סוג הקשר הכימי של מים. הקשר של מולקולות מים זו עם זו

מולקולות מים קשורות זו בזו באמצעות קשרי מימן, המרחק בין אטומי חמצן ומימן הוא 96 בערב ובין שני הידרוגנים - 150 בערב. במצב המוצק, אטום חמצן מעורב ביצירת שני קשרי מימן עם מולקולות מים שכנות. במקרה זה, מולקולות H 2 O אינדיבידואליות מתקשרות זו עם זו בקטבים הפוכים. כך נוצרות שכבות בהן כל מולקולה קשורה לשלוש מולקולות בשכבה שלה ואחת מהשכנות. כתוצאה מכך, מבנה הגביש של הקרח מורכב מ"צינורות "משושים המחוברים זה בזה כמו חלת דבש.

על פי הדמיית מחשב, בקוטר צינור של 1.35 ננומטר ולחץ של 40,000 אטמוספרות, קשרי המימן כפופים, וכתוצאה מכך נוצרה ספירלה כפולה. הקיר הפנימי של מבנה זה מעוות לארבע ספירלות, והקיר החיצוני מורכב מארבע מסות כפולות דומות למבנה של מולקולת DNA.

העובדה האחרונה משאירה את חותמה לא רק על התפתחות הרעיונות שלנו לגבי מים, אלא גם על התפתחות החיים המוקדמים ומולקולת ה- DNA עצמה. אם נניח שלסלעי חרס קריוליט הייתה צורה של צינורות בעידן הולדת החיים, נשאלת השאלה - האם המים הנגועים בהם יכולים לשמש בסיס מבני - מטריצה \u200b\u200bלסינתזה של DNA וקריאת מידע? אולי זו הסיבה שמבנה הספירלה של DNA חוזר על המבנה הספירלי של מים בצינורות. על פי המגזין New Scientist, כעת עמיתינו הזרים יצטרכו לאשר את קיומם של מקרומולקולות מים כאלה בתנאים ניסויים אמיתיים באמצעות ספקטרוסקופיה אינפרא אדום וספקטרוסקופיית פיזור נויטרונים.

מחקרים כאלה על ננו-גבישים קרח נערכו בשנת 2007 על ידי מיקלאידס מהמרכז לננוטכנולוגיה בלונדון ומורגנשטרן מהאוניברסיטה. לייבניץ בהאנובר (איור 36). הם קיררו אדי מים מעל פני לוחית מתכת בטמפרטורה של 5 מעלות קלווין. עד מהרה, באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה בצלחת, ניתן היה לראות משושה (שש מולקולות מים מחוברות זו לזו) - פתית השלג הקטנה ביותר. זהו אשכול הקרח הקטן ביותר האפשרי. המדענים צפו גם באשכולות המכילים שבעה, שמונה ותשע מולקולות.

אורז . 36. תמונה של משושה מים המתקבל במיקרוסקופ מנהור סריקה.גודל המשושה לרוחב הוא בערך 1 ננומטר. תמונות מרכז לונדון לננוטכנולוגיה

פיתוח טכנולוגיה שאיפשרה להשיג דימוי של משושה מים הוא הישג מדעי חשוב בפני עצמו. לצורך התבוננות היה צורך להפחית את זרם החיטוט למינימום, מה שאיפשר להגן על קשרים חלשים בין מולקולות מים בודדות מפני הרס כתוצאה מתהליך התצפית. בנוסף, נעשה שימוש בעבודות בגישות התיאורטיות של מכניקת הקוונטים. גישה משולבת הניבה תוצאות מרשימות.

בניגוד לקרח גבישי, בו האנרגיה המחייבת בין כל מולקולות המים זהה, בננו-מולקולות יש חלופה של קשרים חזקים וחלשים (והמרחקים המתאימים) בין מולקולות בודדות. תוצאות חשובות הושגו גם ביכולתן של מולקולות מים להפיץ קשרי מימן וקשרים שלהם עם משטח המתכת.

הניתוחים התיאורטיים של אופרין, הניסויים של מילר, פוקס ואחרים מוכיחים שאין עוררין על כך שמולקולות אורגניות מאלו אורגניות יכולות להיות מובנות בטבע. מקור האנרגיה העיקרי בניסויים שלהם הוא חום. בטבע מדובר בקרינת שמש ואנרגיית מאגמה. מסקנה משמעותית נוספת מאוד היא שמקור החיים יכול להתרחש בסביבה אלקלית. בכל המקרים, נצפתה התארגנות עצמית של החיים.

במאה ה- XIX. הכומר ציין שבטבע הדומם, המולקולות סימטריות. ובטבע החי נצפתה א-סימטריה של מראה מולקולות. חלבונים מורכבים מחומצות אמינו לבורוטיות. מאפיין זה נקבע על ידי סיבוב של מישור קיטוב של אור על ידי מולקולה. כיצד להסביר את התופעה?

