Химическая связь

Дидактический материал   Тренировочные тесты ЕГЭ по химии   Ковалентная химическая связь, её разновидности и механизмы образования. Характеристика ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь.   1. В аммиаке и хлориде бария химическая связь соответственно 1) ионная и ковалентная полярная 2) ковалентная полярная и ионная 3) ковалентная неполярная и металлическая 4) ковалентная неполярная и ионная 2. Вещества только с ионной связью приведены в ряду: 1) F2, ССl4, КС1 2) NaBr,Na2O,KI 3) SO2.P4.CaF2 4) H2S,Br2,K2S 3. Соединение с ионной связью образуется при взаимодействии 1) СН4  и О2 2) SO3 и Н2О 3) С2Н6 и HNO3 4) NH3 и HCI 4. В каком ряду все вещества имеют ковалентную полярную связь? 1) HCl,NaCl.Cl2 2) O2.H2O.CO2 3) H2O.NH3.CH4 4) NaBr.HBr.CO 5. В каком ряду записаны формулы веществ только с ковалентной полярной                связью? 1) С12, NO2, НС1 2) HBr,NO,Br2 3) H2S.H2O.Se                                                     4) HI,H2O,PH3   6. Ковалентная неполярная связь характерна для 1) С12          2) SO3                 3) СО                 4) SiO 2 7. Веществом с ковалентной полярной связью является 1) С12          2) NaBr               3) H2S                 4) MgCl2 8. Веществом с ковалентной связью является 1) СаС12               2) MgS                3) H2S                  4) NaBr 9. Вещество с ковалентной неполярной связью имеет формулу 1) NH3                2) Сu                  3) H2S                 4) I2 10. Веществами с неполярной ковалентной связью являются 1) вода и алмаз 2) водород и хлор 3) медь и азот 4) бром и метан 11. Между атомами с одинаковой относительной электроотрицательностью образуется химическая связь 1) ионная 2) ковалентная полярная 3) ковалентная неполярная 4) водородная   12.  Ковалентная полярная связь характерна для 1) KC1                    2) НВг                   3) Р4                      4) СаСl2   13. Химический элемент, в атоме которого электроны по слоям распределены так: 2, 8, 8, 2  образует с водородом химическую связь 1)ковалентную полярную 2) ковалентную неполярную 3) ионную 4) металлическую   14. В   молекуле   какого   вещества  длина   связи   между   атомами   углерода наибольшая? 1} ацетилена         2) этана                 3)  этена                 4) бензола   15. Тремя общими электронными парами образована ковалентная связь в молекуле 1)  азота 2)  сероводорода 3)  метана 4) хлора   16. Водородные связи образуются между молекулами 1)  диметилового эфира 2)  метанола 3)  этилена 4)  этилацетата   17. Полярность связи наиболее выражена в молекуле 1) HI                     2) НС1                   3) HF                     4) НВг   18. Веществами с неполярной ковалентной связью являются 1)  вода и алмаз 2)  водород и хлор 3)  медь и азот 4) бром и метан   19. Водородная связь не характерна для   вещества 1) Н2О                  2) СН4                   3) NH3                   4) СНзОН   20. Ковалентная полярная связь характерна для каждого из двух веществ, формулы которых 1)  KI и Н2О 2)   СО2 и К2О 3)  H2S и Na2S 4) CS2 и РС15   21. Наименее прочная химическая связь в молекуле 1) фтора                 2) хлора                 3} брома                4} иода   22. В молекуле какого вещества длина химической связи наибольшая? 1) фтора                2) хлора                3) брома               4) иода   23. Ковалентные связи имеет каждое из веществ, указанных в ряду: 1)  C4H10, NO2, NaCl 2)  СО, CuO, CH3Cl 3)  BaS,C6H6,H2 4)  C6H5NO2, F2, CC14   24. Ковалентную связь имеет каждое из веществ, указанных в ряду: 1)   СаО,С3Н6, S8 2)   Fe.NaNO3, CO 3)  N2, CuCO3, K2S 4) C6H5NO2, SО2, CHC13   25. Ковалентную связь имеет каждое из веществ, указанных в ряду: 1) С3Н4, NO, Na2O 2)   СО, СН3С1, PBr3 3)   Р2Оз, NaHSO4, Сu 4) C6H5NO2, NaF, СС14   26. Ковалентные связи имеет каждое из веществ, указанных в ряду: 1)   C3Ha,NO2, NaF 2)   КС1, CH3Cl, C6H12О6 3)   P2O5, NaHSO4, Ba 4) C2H5NH2, P4, CH3OH   27. Полярность связи наиболее выражена в молекулах   1) сероводорода 2) хлора 3) фосфина 4) хлороводорода   28. В молекуле какого вещества химические связи наиболее прочные?   1)СF4 2)CCl4 3)CBr4 4)CI4   29. Среди веществ NH4Cl, CsCl, NaNO 3, PH3, HNO3  — число соединений с ионной связью равно   1) 1 2) 2 3) 3 4) 4   30. Среди веществ (NH4)2SO4, Na2SO4, CaI2, I2, CO2  — число соединений с ковалентной связью равно   1) 1 2) 2 3) 3 4) 4   Ответы: 1-2, 2-2, 3-4, 4-3, 5-4, 6-1, 7-3, 8-3, 9-4, 10-2, 11-3, 12-2, 13-3, 14-2, 15-1, 16-2, 17-3, 18-2, 19-2, 20-4, 21-4, 22-4, 23-4, 24-4, 25-2, 26-4, 27-4, 28-1, 29-3, 30-4

Химическая связь. Ионная, металлическая, водородная связь : Farmf

Химическая связь и строение молекул

Общая химия. Учебное пособие — Таирова А.Р., Кузнецов А.И. — 2005

• 4.1. Определение химической связи
• 4.2. Ионная связь (см.ниже)
• 4.3. Ковалентная связь
• 4.4. Метод валентных связей (МВС, ВС)
• 4.5. Метод молекулярных орбиталей (ММО, МО)
• 4.6. Металлическая связь (см.ниже)
• 4.7. Водородная связь (см.ниже)
• 4.8. Взаимодействия между молекулами. Комплексные соединения

4.1. Определение химической связи.

Свойства веществ зависят от их состава, строения, от типа химической связи между атомами в веществе. Химическая связь имеет электрическую природу. Под химической связью понимают вид взаимодействия между частицами в веществе (или характер распределения электронной плотности).

Современная теория химической связи была предложена в 1916 г. американским ученым Льюисом и одновременно с ‘ним немецким ученым Косселем. В дальнейшем эти теории были допол­нены, углублены, но являются основополагающими.

В образовании химических связей участвуют не все электроны атома, а только электроны внешнего уровня (у s- и p-элементов, т.е. у элементов главных подгрупп периодической системы) или электроны внешнего и недостроенного предвнешнего уровня (у d-элементов, т.е. у элементов побочных подгрупп). Электроны, способные к образованию химических связей, называются валентными. В зависимости от того, сколько электронов приняло участие в образовании химических связей, элемент может находиться в том или ином валентном состоянии (т.е. проявить определенную валентность).

Прежде валентностью элемента называли его способность присоединять или замещать определенное число атомов других элементов. В настоящее время понятие валентности связывают с определенным типом химической связи в веществе.

Соединение атомов в молекулы – энергетически выгодный процесс и всегда сопровождается выделением энергии, величина которой соответствует прочности (энергии) возникшей химической связи:

H+H=H₂+103 ккал/моль

Cl+Cl=Cl₂+58 ккал/моль

Теория строения атома объяснила причину объединения атомов в молекулы как стремление к устойчивой двух- или восьмиэлектронной внешней оболочке. Образование устойчивой электронной конфигурации может достигаться различными способами: отдачей, присоединением, обобществлением электронов. Таким образом, под химической связью понимаются различные виды взаимодействий, обуславливающие устойчивое существование двух- и многоатом­ных соединений: молекул, ионов, кристаллических и иных веществ. К основным чертам химической связи можно отнести:

а) снижение общей энергии двух- или многоатомной системы по
сравнению с суммарной энергией изолированных частиц, из которых
эта система образована;

б) перераспределение электронной плотности в области химической связи по сравнению с простым наложением электронных плотностей несвязанных атомов, сближенных на расстояние связи.

