связываются, приведет к разделению электронов, а не отдает или забирает электроны, как это ожидается в ионной связи.Объяснение того, почему они делятся, а не теряют или забирают электроны, связано с электроотрицательностью. Электроотрицательность — это физическое свойство химической связи, которое помогает объяснить, как атом притягивает к себе электроны. В ковалентной связи электроотрицательность двух атомов не является ни сильной, ни слабой, но в некоторой степени одинакова. Электроотрицательные силы между ними несколько нейтральны, и поэтому они просто делятся своими электронами. См. Картинку ниже.

Эта диаграмма показывает, что электроны в ковалентной связи не теряются и не приобретаются, а разделяются, потому что электроотрицательность между атомами одинакова.Здесь показано, что углерод делит электроны с двумя молекулами кислорода.

Было показано, что соединения с ковалентными связями имеют низкие температуры кипения и плавления. У них низкая проводимость. Они не проводят электричество. Соединения с ионными связями имеют тенденцию быть более проводящими, поскольку их составляющие представляют собой заряженные частицы, способные переносить электроны. Эти сложные свойства связаны с теорией Льюиса ковалентной связи. Согласно этой теории, атомы имеют тенденцию делиться своими валентными электронами.Это позволяет каждому атому создавать свой собственный октет, и в результате повышается стабильность. (Ref.3)

Ковалентная связь по сравнению с ионной связью

В то время как ионные связи включают перенос электронов от одного к другому, ковалентные связи включают обмен электронами между атомами. Утверждается, что нет чистой ионной связи. Ионная связь имеет в ней ковалентный характер. Связь считается ионной, а не ковалентной, когда существует большая разница в электроотрицательности между двумя атомами.Вот что происходит между атомами натрия и хлора. Ион натрия связывается с ионом хлора, и в результате получается хлорид натрия. (Ссылка 4) Обратитесь к таблице ниже для получения дополнительной информации и фактов. Также будут описаны различия между ионной связью и ковалентной связью.

	Ионная связь	Ковалентная связь
Образование	Ионная связь образована переносом электронов между атомами одного металла и одного неметалла.Соединение, образующее ионную связь, называется ионным соединением .	Ковалентная связь образуется за счет разделения электронов между атомами двух элементов, например между двумя неметаллами.
Электроотрицательность (то есть способность атома притягивать к себе электроны)	Сильная электроотрицательность одного атома притягивает электрон (ы) от другого атома. Сильно электроотрицательный атом может получить электрон (ы) и стать анионом . И наоборот, слабо электроотрицательный атом теряет электрон (ы) и становится катионом .	Электроотрицательность одного атома недостаточно велика или несколько совпадает с электроотрицательностью другого атома, поэтому атомы имеют тенденцию делиться, а не получать или отдавать электроны для достижения стабильной электронной конфигурации.
Образование соли	Электростатическое притяжение между анионом и катионом образует ионное соединение. Многие из ионных соединений называются солями, поскольку они могут быть образованы в результате реакции нейтрализации между основанием (например.грамм. OH-) и кислоты (H +).	Связь, которая образуется между атомами, не приводит к образованию соли.
Состояние при комнатной температуре	Твердые тела с кристаллографической решеткой	Твердые тела, жидкости, газы
Типы	—	Одинарная связь, двойная связь, тройная связь, (в зависимости от сигма-связи и пи-связи вовлечена)

Ковалентная связь по сравнению с водородной связью

Как следует из названия, водородная связь — это химическая связь, в которой водород служит мостиком между двумя атомами.Подобно ковалентной связи, водородная связь является обычной химической связью в органических соединениях, особенно нуклеиновых кислотах и ​​белках. Водородная связь отвечает за образование вторичных и третичных структур нуклеиновых кислот и белков.

Одним из основных различий между ковалентной связью и водородной связью является электроотрицательность задействованных атомов. В ковалентной связи электроотрицательности двух атомов сопоставимы. И наоборот, водородная связь образуется, когда слегка положительный атом водорода полярной ковалентной связи образует электростатическую связь с более электроотрицательным атомом полярной ковалентной связи в той же или другой молекуле.