אולי נוכחות הא-סימטריה במולקולות אורגניות באה לידי ביטוי כאשר המערכת הפתוחה שקדמה לביוספרה הייתה במצב קריטי ביותר שאינו משקל משקל.

עבר אבולוציוני עוויתתי, שהוא מאפיין של ארגון עצמי. דוגמה למצב זה היא ניסויים בהם מולקולות מים דומות ל- DNA בננו-צינורות. המעבר ממולקולות סימטריות בעלות טבע דומם לביומולקולות חיות אסימטריות יכול להתרחש בשלב הראשוני של האבולוציה הכימית, כארגון עצמי של החומר. פרופ ' אנטונוב הוכיח כי מים הם גם מערכת פתוחה ומחליפים אנרגיה וחומר עם הסביבה (פרופ 'אנטונוב, 1992).

תנאים קיצוניים כאלה נצפים במהלך פעילות וולקנית, הפרשות באטמוספירה של כדור הארץ הצעיר. מים מינרלים האינטראקציה עם סידן פחמתי, כמו גם מי ים, הם ספקטרום חיובי לשימור מבנים המארגנים את עצמם. האפקט הקירליאני בתנאי מעבדה יוצר פריקה סלקטיבית, המאפשרת לצפות בפליטת אור על ידי אטומים או מולקולות. בניסויים של מילר נוצרים גם תנאים קיצוניים שאינם משככים עם פריקת גז.

ההילה הקיריאלית - זוהרת זרימת פלזמה של פריקה חשמלית על פני חפצים הממוקמים בשדה חשמלי מתחלף בתדר גבוה של 10-100 קילו הרץ, בו מתרחש מתח פנים בין 5 עד 30 קילוואט בין האלקטרודה לאובייקט הבדיקה. ההשפעה הקירילית נצפתה כמו ברק או הפרשות סטטיות על כל חפצים ביולוגיים, אורגניים, כמו גם על דגימות אורגניות בעלות אופי שונה.

כדי לדמיין את ההילה הקיריאלית, מוחל על האלקטרודה מתח לסירוגין בתדר גבוה - מ 1 עד 40 קילוולט ב 200-15000 הרץ. האלקטרודה השנייה היא האובייקט עצמו. שתי האלקטרודות מופרדות על ידי מבודד ושכבת אוויר דקה, שהמולקולות בהן עוברות ניתוק תחת פעולה של שדה מגנטי חזק המתעורר בין האלקטרודה לאובייקט. בשכבת אוויר זו, הממוקמת בין העצם לאלקטרודה, מתרחשים שלושה תהליכים.

התהליך הראשון הוא יינון ויצירת חנקן אטומי.

התהליך השני הוא יינון מולקולות אוויר ויצירת זרם יון - פריקת קורונה בין אובייקט לאלקטרודה. צורת כתר הזוהר, צפיפותו וכו '. נקבע על ידי הקרינה האלקטרומגנטית של האובייקט.

התהליך השלישי הוא מעבר אלקטרונים מרמות אנרגיה נמוכות וגבוהות יותר ולהיפך. במעבר אלקטרונים זה נפלט קוונטית של אור. גודל מעבר האלקטרונים תלוי בשדה האלקטרומגנטי המהותי של האובייקט שנחקר. לכן בנקודות שונות בשדה המקיף את האובייקט האלקטרונים מקבלים רגעים שונים, כלומר קפוץ לרמות אנרגיה שונות, מה שמוביל לפליטה של \u200b\u200bקוונטת אור באורכים ואנרגיות שונות. האחרונים רשומים על ידי העין האנושית או נייר צילום צבעוני כצבעים שונים, אשר, בהתאם לאובייקט, יכולים לצבוע את כתר הזוהר בצבעים שונים. יחד, שלושת התהליכים הללו נותנים תמונה כוללת של האפקט הקירליאני, המאפשר ללמוד את השדה האלקטרומגנטי של אובייקט. אפקט קיריליאן נקשר אפוא להילה הביואלקטרית של חפץ חי.

נוכחותם של זוגות אלקטרונים לא משותפים במולקולות H 2 O של אטומי חמצן ואטומי מימן טעונים באופן חיובי, מובילה לאינטראקציה מיוחדת מאוד בין המולקולות, הנקראות HYDROGEN BOND (ראה איור). בניגוד לכל סוגי הקשרים הכימיים שכבר מוכרים לנו, קשר זה הוא בין-מולקולרי.

קשר מימן (המצוין על ידי קו מנוקד באיור) מתרחש כאשר אטום מימן המדלדל של מולקולת מים אחת אינטראקציה עם זוג אלקטרונים בודד של אטום חמצן של מולקולת מים אחרת.