По своей природе химическая связь представляет собой взаимо­действие между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами, а также электронов друг с другом.

Существует несколько типов химической связи, из которых важнейшими являются ионная, ковалентная, металлическая связь.

4.2. Ионная связь.

При образовании любой молекулы, атомы этой молекулы «связываются» друг с другом. Причина образования молекул состоит в том, что между атомами в молекуле действуют электро­статические силы. Образование молекул из атомов приводит к выигрышу энергии, так как в обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное.

Если на внешнем уровне содержится максимальное число электронов, которое атом может вместить, то такой уровень назы­вается завершенным. Завершенные уровни характеризуются боль­шой прочностью. Такие уровни имеют атомы инертных газов. Это и служит причиной того, что инертные газы при обычных условиях не вступают в химические реакции с другими элементами. Атомы других элементов имеют незавершенные энергетические уровни. В процессе химического взаимодействия они их завершают, т. е. приобретают структуру инертных газов.

Ионный тип связи возможен только у элементов, атомы которых резко отличаются по относительной электроотрицательности (см. раздел 3.3.), т.е. способности атомов смещать электронную плотность в молекуле к себе.

Рассмотрим электронное строение атомов некоторых металлов. неметаллов и инертного газа неона.

Электронная формула атома

натрия Is²2s²2p⁶3s¹ или [Ne] 3s¹

кальция Is²2s²2p⁶3s²3p⁶4s² или [Ar] 4s²

хлора Is²2s²2p⁶3s²3p⁵ или [Ne] Зs²3p⁵

кислорода Is²2s²p⁴ или [He ]2s²2p⁴

неона Is²s²p⁶

Как видно из электронного строения, атом неона имеет завер­шенный внешний энергетический уровень, состоящий из восьми электронов, а атомы металлов (натрия и кальция) и неметаллов (хлора и кислорода) — незавершенные энергетические уровни. В процессе химических реакций они стремятся завершить их, т. е. принять конфигурацию инертных газов.

Для завершения энергетических уровней атомам натрия и каль­ция легче отдать один и два электрона, а атомам хлора и кисло­рода легче принять один или два электрона. Это и происходит при образовании молекул.

Образование молекул хлорида натрия (NaCI) и оксида кальция (СаО) происходит по схеме:

Na – ē → Na⁺[Ne]

Cl + ē →Cl^–[Ar]

Атом натрия теряет электрон и превращается в ион натрия, который приобретает конфигурацию инертного газа (Ne), а атом хлора присоединяет электрон, превращается в ион хлора, приобре­тая конфигурацию инертного газа аргона (Аг).

Аналогично происходит и образование молекулы оксида кальция

Ca – 2ē → Ca²⁺[Ar]

O + 2ē → O^2– [Ne]

Ионы, вследствие сил электростатического притяжения, обра­зуют молекулы. Соединения, которые образовались путем притяже­ния ионов, называются ионными.

Химическая связь между ионами, осуществляемая электроста­тическим притяжением, называется ионной связью. Ионных соединений сравнительно немного. Современная теория связи объясняет возникновение ионной связи из ковалентной предельной односторонней поляризацией (смещением) общей электронной пары, когда последняя переходит во владения одного из соединяющихся атомов, т. е. ионная связь — крайний случай ковалентной связи.

Таким образом, нет принципиального различия в механизме воз­никновения неполярной ковалентной, полярной ковалентной и ион­ной связей. Они различаются лишь степенью поляризации молеку­лярного электронного облака. Природа химической связи едина.

Для соединений с ионной связью характерны высокая темпера­тура кипения и плавления, электропроводностью обладают только в расплавленном состоянии, в воде легко диссоциируют на ионы.

Ионная связь характеризуется ненаправленностью и ненасыщаемостью.

Ненаправленность ионной связи. Ионы можно пред­ставить как заряженные шары, силовые поля которых равномерно распределены во всех направлениях в пространстве. Поэтому каж­дый ион может притянуть к себе ионы противоположного знака в любом направлении (рис. 5).

Ненасыщаемость ионной связи. Взаимодействие двух ионов противоположного знака друг с другом не может привести к полной взаимной компенсации их силовых полей. В силу этого, у них сохраняется способность притягивать ноны противоположного знака и по другим направлениям (рис. 6).

 

4.6. Металлическая связь.

Само название говорит, что речь пойдет о внутренней структуре металлов. Атомы большинства металлов на внешнем энергетиче­ском уровне содержат небольшое число электронов. Так, по одному электрону содержат 16 элементов, по два — 56, по три — 4 элемен­та и ноль — только один Pd. В то же время на внешних уровнях атомов металлов много свободных орбиталей, что позволяет элек­тронам близко подходить к положительным ядрам в любой части кристалла.

Из-за низкой энергии ионизации электроны в металле утрачи­вают связь с отдельными атомами, легко обобществляются, образуя электронный газ — совокупность свободных электронов. И са­мое главное состоит в том, что электроны в металле подвижны, легко перемещаются. Это подвижные, или нелокализованные, электроны.

Теперь можно представить металл как плотно упакованную структуру положительных ионов, связанных друг с другом элек­тронным газом. При этом сравнительно небольшое число обобще­ствленных электронов связывает большое число ионов.

Химическая связь, образующаяся в результате электрического притяжения между ионами металла и обобществленными электро­нами (электронным газом), называется металлической связью. Она характерна для металлов, сплавов и интерметаллических соедине­ний. Природа связи — электрическая.

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку основана на обобщении валентных электронов. Однако при ковалентной связи обобщены валентные электроны только двух соседних атомов, в то время как при металлической связи в обоб­ществлении этих электронов принимают участие все атомы. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металличе­ской — пластичны; в последнем случае возможно взаимное смеще­ние ионов без нарушения связи. Это говорит о нелокализованности (отсутствии направленности) металлической связи. Для по­вышения твердости металлов в них вводят такие элементы, кото­рые благоприятствуют образованию направленных — ковалентных — связей.

Таким образом, металлическая связь—это сильно нелокализо­ванная химическая связь, возникающая в том случае, когда атомы имеют мало валентных электронов по сравнению с количеством свободных валентных орбиталей, а валентные электроны из-за малой энергии ионизации слабо удерживаются ядром. Ею объясня­ются физические свойства металлов.

4.7. Водородная связь.

Водородная связь — это своеобразная химическая связь. Она возникает между молекулами, в состав которых входит водород и сильно электроотрицательный элемент. Такими элементами являют­ся фтор, кислород, азот, хлор и др.

Природу водородной связи объясняли по-разному. Наибольшее распространение получило электростатическое взаимодействие.

Механизм водородной связи рассмотрим на примере молекулы воды. При образовании полярной ковалентной связи между атома­ми водорода и атомом кислорода электроны, первоначально принад­лежащие атому водорода, сильно смещаются в сторону кислорода. В результате атом кислорода приобретает значительный эффектив­ный отрицательный заряд, а ядро атома водорода с внешней по отношению к атому кислорода стороны почти лишается электрон­ного облака. Между протоном атома водорода и отрицательно за­ряженным атомом кислорода соседней молекулы воды возникает электростатическое притяжение, что и приводит к образованию водородной связи.

Процесс образования водородной связи на при­мере двух молекул воды может быть представлен следующей схемой (точками обозначается водородная связь, а знаками σ⁺, σ ^– — эффек­тивные заряды атомов):

Более правильным следует считать, что в образовании водо­родной связи принимает участие и донорно-акцепторное взаимо­действие. Ведь для этой связи характерны направленность в прост­ранстве и насыщаемость. На это впервые указал Н. Д. Соколов, разработавший квантово-механическую теорию водородной связи.