Типы ковалентных связей

сигма (σ) связь по сравнению с пи (π) связью

Существуют различные способы классификации ковалентных связей. Например, они могут быть классифицированы как сигма (σ) связь или пи (π) связь в зависимости от ковалентного образования и взаимодействия. Связи σ образуются за счет лобового перекрытия атомных орбиталей. Это самый прочный тип ковалентной связи. π-связи представляют собой ковалентные связи, образованные, когда две доли орбитали на одном атоме латерально перекрывают две доли орбитали на другом атоме.

Одинарная связь, двойная связь, тройная связь

Ковалентная связь может быть одинарной, двойной или тройной. Одинарная связь (-) — это когда атомы разделяют два электрона. Обычно это сигма (σ) связь. Например, молекула воды имеет два атома водорода и центральный атом кислорода, которые удерживаются вместе двумя простыми ковалентными связями. Каждый атом водорода разделяет пару электронов с атомом кислорода.

Двойная связь (=) — это обмен четырьмя электронами между двумя химическими элементами.Более сильная связь σ и более слабая связь pi (π) часто образуют двойную связь. Примерами двойных связей являются алкены, азосоединения, имины и сульфоксиды.

Когда ковалентная связь включает шесть электронов между двумя атомами, это тройная связь. Тройная связь (≡) обычно имеет одну σ-связь и две π-связи. Примером может служить тройная связь в алкинах, цианидах, изоцианидах и монооксиде углерода.

Одинарная связь является самой слабой из трех, поскольку существует только одна связь, которая соединяет два атома вместе.

Другие примеры ковалентных связей

Органические соединения

Ковалентные связи, аналогичные другим химическим связям, помогают образовывать химическое соединение, такое как органическое соединение, которое содержит атомы углерода, которые обычно ковалентно связаны с другими атомами. Органические соединения имеют жизненно важное значение, потому что все живые существа основаны на этих соединениях. Примерами органических соединений являются углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, которые участвуют в различных метаболических процессах.

Двухатомная молекула водорода

Описание: трехмерная структура двухатомной молекулы водорода

Двухатомная молекула водорода h3 представляет собой комбинацию двух атомов водорода. Одна ковалентная связь удерживает два атома вместе. Таким образом, его можно записать как H-H. Прочерк (-) означает ковалентную связь между двумя атомами водорода.

Молекула воды

Молекула воды

Молекула воды состоит из одного расположенного в центре кислорода и двух меньших атомов водорода, связанных с кислородом ковалентной связью.Это приводит к частично положительному полюсу и частично отрицательному полюсу. Это делает воду полярной молекулой. Однако, помимо ковалентной связи, молекула воды может образовывать временную водородную связь с ближайшей молекулой воды.

См. Также

Ссылки

1. Ковалентное соединение | Химическое соединение | Сиявула. (2020). Siyavula.Com; Сиявула. https://www.siyavula.com/read/science/grade-10/chemical-bonding/06-chemical-bonding-03
2. Лодиш, Х., Берк, А., С. Лоуренс Зипурски, Мацудаира, П., Балтимор, Д., и Дарнелл, Дж. (2013). Ковалентные связи. Nih.Gov; В. Х. Фриман. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21595/‌
3. Ковалентная связь | Безграничная химия. (2020). Lumenlearning.Com. https://courses.lumenlearning.com/boundless-chemistry/chapter/the-covalent-bond/
4. Основы химического связывания. (23 июня 2019 г.). Получено с https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Chemical_Bonding/Fundamentals_of_Chemical_Bonding
.Контент предоставлен и модерируется редакторами BiologyOnline.

полярных и неполярных молекул

полярных и неполярных молекул

Полярные и неполярные молекулы


Нефть и вода не смешиваются, верно? Вот почему вы взбалтываете заправку для салата; чтобы временно заставить их вместе. Почему добавление небольшого количества средства для мытья посуды (мыла) помогает удалить жир с грязной посуды лучше, чем вода? Почему химчистка удаляет пятна, которых не убирают мыло и вода? Ответ связан с химическими свойствами используемых нами растворителей и химическими свойствами веществ, которые мы пытаемся растворить (растворенных веществ).Мы вернемся к этим примерам позже.