Согласно донорно-акцепторной теории, водородная связь начи­нается с электростатического взаимодействия, в результате кото­рого электронная пара атомов водорода еще больше смещается в сторону кислорода, благодаря чему атом водорода как бы «оголяется», другими словами s-орбнталь атома водорода «высвобождается» и становится способной принять неподеленную электронную пару атома кислорода другой молекулы. Поле протона велико и притяжение им электронной пары атома кислорода весьма эффек­тивно, в то время других своих электронов около протона нет, поэтому отталкивание другой молекулы воды в области атома водо­рода сильно понижается.

Этот механизм объясняет, почему только водород способен образовывать водородную связь. У всякого другого атома при освобождении орбитали ядро не «оголяется» и внутренние оболочки обеспечивают отталкивание от электронных оболочек второй мо­лекулы.

Рассмотренный механизм образования водородной связи тре­бует, чтобы атом элемента, соединяясь с водородом, обладал высокой относительной электроотрицательностью и имел в наличии неподеленную электронную пару. Только при этом условии элек­тронное облако атома водорода достаточно сильно сместится в сторону атома партнера. Таким образом, химическая связь, образованная положитель­но поляризованным водородом молекулы А—Н (или полярной груп­пы—А-Н) и электроотрицательным атомом В другой или той же молекулы, называется водородной связью.

Образование водородной связи обусловлено тем, что в полярных молекулах А-Н или полярных группах -А-Н поляризованный атом водорода обладает уникальными свойствами: отсутствием внутрен­них электронных оболочек, значительным сдвигом электронной пары к атому с высокой электроотрицательностью и очень малым разме­ром. Поэтому водород способен глубоко внедряться в электронную оболочку соседнего отрицательно поляризованного атома.

Электростатическая модель образования водородных связей верна только в первом приближении, поскольку энергетически дополнительное связывание атома водорода должно иметь химическую природу. Метод валентных связей не может объяснить образование дополнительной связи атома Н, так как атом водорода одновалентен. Метод молекулярных орбиталей в его многоцентровом варианте дает следующее объяснение образования во­дородной связи. При сближении атома Н, ковалентно связанного с атомом электроотрицательного элемента А^δ- — Н^δ+, с другим атомом также электроотрицательного элемента В^δ- возникает трехцентровая связывающая моле­кулярная орбиталь, пребывание в которой электронной пары атома В более выгодно, чем на атомной орбитали этого же атома.

Обычно водородную связь обозначают точками и этим указы­вают, что она слабее ковалентной связи (примерно в 15—20 раз). Тем не менее она ответственна за ассоциацию молекул. Например, образование димеров уксусной кислоты можно представить схемой агрегаций молекул за счет водородных связей:

1.Образование зигзагообразных цепей в жидком фтороводороде HF:

2. Образование гидрата аммиака NН₃ ∙ Н₂О при растворении аммиака в воде:

 

 

10 класс. Биология. Вода и её роль в жизнедеятельности клетки — Вода и её роль в жизнедеятельности клетки

Комментарии преподавателя

Цель урока – озна­ком­ле­ние со струк­ту­рой мо­ле­ку­лы воды, и её ролью в жиз­не­де­я­тель­но­сти клет­ки.  

Вода яв­ля­ет­ся одним из самых рас­про­стра­нен­ных ве­ществ на нашей пла­не­те. Для мно­гих живых ор­га­низ­мов вода важна вдвойне, т.к. она не толь­ко вхо­дит в со­став их кле­ток, но и яв­ля­ет­ся сре­дой оби­та­ния (рис. 1).

Рис. 1. Вода, как среда оби­та­ния. Часть ко­рал­ло­во­го рифа

В клет­ке в ко­ли­че­ствен­ном от­но­ше­нии, вода за­ни­ма­ет пер­вое место среди всех хи­ми­че­ских со­еди­не­ний.

Вода в ор­га­низ­ме бы­ва­ет сво­бод­ной и свя­зан­ной.

Сво­бод­ная вода вхо­дит в со­став ци­то­плаз­мы клет­ки, ва­ку­о­ли; за­пол­ня­ет меж­кле­точ­ное про­стран­ство, со­су­ды, про­стран­ство между ор­га­на­ми, — она нужна для транс­пор­та и пе­ре­но­са ве­ществ.

Свя­зан­ная вода вхо­дит в со­став кле­точ­ных струк­тур (бел­ков, мем­бран) и под­дер­жи­ва­ет их струк­ту­ру.

Вода имеет ряд свойств, ис­клю­чи­тель­но важ­ных для живых ор­га­низ­мов. Уни­каль­ные свой­ства воды опре­де­ля­ют­ся струк­ту­рой её мо­ле­ку­лы.

Мо­ле­ку­ла воды со­сто­ит из атома кис­ло­ро­да и двух ато­мов во­до­ро­да.

Атом кис­ло­ро­да как более элек­тро­от­ри­ца­тель­ный, чем атомы во­до­ро­да, от­тя­ги­ва­ет элек­трон­ную плот­ность на себя. В ре­зуль­та­те она сме­ща­ет­ся в его сто­ро­ну, и на ато­мах во­до­ро­да воз­ни­ка­ет ча­стич­но по­ло­жи­тель­ный заряд, а на атоме кис­ло­ро­да ча­стич­но от­ри­ца­тель­ный заряд.

Так как атомы в мо­ле­ку­ле воды об­ра­зу­ют угол (рис. 2), один конец мо­ле­ку­лы воды несет по­ло­жи­тель­ный заряд, а дру­гой – от­ри­ца­тель­ный. Такую мо­ле­ку­лу на­зы­ва­ют ди­по­лем (рис. 2), или по­ляр­ной мо­ле­ку­лой.

Рис. 2. Рас­пре­де­ле­ние за­ря­да в мо­ле­ку­ле воды

Ча­стич­ный по­ло­жи­тель­ный заряд атома во­до­ро­да одной мо­ле­ку­лы вза­и­мо­дей­ству­ет с ча­стич­ным от­ри­ца­тель­ным за­ря­дом атома кис­ло­ро­да дру­гой мо­ле­ку­лы. Между ними воз­ни­ка­ет элек­тро­ста­ти­че­ское вза­и­мо­дей­ствие, и об­ра­зу­ют­ся во­до­род­ные связи. Во­до­род­ные связи сла­бые, но в воде их до­ста­точ­но много, по­это­му уни­каль­ные свой­ства воды как раз и опре­де­ля­ет­ся на­ли­чи­ем во­до­род­ных свя­зей в воде.

Рис. 3. Схема об­ра­зо­ва­ния во­до­род­ной связи между раз­но­имен­но за­ря­жен­ны­ми ато­ма­ми в двух мо­ле­ку­лах воды

Учи­ты­вая дан­ную спо­соб­ность воды, рас­смот­рим те свойств воды, ко­то­рые важны с био­ло­ги­че­ской точки зре­ния.

Вода — уни­вер­саль­ный рас­тво­ри­тель. Она пре­вос­ход­ный рас­тво­ри­тель для по­ляр­ных со­еди­не­ний. К ним от­но­сят­ся ион­ные со­еди­не­ния, такие как соли, у ко­то­рых за­ря­жен­ные ча­сти­цы, ионы, дис­со­ци­и­ру­ют, то есть от­де­ля­ют­ся друг от друга в воде, когда ве­ще­ство рас­тво­ря­ет­ся.

            

Рис. 4. Рас­тво­ре­ние по­ляр­но­го ве­ще­ства в овде. Об­ра­зо­ва­ние ионов с гид­рат­ной обо­лоч­кой

А также со­еди­не­ния, на­при­мер, са­ха­ра и про­стые спир­ты, в мо­ле­ку­лах ко­то­рых при­сут­ству­ют за­ря­жен­ные груп­пы, то есть эти ве­ще­ства имеют функ­ци­о­наль­ные груп­пы для вза­и­мо­дей­ствия с водой (рис. 4).

Рис. 5. Гид­ро­лиз са­ха­ро­зы в воде

В рас­тво­ре мо­ле­ку­лы или ионы ве­ще­ства на­чи­на­ют быст­рее дви­гать­ся, и ре­ак­ци­он­ная спо­соб­ность этого ве­ще­ства воз­рас­та­ет. Все био­хи­ми­че­ские про­цес­сы про­хо­дят в вод­ных рас­тво­рах.

По­ляр­ные ве­ще­ства «ли­пи­ды» не сме­ши­ва­ют­ся с водой, и по­это­му могут раз­де­лять вод­ные рас­тво­ры на от­дель­ные ком­парт­мен­ты. Непо­ляр­ные части мо­ле­кул от­тал­ки­ва­ют­ся водой, и в ее при­сут­ствии при­тя­ги­ва­ют­ся друг к другу.

Непо­ляр­ные мо­ле­ку­лы вза­и­мо­дей­ству­ют с водой по-дру­го­му – они со­би­ра­ют­ся в капли, об­ра­зу­ют плен­ки. Такие ве­ще­ства на­зы­ва­ют гид­ро­фоб­ны­ми.  

Рис. 6. Масло — ве­ще­ство, ко­то­рое не рас­тво­ря­ет­ся в воде – на по­верх­но­сти воды оно об­ра­зу­ет плен­ки (слева) или со­би­ра­ет­ся в капли (спра­ва)

По­доб­ные гид­ро­фоб­ные вза­и­мо­дей­ствия иг­ра­ют важ­ную роль в обес­пе­че­нии ста­биль­но­сти мо­ле­кул суб­кле­точ­ных струк­тур, а также бел­ков и нук­ле­и­но­вых кис­лот.

Вода об­ла­да­ет боль­шой теп­ло­ём­ко­стью. То есть по­гло­ща­ет боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­вой энер­гии при ми­ни­маль­ном по­вы­ше­нии соб­ствен­ной тем­пе­ра­ту­ры.

Это до­сти­га­ет­ся за счёт того, что боль­шое ко­ли­че­ство энер­гии тра­тит­ся на раз­рыв во­до­род­ных свя­зей. Боль­шая теп­ло­ём­кость воды за­щи­ща­ет ор­га­низ­мы от пе­ре­гре­ва. И кроме этого со­зда­ет по­сто­ян­ные усло­вия для про­те­ка­ния био­хи­ми­че­ских про­цес­сов в ор­га­низ­ме.

Вода об­ла­да­ет боль­шой теп­ло­про­вод­но­стью, что обес­пе­чит рав­но­мер­ное рас­пре­де­ле­ние тепла по всему ор­га­низ­му. За счёт этого, био­хи­ми­че­ские про­цес­сы и все про­цес­сы жиз­не­де­я­тель­но­сти про­хо­дят в от­но­си­тель­но по­сто­ян­ных усло­ви­ях.

У воды от­но­си­тель­но боль­шая теп­ло­та ис­па­ре­ния. Ис­па­ре­ние воды со­про­вож­да­ет­ся охла­жде­ние ор­га­низ­ма, по­то­му что боль­шое ко­ли­че­ство энер­гии тра­тит­ся на раз­рыв во­до­род­ных свя­зей, и эта энер­гия чер­па­ет­ся из окру­жа­ю­щей среды.

Вода прак­ти­че­ски не сжи­ма­ет­ся, со­зда­вая тем самым тур­гор­ное дав­ле­ние, опре­де­ляя объем и упру­гость кле­ток и тка­ней. На­при­мер, бла­го­да­ря этому наша кожа упру­га, а у круг­лых чер­вей и медуз име­ет­ся гид­ро­ста­ти­че­ский ске­лет.  

Вода ха­рак­те­ри­зу­ет­ся боль­шим по­верх­ност­ным на­тя­же­ни­ем, что свя­за­но с об­ра­зо­ва­ни­ем во­до­род­ных свя­зей между мо­ле­ку­ла­ми воды и дру­ги­ми со­еди­не­ни­я­ми.

Рис. 7. Ис­поль­зо­ва­ние по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния жи­вы­ми ор­га­низ­ма­ми. Во­до­мер­ка бежит по воде (слева). Кровь дви­жет­ся по ка­пил­ля­ру (спра­ва)

Бла­го­да­ря силе по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния воды про­ис­хо­дит ка­пил­ляр­ный кро­во­ток в нашем ор­га­низ­ме, вос­хо­дя­щий и нис­хо­дя­щий токи воды в теле рас­те­ний. Мно­гие мел­кие ор­га­низ­мы из­вле­ка­ют для себя поль­зу из этого по­верх­ност­но­го на­тя­же­ния, оно поз­во­ля­ет им удер­жи­вать­ся на воде или сколь­зить по её по­верх­но­сти.

Рис. 8. Ос­нов­ные био­ло­ги­че­ски важ­ные свой­ства воды

Таким об­ра­зом, мы рас­смот­ре­ли струк­ту­ру и свой­ства воды.

Зна­че­ние по­то­от­де­ле­ния

По­то­от­де­ле­ние – это вы­де­ле­ние жид­ко­го сек­ре­та на по­верх­ность кожи. Вме­сте с потом вы­де­ля­ют­ся такие ве­ще­ства, как ами­но­кис­ло­ты, мыла, жир­ные кис­ло­ты, ам­ми­ак, хо­ле­сте­рин – ве­ще­ства, ко­то­рые яв­ля­ют­ся про­дук­та­ми жиз­не­де­я­тель­но­сти живых ор­га­низ­мов. Также с потом могут вы­де­лять­ся ионы тя­же­лых ме­тал­лов, ко­то­рые слу­чай­но по­па­ли в ор­га­низм

Со­став пота на раз­ных участ­ках че­ло­ве­че­ско­го тела не оди­на­ков, и за­ви­сит от раз­ных фак­то­ров: от со­сто­я­ния ор­га­низ­ма, от типа пи­та­ния, от дей­ствия дру­гих фак­то­ров (на­при­мер, влаж­но­сти среды, тем­пе­ра­ту­ры среды), а также от фи­зи­че­ских на­гру­зок.

Раз­ли­ча­ют тер­ми­че­ское и пси­хо­ген­ное по­то­от­де­ле­ние.

Рис. 9. Виды по­то­от­де­ле­ния

Тер­ми­че­ское по­то­от­де­ле­ние, за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры окру­жа­ю­щей среды, яв­ля­ет­ся одним из ме­ха­низ­мов тер­мо­ре­гу­ля­ции, то есть спа­са­ет наш ор­га­низм от пе­ре­гре­ва. Тер­ми­че­ское по­то­от­де­ле­ние раз­ви­ва­ет­ся в те­че­нии несколь­ких минут.  

Пси­хо­ген­ное по­то­от­де­ле­ние за­ви­сит от эмо­ци­о­наль­но­го со­сто­я­ния.

Пси­хо­ген­ное по­то­от­де­ле­ние может раз­ви­вать­ся на раз­ных участ­ках тела че­ло­ве­ка, это могут быть даже по­дош­вы ног, по­душ­ки паль­цев; и раз­ви­ва­ет­ся в те­че­нии несколь­ких се­кунд.

Плот­ность воды и по­ве­де­ние её вб­ли­зи точки за­мер­за­ния

Плот­ность воды мак­си­маль­но при +4оС. Она умень­ша­ет­ся от +4 до 0, то есть лёд менее плот­ный (а зна­чит более лег­кий), чем вода.