нефть и вода несовместимы


Химические связи : Атомы ищут более стабильные состояния. Структура атома похожа на структуру Солнечной системы. Большие протоны (с положительным зарядом) и нейтроны (без заряда) находятся в ядре или центре. Крошечные электроны (с отрицательными зарядами) быстро вращаются по орбитам вокруг ядра, образуя электронные оболочки на разных расстояниях, во многом подобно планетам и другим объектам, которые вращаются вокруг Солнца.Атомы каждого элемента имеют различное количество электронов в их внешних оболочках. Атомы становятся более стабильными, когда их внешние электронные оболочки опустошаются или заполняются. Один из способов достижения этой цели состоит в том, чтобы два атома совместно использовали один или несколько электронов между собой, чтобы каждый из них мог заполнить или опустошить эту самую внешнюю оболочку. Но они могут разделить электрон (ы) только в том случае, если они будут находиться близко друг к другу, и это называется ковалентной связью. В других ситуациях один атом может стать более стабильным, потеряв электроны, а другой может стать более стабильным, получив их.Атом, получивший электрон (помните, что электроны имеют отрицательный заряд), становится отрицательно заряженным (-1), а атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным (+1). Вот небольшая шутка, которая поможет вам вспомнить …

Когда атом теряет электрон, его суммарный заряд изменяется от 0 (нейтральный) до +1 (положительный)

Образование ионной связи — это окислительно-восстановительная реакция. Один атом теряет электроны (окисление), а другой получает электроны (восстановление) .Атомы, несущие заряд, положительный или отрицательный, называются ионами, и, поскольку противоположности притягиваются, они могут образовывать ионную связь. Ионные и ковалентные связи являются наиболее важными во всей химии. Вот небольшая шутка, которая поможет вам вспомнить …

При ионных связях атомы отдают или отдают электроны. В случае ковалентных связей они должны их разделить.

противоположные полюса магнита притягиваются


А теперь подумайте о магните.Магниты имеют как положительный (+) полюс, так и отрицательный (-) полюс. Так что сделайте батарейки. Земля тоже. Когда вещи разные на каждом конце, мы называем их полярными . У некоторых молекул тоже есть положительные и отрицательные концы, и когда они есть, мы называем их полярными. Если нет, мы называем их неполярными. Полярные предметы могут притягиваться и отталкиваться (противоположные заряды притягиваются, одинаковые заряды отталкиваются). Два магнита на изображении выше будут притягиваться, потому что их противоположные полюса находятся рядом. Переверните одну из них, и они будут отталкивать друг друга.




молекулы воды полярны


Вода — полярная молекула. Хотя общий заряд молекулы нейтрален, ориентация двух положительно заряженных атомов водорода (+1 каждый) на одном конце и отрицательно заряженного кислорода (-2) на другом конце дает ей два полюса. Это свойство заставляет молекулы воды слабо притягиваться к другим молекулам воды (от положительного к отрицательному, от отрицательного к положительному) и приводит к сцеплению воды с самой собой. Например, капли воды на плоском куске стекла образуют капли и поднимаются вверх.
фосфолипидный бислой клеточной мембраны
Ваши клеточные мембраны состоят из двух слоев фосфолипидов. Полярные головки (круглые части , фосфо ) обращены наружу, а неполярные хвосты (липиды — помните, что липиды — это жиры) обращены к середине мембраны. Вода, которая является полярной, поэтому прилипает к себе и прилипает к фосфатам на внешней и внутренней поверхностях мембраны, но она отталкивается (точно так же, как масло и вода) от центра мембраны. .Головы гидрофильные (водолюбивые), а хвосты гидрофобные (водобоязненные). Эта продуманная конструкция делает клеточные мембраны влажными на своей поверхности, но водонепроницаемыми в середине. Небольшие неполярные молекулы, такие как кислород и углекислый газ, могут дрейфовать прямо через мембрану, но все полярные или большие молекулы застревают, и их нужно будет активно переносить через одни из ворот клетки.

сечение мыльной «мицеллы»




Так почему мыло и моющие средства моют нашу посуду и нашу одежду? Мыла химически похожи на клеточные мембраны.Когда мыло добавляется в воду, оно образует структуры, называемые мицеллами. Головки мыльных мицелл полярны, а хвосты, которые обращены внутрь, чтобы отступить от полярной воды, неполярны. Когда мицелла мыла сталкивается с маслом или жиром, эти неполярные материалы вынуждены проникать внутрь мицеллы, чтобы уйти от полярной воды и полярных головок мицеллы, где они и удерживаются. Когда мыльная вода смывается, вместе с ней смываются застрявшие жир и масло.