Рис. 10. Лед, пла­ва­ю­щий по по­верх­но­сти воды (слева), и ор­га­низ­мы, жи­ву­щие подо льдом (спра­ва)

Это имеет боль­шое зна­че­ние для живых ор­га­низ­мов, оби­та­ю­щих в воде, по­то­му что во­до­е­мы за­мер­за­ют свер­ху, и мно­гие ор­га­низ­мы со­хра­ня­ют в них жиз­не­спо­соб­ность подо льдом.

Если бы во­до­е­мы за­мер­за­ли бы снизу, от дна, тогда бы все эти живые ор­га­низ­мы по­гиб­ли бы зимой.

источник конспекта — http://interneturok.ru/ru/school/biology/10-klass/bosnovy-citologii-b/voda-i-eyo-rol-v-zhiznedeyatelnosti-kletki

источник видео — http://www.youtube.com/watch?v=UV_KBari7IY

источник видео — http://www.youtube.com/watch?v=iWV301UCPFU

источник видео — http://www.youtube.com/watch?v=Ho621rq82Qg

источник видео — http://www.youtube.com/watch?v=MllI3wMezXU

источник видео — http://www.youtube.com/watch?v=yrueRLAa84Q

источник презентации — http://www.myshared.ru/slide/download/

Глава 2 — Химические связи — БИО 140 — Биология человека I — Учебник

Глава 2

Химические связи

OpenStax, Химические связи. OpenStax CNX. 28 февраля 2018 г. http://cnx.org/contents/2c60e072-7665-49b9-a2c9-2736b72b533c@5. © 28 февраля 2018 г. OpenStax. Контент учебников, созданный OpenStax, находится под лицензией Creative Commons Attribution License 4.0.

Цели обучения

• Объяснить связь между молекулами и соединениями
• Различать ионы, катионы и анионы
• Определите основное различие между ионными и ковалентными связями
• Различают неполярные и полярные ковалентные связи
• Объясните, как молекулы воды соединяются водородными связями

 

Атомы, разделенные большим расстоянием, не могут соединиться; скорее, они должны подойти достаточно близко, чтобы электроны в их валентных оболочках могли взаимодействовать. Но соприкасаются ли когда-нибудь атомы друг с другом? Большинство физиков сказали бы «нет», потому что отрицательно заряженные электроны в своих валентных оболочках отталкиваются друг от друга. Никакая сила в человеческом теле или где-либо еще в мире природы не может преодолеть это электрическое отталкивание. Поэтому, когда вы читаете об атомах, соединяющихся друг с другом или сталкивающихся друг с другом, имейте в виду, что атомы не сливаются в физическом смысле.

Вместо этого атомы соединяются, образуя химическую связь. Связь   – это слабое или сильное электрическое притяжение, которое удерживает атомы в одном и том же месте. Новая группа, как правило, более стабильна (с меньшей вероятностью снова прореагирует), чем атомы, входящие в ее состав, когда они были разделены. Более или менее стабильная группа из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями, называется молекулой. Связанные атомы могут принадлежать одному и тому же элементу, как в случае H ₂ , который называется молекулярным водородом или газообразным водородом. Когда молекула состоит из двух или более атомов разных элементов, она называется химическим соединением. Таким образом, единица воды, или H ₂ O представляет собой соединение, как и отдельная молекула газообразного метана, или CH ₄ .

Три типа химических связей важны в физиологии человека, потому что они удерживают вместе вещества, которые используются организмом для важнейших аспектов гомеостаза, передачи сигналов и производства энергии, и это лишь некоторые из важных процессов. Это ионные связи, ковалентные связи и водородные связи.

Ионы и ионные связи

Напомним, что атом обычно имеет одинаковое количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Пока сохраняется эта ситуация, атом электрически нейтрален. Но когда атом участвует в химической реакции, которая приводит к отдаче или принятию одного или нескольких электронов, атом становится положительно или отрицательно заряженным. Это часто происходит для большинства атомов, чтобы иметь полную валентную оболочку, как описано ранее. Это может произойти либо путем получения электронов, чтобы заполнить оболочку, которая заполнена более чем наполовину, либо путем отдачи электронов, чтобы опустошить оболочку, которая заполнена менее чем наполовину, тем самым оставляя следующую меньшую электронную оболочку в качестве новой, полной валентности. оболочка. Атом, имеющий электрический заряд, положительный или отрицательный, – это ион.

Калий (K), например, является важным элементом во всех клетках организма. Его атомный номер — 19. В его валентной оболочке всего один электрон. Эта характеристика делает калий весьма вероятным для участия в химических реакциях, в которых он отдает один электрон. (Калию легче отдать один электрон, чем получить семь электронов.) Потеря приведет к тому, что положительный заряд протонов калия будет более влиятельным, чем отрицательный заряд электронов калия. Другими словами, полученный ион калия будет слегка положительным. Ион калия записывается K ⁺ , что указывает на то, что он потерял один электрон. Положительно заряженный ион известен как катион.

Теперь рассмотрим фтор (F), компонент костей и зубов. Его атомный номер девять, и у него семь электронов в его валентной оболочке. Таким образом, весьма вероятно, что фтор свяжется с другими атомами таким образом, что фтор примет один электрон (фтору легче получить один электрон, чем отдать семь электронов). Когда это произойдет, его электронов будет на один больше, чем его протонов, и он будет иметь общий отрицательный заряд. Ионизированная форма фтора называется фторидом и записывается как F ^– . Отрицательно заряженный ион известен как анион.

Атомы, которые могут отдать или принять более одного электрона, получат более сильный положительный или отрицательный заряд. Катион, отдавший два электрона, имеет суммарный заряд +2. Используя магний (Mg) в качестве примера, это можно записать как Mg ⁺⁺  или Mg ²⁺ . Анион, принявший два электрона, имеет суммарный заряд -2. Ионная форма селена (Se), например, обычно записывается Se ^2–.

Противоположные заряды катионов и анионов вызывают умеренно сильное взаимное притяжение, которое удерживает атомы в непосредственной близости, образуя ионную связь. Ионная связь – это постоянная тесная связь между ионами с противоположным зарядом. Поваренная соль, которой вы посыпаете еду, обязана своим существованием ионной связи. Как показано на рисунке 1, натрий обычно отдает электрон хлору, превращаясь в катион Na ⁺ . Когда хлор принимает электрон, он становится анионом хлора, Cl ^– . Эти два иона с их противоположными зарядами сильно притягиваются друг к другу.

Ионная связь

Рис. 1: (а) Натрий легко отдает единственный электрон в своей валентной оболочке хлору, которому требуется только один электрон, чтобы иметь полную валентную оболочку. (b) Противоположные электрические заряды образующихся катиона натрия и аниона хлорида приводят к образованию связи притяжения, называемой ионной связью. в) притяжение многих ионов натрия и хлора приводит к образованию больших групп, называемых кристаллами.

Вода является важным компонентом жизни, поскольку она способна разрушать ионные связи в солях, освобождая ионы. На самом деле в биологических жидкостях большинство отдельных атомов существует в виде ионов. Эти растворенные ионы производят электрические заряды внутри тела. Поведение этих ионов создает следы работы сердца и мозга, наблюдаемые в виде волн на электрокардиограмме (ЭКГ или ЭКГ) или электроэнцефалограмме (ЭЭГ). Электрическая активность, возникающая в результате взаимодействия заряженных ионов, является причиной того, что их также называют электролитами.

---

Посмотрите видео по ссылке ниже, чтобы узнать об электрической энергии и притяжении/отталкивании зарядов. Что происходит с заряженным электроскопом, когда между его пластиковыми листами перемещается проводник, и почему?

---

Ковалентные связи

В отличие от ионных связей, образованных притяжением между положительным зарядом катиона и отрицательным зарядом аниона, молекулы, образованные ковалентной связью, имеют общие электроны во взаимно стабилизирующих отношениях. Подобно ближайшим соседям, чьи дети тусуются сначала в одном доме, а затем в другом, атомы не теряют и не приобретают электроны навсегда. Вместо этого электроны перемещаются взад и вперед между элементами. Из-за близкого расположения пар электронов (по одному электрону от каждого из двух атомов) ковалентные связи прочнее ионных.

Неполярные ковалентные связи

На рис. 2 показаны несколько распространенных типов ковалентных связей. Обратите внимание, что два ковалентно связанных атома обычно имеют только одну или две общие электронные пары, хотя возможны и более крупные общие пары. Важная концепция, которую следует извлечь из этого, заключается в том, что в ковалентных связях электроны в самой внешней валентной оболочке используются совместно, чтобы заполнить валентные оболочки обоих атомов, в конечном итоге стабилизируя оба вовлеченных атома. При одинарной ковалентной связи два атома делят один электрон, а при двойной ковалентной связи два атома делят между собой две пары электронов. Существуют даже тройные ковалентные связи, когда три атома являются общими.

Ковалентная связь

Рисунок 2

Вы можете видеть, что ковалентные связи, показанные на рисунке, уравновешены. Разделение отрицательных электронов относительно равно, как и электрическое притяжение положительных протонов в ядрах вовлеченных атомов. Вот почему ковалентно связанные молекулы, которые электрически сбалансированы таким образом, описываются как неполярные; то есть ни одна область молекулы не является ни более положительной, ни более отрицательной, чем любая другая.

Полярные ковалентные связи

Группы законодателей с совершенно противоположными взглядами на тот или иной вопрос часто описываются авторами новостей как «поляризованные». В химии полярная молекула — это молекула, которая содержит области с противоположными электрическими зарядами. Полярные молекулы возникают, когда атомы неравномерно делят электроны в полярных ковалентных связях.

Наиболее известным примером полярной молекулы является вода (рис. 3). Молекула состоит из трех частей: одного атома кислорода, ядро ​​которого содержит восемь протонов, и двух атомов водорода, ядра которых содержат только по одному протону. Поскольку каждый протон обладает одинаковым положительным зарядом, ядро, содержащее восемь протонов, создает заряд, в восемь раз больший, чем ядро, содержащее один протон. Это означает, что отрицательно заряженные электроны, присутствующие в молекуле воды, сильнее притягиваются к ядру кислорода, чем к ядрам водорода. Таким образом, единственный отрицательный электрон каждого атома водорода мигрирует к атому кислорода, делая кислородный конец их связи немного более отрицательным, чем водородный конец их связи.

Полярные ковалентные связи в молекуле воды

Рисунок 3

То, что верно для связей, верно и для молекулы воды в целом; то есть область кислорода имеет слегка отрицательный заряд, а области атомов водорода имеют слегка положительный заряд. Эти заряды часто называют «частичными зарядами», потому что сила заряда меньше, чем один полный электрон, как это происходит в ионной связи. Как показано на рисунке, области слабой полярности обозначены греческой буквой дельта (δ) и знаком плюс (+) или минус (–).

Несмотря на то, что одна молекула воды невообразимо мала, она имеет массу, и противоположные электрические заряды на молекуле притягивают эту массу таким образом, что она создает форму, напоминающую треугольную палатку (см. рис. b ). Этот диполь с положительным зарядом на одном конце, образованным атомами водорода на «дне» палатки, и отрицательным зарядом на противоположном конце (атомом кислорода на «верху» палатки) делает заряженные области весьма вероятными. взаимодействовать с заряженными областями других полярных молекул. Для физиологии человека образующаяся связь является одной из важнейших, образованных водой, — водородной связью.

Водородные связи

Водородная связь образуется, когда слабоположительный атом водорода, уже связанный с одним электроотрицательным атомом (например, кислородом в молекуле воды), притягивается к другому электроотрицательному атому другой молекулы. Другими словами, водородные связи всегда включают водород, который уже является частью полярной молекулы.

Самый распространенный пример водородной связи в природе возникает между молекулами воды. Это происходит на ваших глазах всякий раз, когда две капли дождя сливаются в большую бусинку или ручей переливается в реку. Водородная связь возникает из-за того, что слабоотрицательный атом кислорода в одной молекуле воды притягивается к слабоположительным атомам водорода двух других молекул воды (рис. 4).

Водородные связи между молекулами воды

Рисунок 4: Обратите внимание, что связи возникают между слабо положительным зарядом атомов водорода и слабо отрицательным зарядом атомов кислорода. Водородные связи относительно слабы и поэтому обозначены пунктирной (а не сплошной) линией.

Молекулы воды также сильно притягивают другие типы заряженных молекул, а также ионы. Это объясняет, почему «поваренная соль», например, на самом деле представляет собой молекулу, называемую в химии «солью», состоящую из равных количеств положительно заряженного натрия (Na ⁺ ) и отрицательно заряженный хлорид (Cl ^– ), так легко растворяются в воде, в этом случае образуя диполь-ионные связи между водой и электрически заряженными ионами (электролитами). Молекулы воды также отталкивают молекулы с неполярными ковалентными связями, такие как жиры, липиды и масла. Вы можете продемонстрировать это с помощью простого кухонного эксперимента: налейте чайную ложку растительного масла, соединения, образованного неполярными ковалентными связями, в стакан с водой. Вместо того, чтобы мгновенно растворяться в воде, масло образует отчетливую каплю, потому что полярные молекулы воды отталкивают неполярное масло.

Обзор главы

Каждый момент жизни атомы кислорода, углерода, водорода и других элементов человеческого тела создают и разрывают химические связи. Ионы — это заряженные атомы, которые образуются, когда атом отдает или принимает один или несколько отрицательно заряженных электронов. Катионы (ионы с положительным зарядом) притягиваются к анионам (ионам с отрицательным зарядом). Это притяжение называется ионной связью. В ковалентных связях участвующие атомы не теряют и не приобретают электроны, а делят их между собой. Молекулы с неполярными ковалентными связями электрически сбалансированы и имеют линейную трехмерную форму. Молекулы с полярными ковалентными связями имеют «полюса» — области слабо положительного и отрицательного заряда — и имеют треугольную трехмерную форму. Атом кислорода и два атома водорода образуют молекулы воды посредством полярных ковалентных связей. Водородные связи связывают атомы водорода, уже участвующие в полярных ковалентных связях, с анионами или электроотрицательными областями других полярных молекул. Водородные связи связывают молекулы воды, что приводит к свойствам воды, важным для живых существ.

Водородное связывание в воде: значение и эффекты

Вы когда-нибудь задумывались, почему вода прилипает к вашим волосам после душа? Или как вода поднимается вверх по корневой системе растений? Или почему летние и зимние температуры в прибрежных районах кажутся менее суровыми?

Вода — одно из самых распространенных и важных веществ на Земле. Его многочисленные уникальные свойства позволяют ему поддерживать жизнь от клеточного уровня до экосистемы. Многие уникальные свойства воды обусловлены полярностью ее молекул, особенно их способностью образовывать водородные связи друг с другом и с другими молекулами.

Здесь мы дадим определение водородной связи, остановимся на ее механизмах и обсудим различные свойства воды, придаваемые водородной связью.

Что такое водородная связь?

Водородная связь — это связь, которая образуется между частично положительно заряженным атомом водорода и электроотрицательным атомом, обычно фтором (F), азотом (N) или кислородом (O). Примеры того, где можно найти водородные связи, включают молекулы воды, аминокислоты в белковых молекулах и азотистые основания, которые образуют нуклеотиды в двух цепях ДНК.

Как образуются водородные связи?

Когда атомы имеют общие валентные электроны, образуется ковалентная связь . Ковалентные связи бывают либо полярными , либо неполярными в зависимости от электроотрицательности атомов (способность атома притягивать электроны, когда он находится в связи).