Мини-эксперимент 1 : Налейте немного воды в неглубокую миску.Теперь возьмите отрезок нити или длинный волос и положите его на воду замкнутым контуром. Капните несколько капель растительного масла внутрь петли нити и аккуратно перемешайте масло. Теперь добавьте средство для мытья посуды за пределы петли бечевки и осторожно перемешайте его с водой. Удалите нить и посмотрите, что произойдет.

Мини-эксперимент 2 : Вот драматический эксперимент, который вы можете провести с пищевым красителем, мылом для посуды и молоком. Посмотрите видео, чтобы увидеть, как это будет выглядеть. Почему это работает? Подсказка: молоко содержит жиры, а мыло отталкивает жиры.Пищевой краситель переносится с молоком по мере удаления жиров.

Объяснитель: Что такое химические связи?

Представьте себе стеклянную банку, в которой хранятся 118 типов строительных блоков. Каждый тип немного отличается по цвету, размеру и форме. И каждый представляет собой атом другого элемента в периодической таблице. Имея достаточное количество банок, вы можете использовать блоки, чтобы построить что угодно — при условии, что вы будете следовать нескольким простым правилам. Комбинация блоков — это соединение. Внутри компаунда связи — это то, что «склеивает» каждый из блоков вместе.Дополнительные, более слабые типы связей могут притягивать одно соединение к другому.

Эти облигации очень важны. Это действительно важно. Проще говоря, они скрепляют нашу вселенную. Они также определяют структуру и, следовательно, свойства всех веществ. Например, чтобы узнать, растворяется ли материал в воде, мы обращаем внимание на его связи. Эти связи также будут определять, проводит ли вещество электричество. Можно ли использовать материал в качестве смазки? Еще раз проверьте его облигации.

Химические облигации в целом делятся на две категории.Те, которые связывают один строительный блок с другим внутри соединения, известны как внутренние связи. (Интра означает внутри.) Те, которые притягивают одно соединение к другому, известны как межсоединения. (Интер означает между.)

Внутри- и межсоединение делятся на разные типы. Но электроны контролируют все связи, независимо от их типа.

Учителя и родители, подпишитесь на шпаргалку

Еженедельные обновления, которые помогут вам использовать Новости науки для студентов в учебной среде

Спасибо за регистрацию!

При регистрации возникла проблема.

Электроны являются одной из трех основных субатомных частиц, из которых состоят атомы. (Остальные — положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны.) Электроны несут отрицательный заряд. Их поведение будет определять свойства облигации. Атомы могут отдавать электроны соседнему атому. В других случаях они могут совместно делить электроны с этим соседом. Или электроны могут перемещаться внутри молекулы. Когда электроны движутся или смещаются, они создают электрически положительные и отрицательные области.Отрицательные области привлекают положительные и наоборот.

Связи — это то, что мы называем притяжением между отрицательной и положительной областями.

Тип внутренней связки 1: ионный

Электроны могут передаваться между атомами так же, как деньги могут передаваться от одного человека к другому. Атомы металлических элементов имеют тенденцию легко терять электроны. Когда это происходит, они заряжаются положительно. Атомы неметаллов имеют тенденцию приобретать электроны, которые теряют металлы. Когда это происходит, неметаллы заряжаются отрицательно.

Это изображение художника решетчатой ​​структуры, из которой состоит поваренная соль. Каждый ион натрия (Na +) удерживается на месте за счет его притяжения к ионам хлора (Cl-) и наоборот за счет ионных связей. jack0m / DigitalVision Vectors / Getty Images

Такие заряженные частицы известны как ионы. Противоположные заряды притягиваются друг к другу. Притяжение положительного иона к отрицательному образует ионную связь (Eye-ON-ik). Полученное вещество называется ионным соединением.

Примером ионного соединения является хлорид натрия, более известный как поваренная соль.Внутри него находятся положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора. Все притяжения между ионами сильны. Чтобы разделить эти ионы, требуется много энергии. Это свойство означает, что хлорид натрия имеет высокую температуру плавления и высокую температуру кипения. Эти заряды также означают, что когда соль растворяется в воде или тает, она становится хорошим проводником электричества.