Из-за неравного распределения электронов полярная молекула имеет частично положительную область с одной стороны и частично отрицательную область с другой. Из-за этой полярности атом водорода с полярной ковалентной связью с электроотрицательным атомом (например, азота, фтора и кислорода) притягивается к электроотрицательным ионам или отрицательно заряженным атомам других молекул. Это притяжение приводит к образованию водородной связи.

Водородные связи не являются «настоящими» связями, такими как ковалентные, ионные и металлические связи. Ковалентные, ионные и металлические связи представляют собой внутримолекулярное электростатическое притяжение, то есть они удерживают атомы вместе внутри молекулы. С другой стороны, водородные связи представляют собой межмолекулярные силы, то есть они возникают между молекулами. Хотя притяжение водородных связей слабее, чем реальные ионные или ковалентные взаимодействия, они достаточно сильны, чтобы создавать существенные свойства, которые мы обсудим позже.

Что такое водородная связь в воде?

Вода состоит из двух атомов водорода, присоединенных ковалентными связями к одному атому кислорода (H-O-H). Вода представляет собой полярную молекулу , поскольку ее атомы водорода и кислорода неравномерно делят электроны из-за различий в электроотрицательности .

Каждый атом водорода содержит ядро, состоящее из одного положительно заряженного протона с одним отрицательно заряженным электроном, вращающимся вокруг ядра. С другой стороны, каждый атом кислорода содержит ядро, состоящее из восьми положительно заряженных протонов и восьми незаряженных нейтронов, а вокруг ядра вращаются восемь отрицательно заряженных электронов.

Атом кислорода имеет более высокую электроотрицательность, чем атом водорода, поэтому электроны притягиваются к кислороду и отталкиваются от водорода. Когда образуется молекула воды, десять электронов объединяются в пары на пять орбиталей, распределенных следующим образом:

• Одна пара связана с атомом кислорода.

• Две пары, связанные с атомом кислорода как внешние электроны.

• Две пары, образующие две ковалентные связи O-H.

При образовании молекулы воды остаются две неподеленные пары. Две неподеленные пары связывают себя с атомом кислорода. В результате атомы кислорода имеют частичный отрицательный (δ-) заряд, а атомы водорода имеют частичный положительный (δ+) заряд. Это означает, что молекула воды не имеет суммарного заряда, но атомы водорода и кислорода имеют частичный заряд.

Поскольку атомы водорода в молекуле воды частично заряжены положительно, они притягиваются к частично отрицательно заряженным атомам кислорода в близлежащих молекулах воды, позволяя образоваться водородных связей между близлежащими молекулами воды или другими молекулами с отрицательным зарядом (рис. 1). ). Между молекулами воды постоянно возникают водородные связи. Хотя отдельные водородные связи имеют тенденцию быть слабыми, они оказывают значительное влияние, когда образуются в больших количествах, что обычно имеет место для воды и органических полимеров.

Какое количество водородных связей может образоваться в молекулах воды?

Молекулы воды содержат две неподеленные пары и два атома водорода, все из которых связаны с сильно электроотрицательным атомом кислорода. Это означает, что каждая молекула воды может образовать до четырех связей (две, где он является принимающим концом н-связи, и две, когда он является дающим в н-связи).

Однако, поскольку водородные связи слабее ковалентных, они легко образуются, разрываются и восстанавливаются в жидкой воде. В результате точное количество водородных связей, создаваемых на молекулу, варьируется.

Каковы эффекты и последствия образования водородных связей в воде?

Водородная связь в воде придает несколько свойств, важных для поддержания жизни. В следующем разделе мы поговорим о некоторых из этих свойств.

Свойство растворителя

Молекулы воды являются превосходными растворителями. Полярные молекулы — это гидрофильные («водолюбивые») вещества, то есть они взаимодействуют с водой и легко растворяются в ней. Это связано с тем, что отрицательный ион растворенного вещества будет притягивать положительно заряженную часть молекулы воды и наоборот, вызывая растворение ионов.

Хлорид натрия (NaCl), также известный как поваренная соль, является примером полярной молекулы. Он легко растворяется в воде, так как частично отрицательный атом кислорода молекулы воды притягивается к частично положительным ионам Na+. С другой стороны, частично положительные атомы водорода притягиваются к частично отрицательным ионам Cl-. Это заставляет молекулу NaCl растворяться в воде.

Замедление температуры

Водородные связи в молекулах воды реагируют на изменения температуры, придавая воде ее уникальные характеристики в твердом, жидком и газообразном состояниях.

• В своем жидком состоянии молекулы воды постоянно движутся мимо друг друга, поскольку водородные связи постоянно разрываются и рекомбинируют.

• В состоянии газа молекулы воды обладают более высокой кинетической энергией, вызывая разрыв водородных связей.

• В своем твердом состоянии молекулы воды расширяются, потому что водородные связи раздвигают молекулы воды. В то же время водородные связи удерживают молекулы воды вместе, образуя кристаллическую структуру. Это дает льду (твердой воде) более низкую плотность по сравнению с жидкой водой.

Водородные связи в молекулах воды придают ей высокую удельную теплоемкость. Удельная теплоемкость относится к количеству теплоты, которое должно быть поглощено или потеряно одним граммом вещества, чтобы его температура изменилась на один градус Цельсия. Высокая удельная теплоемкость воды означает, что для изменения температуры требуется много энергии. Высокая удельная теплоемкость воды позволяет ей поддерживать стабильную температуру, необходимую для поддержания жизни на Земле.

Точно так же водородная связь придает воде высокий уровень h ест испарения , количество энергии, необходимое для превращения жидкого вещества в газообразное. Фактически, для превращения одного грамма воды в газ требуется 586 кал тепловой энергии. Это связано с тем, что водородные связи должны быть разорваны, чтобы жидкая вода могла перейти в газообразное состояние. Как только вода достигает точки кипения (100 ° C или 212 ° F), водородные связи в воде разрываются, в результате чего вода испаряется.

Когезия

Водородная связь заставляет молекулы воды оставаться близко друг к другу, что делает воду очень когезионным веществом. Это то, что делает воду «липкой».

Когезия относится к притяжению сходных молекул, в данном случае воды, удерживающих вещество вместе. Вода слипается, образуя «капли» из-за своего когезионного свойства. Сплоченность приводит к еще одному свойству воды: поверхностному натяжению.

Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение — это свойство, позволяющее веществу сопротивляться натяжению и предотвращать разрыв. Поверхностное натяжение, создаваемое водородными связями в воде, похоже на то, как люди образуют человеческую цепь, чтобы другие не смогли вырваться из их соединенных рук. Как сцепление воды с самой собой, так и сильное прилипание воды к поверхности, которой она касается, заставляют молекулы воды, находящиеся близко к поверхности, двигаться вниз и в сторону.

С другой стороны, подтягивающий воздух воздействует на поверхность воды с небольшой силой. В результате между молекулами воды на поверхности создается чистая сила притяжения, в результате чего получается очень плоский тонкий слой молекул. Молекулы воды на поверхности прилипают друг к другу, предотвращая погружение предметов, лежащих на поверхности. Поверхностное натяжение — вот почему канцелярская скрепка, которую вы осторожно кладете на поверхность воды, может плавать. В этом случае тяжелый предмет или тот, который вы не положили на поверхность воды осторожно, может нарушить поверхностное натяжение, заставив его утонуть.

Адгезия

Адгезия относится к притяжению между различными молекулами. Вода очень клейкая; он придерживается широкого круга различных вещей. Вода прилипает к другим вещам по той же причине, по которой она прилипает к самой себе, — она полярна; таким образом, он притягивается к заряженным веществам. Вода прилипает к различным поверхностям, включая растения, посуду и даже ваши волосы, когда они мокрые после душа. В каждом из этих сценариев адгезия является причиной того, что вода прилипает или смачивает что-либо.