В одной крошечной крупинке соли миллиарды и миллиарды этих крошечных ионов притягиваются друг к другу в гигантской трехмерной структуре, называемой решеткой.Всего несколько граммов соли могут содержать больше, чем септиллион ионов натрия и хлорида. Насколько велико это число? Это квадриллион, умноженный на миллиард (или 1 000 000 000 000 000 000 000 000).

Тип внутренней связи 2: ковалентный

Второй тип связи не переносит электрон от одного атома к другому. Вместо этого он разделяет два электрона. Такая общая пара электронов называется ковалентной связью (Koh-VAY-lunt). Представьте себе рукопожатие между одной рукой (электроном) каждой из двух людей (атомов).

Вода является примером соединения, образованного ковалентными связями. Каждый из двух атомов водорода соединяется с атомом кислорода (H ₂ O) и обменивается рукопожатием или делит два электрона. Пока держится рукопожатие, оно склеивает атомы. Иногда у атома может быть более одной пары электронов. В этих случаях образуется двойная или тройная связь. Небольшие группы атомов, связанных таким образом, называются молекулами. H ₂ O представляет собой одну молекулу воды.

На этом рисунке изображены ковалентные связи, которые удерживают молекулу воды.Каждый из двух атомов водорода присоединен к атому кислорода через пару общих электронов (меньшие темные синие шары). ttsz / iStock / Getty Images Plus

Но почему образуются облигации?

Представьте, что вы стоите на самом краю верхней ступеньки огромного лестничного пролета. Вы можете чувствовать себя там нестабильно. А теперь представьте, что вы стоите внизу лестницы. Намного лучше. Вы чувствуете себя в большей безопасности. Вот почему образуются внутренние связи. Когда атомы могут создать более энергетически стабильную ситуацию, они это делают.Образование одной или нескольких химических связей с другими атомами придает исходному атому большую стабильность.

Склеивание

После образования ковалентных молекул взаимное связывание может притягивать одну молекулу к другой. Поскольку эти притяжения между молекулами — никогда внутри них — их называют межмолекулярными силами (ММП). Но сначала пару слов об электроотрицательности (Ee-LEK-troh-neg-ah-TIV-ih-tee).

Этот полный термин относится к способности атома в ковалентной связи притягивать электроны.Помните, что ковалентная связь — это общая пара электронов. Представьте себе молекулу, в которой атом A разделяет пару электронов с атомом B. Если B на больше, чем на электроотрицательных , чем A, то электроны в его ковалентной связи будут смещены в сторону атома B. Это дает B крошечный отрицательный заряд. Мы отмечаем это с помощью дельты строчной греческой буквы вместе со знаком минус (или δ-). Дельта в нижнем регистре означает небольшой или частичный заряд. Поскольку отрицательные электроны отошли от атома A, развиваемый им заряд записывается как δ +.

Смещение электронов для создания этих положительных и отрицательных областей приводит к разделению электрического заряда. Химики называют это диполем (DY-pohl). Как следует из названия, диполь имеет два полюса. Один конец положительный; другой заряжен отрицательно. IMF — это то, что возникает между положительным полюсом одной молекулы и отрицательным полюсом другой. Химики называют это диполь-дипольным притяжением.

Когда атомы водорода ковалентно связываются с очень электроотрицательными атомами, такими как азот, кислород или фтор, развивается особенно большой диполь.Межмолекулярное дипольное притяжение такое же, как описано выше, но имеет особое название. Это называется водородной связью.

Электроны иногда перемещаются внутри связей по причинам, не связанным с различиями в электроотрицательности. Например, когда одна молекула приближается к другой, электроны в ковалентных связях двух молекул отталкиваются друг от друга. Это создает заряды δ + и δ- того же типа, что и описанные выше. И такое же притяжение возникает между δ + и δ- частями.Этот тип МВФ получил другое название: лондонская дисперсионная сила.

Независимо от того, как электроны перемещаются для создания δ-зарядов, результаты одинаковы. Напротив, заряды δ + и δ- притягиваются, создавая IMFs между молекулами.

Химические изменения, физические изменения и связи

Иногда химическое вещество претерпевает фазовый переход. Лед может растворяться в воде или испаряться в виде пара. При таких изменениях химический состав — в данном случае H ₂ O — остается прежним. Это негазированная вода: замороженная вода, жидкая вода или газообразная вода.Разрываются силы притяжения между молекулами воды — межсоединения.