Капиллярность

Капиллярность (или капиллярность) — это тенденция воды подниматься вверх по поверхности против силы тяжести из-за ее адгезионных свойств. Эта тенденция связана с тем, что молекулы воды больше притягиваются к таким поверхностям, чем другие молекулы воды. Если вы раньше опускали бумажное полотенце в воду, вы могли заметить, что вода «поднимается» вверх по бумажному полотенцу против силы тяжести; это происходит благодаря капиллярности.

Точно так же мы можем наблюдать капиллярность в ткани, почве и других поверхностях, где есть небольшие пространства, через которые могут двигаться жидкости.

Каково значение водородных связей в воде в биологии?

В предыдущем разделе мы обсуждали свойства воды. Как эти биохимические и физические процессы необходимы для поддержания жизни на Земле? Давайте обсудим некоторые конкретные примеры.

Вода, будучи отличным растворителем, может растворять широкий спектр соединений. Поскольку наиболее важные биохимические процессы происходят в водной среде внутри клеток, это свойство воды имеет решающее значение для обеспечения протекания этих процессов. Высокая удельная теплоемкость воды позволяет регулировать температуру больших водоемов. Например, в прибрежных районах летние и зимние температуры менее суровые, чем на больших массивах суши, потому что наземные массивы теряют тепло быстрее, чем вода.

Точно так же высокая теплота парообразования воды означает, что в процессе перехода из жидкого состояния в газообразное расходуется много энергии, вызывая охлаждение окружающей среды. Например, потоотделение у многих живых организмов (включая человека) представляет собой механизм, поддерживающий гомеостаз температуры тела за счет его охлаждения. Когезия, адгезия и капиллярность являются важными свойствами воды, которые обеспечивают поглощение воды растениями. Вода может подниматься по корням благодаря капиллярности. Он также может перемещаться по ксилеме, чтобы доставлять воду к ветвям и листьям.

Водородная связь в воде — основные выводы

• Водородная связь — это связь, которая образуется между частично положительно заряженным атомом водорода и электроотрицательным атомом.
• Вода представляет собой полярную молекулу : ее атомы кислорода имеют частичный отрицательный (δ-) заряд, а атомы водорода имеют частичный положительный (δ+) заряд.
• Эти частичные заряды позволяют образовать водородных связей между молекулой воды и соседними молекулами воды или другими молекулами с отрицательным зарядом.
• Благодаря водородным связям молекулы воды обладают свойствами, важными для поддержания жизни.
• Эти свойства включают растворяющую способность, замедление температуры, когезию, поверхностное натяжение, адгезию и капиллярность.

Источник:

Advanced Placement for AP Courses Учебник Техасского агентства по образованию

Биология Кэмпбелла, одиннадцатое издание, издание Person Higher Education

Изучение нашей жидкой Земли, Гавайский университет

Сборники по химии по структуре воды

Сборники по химии по водородным связям

Геологическая служба США по адгезии и когезии воды

Геологическая служба США по капиллярному действию и воде

Химическая связь – Партнерство по образованию в области фармакологии спиртов

80006 образуется, когда взаимодействие между двумя или более атомами требует меньше энергии, чем поддержание атомов по отдельности. Химические связи определяются силами притяжения между их ядрами и электронами и могут варьироваться в диапазоне от мимолетного притяжения до необратимого связывания. Существует несколько типов химических связей, которые можно классифицировать на основе вовлеченных атомов и распределения электронов между атомами. Внутримолекулярные связи — это связи, которые соединяют атомы в соединения. Существует 3 типа внутримолекулярных связей: ковалентная, ионная и металлическая.

Ковалентная связь: связь, в которой пара или пары электронов являются общими для двух атомов.

• Молекулярные соединения относятся к соединениям с ковалентной связью, как правило, с низкой молекулярной массой.
• Высокомолекулярные соединения представляют собой соединения с высокой молекулярной массой, которые ковалентно связаны и имеют линейную, разветвленную или поперечную связь.
• Сеть: соединения, в которых каждый атом ковалентно связан со всеми своими ближайшими соседями, так что весь кристалл представляет собой одну молекулу.

Ионная связь: связь, которая удерживает атомы вместе в соединении; электростатическое притяжение между заряженными ионами. Ионные соединения образуются между атомами, существенно различающимися по электроотрицательности. Электрон (электроны), участвующие в связывании, передаются от менее электроотрицательного к более электроотрицательному атому (атомам), образуя ионы. Донор электронов (катион) теперь несет суммарный положительный заряд, а акцептор электронов (анион) теперь несет суммарный отрицательный заряд.

Металлическая связь: связь, возникающая в результате притяжения между положительными ионами и окружающими подвижными электронами.

Межмолекулярные силы

Межмолекулярные силы — это силы, которые притягивают молекулы или частицы к подобным или непохожим молекулам или частицам. Как правило, эти силы между молекулами образуют гораздо более слабые связи, чем те связи, которые образуют соединения. Межмолекулярные силы описаны ниже. Они сгруппированы в 3 подкатегории в зависимости от типа внутримолекулярных связей, образующих соединение:

• Ионные соединения проявляют электростатические межмолекулярные силы, которые образуют прочные связи с другими ионными соединениями.
• Ковалентные соединения проявляют ван-дер-ваальсовы межмолекулярные силы, которые образуют связи различной прочности с другими ковалентными соединениями. К трем типам сил Ван-дер-Ваальса относятся: 1) дисперсионные (слабые), 2) диполь-дипольные (средние) и 3) водородные (сильные).
• Ион-дипольные связи  (ионные соединения с ковалентными молекулами) образуются между ионами и полярными молекулами. Эти соединения обычно образуют связи от средней до сильной.

Ниже описаны пять видов межмолекулярных сил; описанная сила связи варьируется от самой сильной до самой слабой (последние 3 являются примерами сил Ван-дер-Ваальса). Пожалуйста, помните, что это сравнение относится к другим межмолекулярным притяжениям, а не к силе ковалентной или ионной связи; существует множество исключений, которые здесь не предусмотрены.

• Электростатический: силы притяжения между ионами противоположного заряда; например, NaCl соединяется с другим NaCl с образованием кристалла соли.
• Ион-диполь: силы притяжения между катионом/анионом и молекулами растворителя при растворении в воде или других полярных молекулах; например, NaCl растворяется в воде с образованием Na+ и Cl-, окруженных молекулами воды.

Поскольку атомы и молекулы представляют собой трехмерные структуры, вращающиеся вокруг ядра электроны редко распределяются равномерно. Как следствие, в противном случае нейтральные атомы или молекулы испытывают мгновенные моменты полярности (называемые мгновенными диполями). В жидкостях близлежащие молекулы могут ощущать влияние таких короткоживущих диполей и генерировать собственные мгновенные диполи. Сумма этих изменяющихся взаимодействий между зарядами представляет собой слабое притяжение или связь, называемую силами Ван-дер-Ваальса.

• Водородная связь: особый тип диполь-дипольного взаимодействия между атомом водорода в полярной связи, такой как O-H или N-H, и электроотрицательными атомами N, O или F. Эти силы притяжения намного сильнее, чем другие дипольные связи. -дипольные силы. В результате неравного распределения электронов атомы водорода приобретают положительный заряд. Когда H, очень маленький атом, связан с другими очень маленькими атомами с высокой электроотрицательностью, они образуют сильное притяжение к другим подобным атомам. Только N, O и F образуют водородные связи. Молекулы воды также образуют водородные связи с другими молекулами воды.
• Диполь-Диполь: силы притяжения между полярными молекулами. Например, одна молекула h3O притягивается к другой молекуле h3O, потому что h3O является полярной молекулой. Воду называют универсальным растворителем, потому что в ней растворяются многие ионные и ковалентные соединения.
• Дисперсия (лондонские силы): силы притяжения, возникающие между временными диполями и индуцированными диполями в атомах или молекулах; например, I2 связан с I2 с образованием жидкого или твердого йода.