מליטה במימן היא מקרה מיוחד - קשרים בין מולקולריים. ההערכה היא שהיא נובעת בעיקר מכוחות אלקטרוסטטיים. כדי שקשירת מימן תתרחש, יש צורך שבמולקולה יהיו אטומי מימן אחד או יותר הקשורים לאטומים קטנים אך אלקטרונגטיביים, למשל: O, N, F. חשוב כי לאטומים אלקטרוניים-אלקטרוניים אלה יהיו זוגות אלקטרונים בודדים. לכן קשרי מימן אופייניים לחומרים כמו מים H 2 O, אמוניה NH 3, מימן פלואוריד HF. לדוגמה, מולקולות HF קשורות זו בזו באמצעות קשרי מימן, המוצגות בקווים מנוקדים באיור:

קשרי מימן חזקים בערך פי 20 מקשרים קוולנטיים, אך הם הופכים מים למים כנוזל או כקרח (ולא כמו גז) בתנאים רגילים. קשרי מימן נהרסים רק כאשר מים נוזליים עוברים לאדים.

בטמפרטורות מעל 0 מעלות צלזיוס (אך מתחת לנקודת הרתיחה), למים אין עוד מבנה בין-מולקולרי מסודר, כפי שמוצג באיור. לכן במים נוזליים מולקולות קשורות זו בזו רק באגרגטים נפרדים של כמה מולקולות. יחידות אלה יכולות לנוע זו לצד זו בחופשיות ויוצרות נוזל נייד. אך עם ירידה בטמפרטורה, ההזמנה הופכת ליותר ויותר, והמצרפים הולכים וגדלים. לבסוף נוצרות קרח, שיש לו בדיוק מבנה מסודר שכזה, שמוצג באיור.

נושא: שיעורים בסיסיים של תערובות אי-אורגניות. סיווג חומרים לא אורגניים

תכנית הרצאה:

1. המחלקות העיקריות של תרכובות אורגניות.
2. אדמות. תכונות כימיות.
3. תחמוצות סוגיהם, תכונותיהם הכימיות.
4. חומצות סיווג ותכונותיהם הכימיות.
5. מלח. סיווג ותכונותיהם הכימיות.

חומרים פשוטים. מולקולות מורכבות מאטומים מאותו המין (אטומים של יסוד אחד). בתגובות כימיות הם לא יכולים להתפרק עם היווצרותם של חומרים אחרים.

חומרים מורכבים (או תרכובות כימיות).   מולקולות מורכבות מאטומים מסוגים שונים (אטומים של יסודות כימיים שונים). בתגובות כימיות יש להתפרק עם היווצרותם של מספר חומרים אחרים.

אין גבול חד בין מתכות ללא מתכות, מכיוון ישנם חומרים פשוטים המציגים תכונות כפולות.

מבנה קשירת מימן   ננתח עם דוגמא אינטראקציות   מולקולות מים בינן לבין עצמן.

מולקולת מים היא דיפול. הסיבה לכך היא שהאטום מימןקשור לעוד אלקטרונית   אלמנט חמצןחוויות חיסרון של אלקטרונים   ולכן מסוגלים לקיים אינטראקציה   עם אטום חמצן של מולקולת מים אחרת.

כתוצאה מכך אינטראקציות   עולה קשר מימן (איור. 2.1):

2.1. מנגנון קשירת המימן בין מולקולות מים

הסיבה לכך היא אטום מימןקשור לעוד אלקטרונית   אלמנט שיש זוג אלקטרוני לא משותף   (חנקן, חמצן, פלואור וכו '), חוויות חיסרון   אלקטרונים ולכן מסוגלים לתקשר איתם לא שותף   זוג אלקטרונים אטום אלקטרוני נוסף זה   אותו או אחר   מולקולות.

התוצאה גם עולה מימן   תקשורתהמצוין בצורה גרפית שלוש נקודות   (איור):

איור. 2.2. מנגנון קשירת המימן בין הפרוטון (N . δ + ) ויותר אטומי גופרית אלקטרוניים (:ס δ - ), חמצן (:O δ - ) וחנקן (:נ δ - )

הקשר הזה הוא משמעותי חלש יותר   קשרים כימיים אחרים ( האנרגיה   השכלתה 10-40 ק"ג / מול), והיא נקבעת בעיקר על ידי אינטראקציות אלקטרוסטטיות ומקבלי תורמים.

קשר מימן עשוי להיות כמו אינטרמולקולריכך ו בין-מולקולרי.

2.1.4. אינטראקציות הידרופוביות

לפני ששוקלים את הטבע אינטראקציה הידרופובית, יש צורך להציג את המושג " הידרופילי   ו- " הידרופובי   פונקציונלי קבוצות.

הקבוצות שיכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים נקראות הידרופילי.

קבוצות אלה כוללות קוטבי   קבוצות: קבוצת אמינו (-NH 2 ) , קרבוקסילית(- מגניב), קבוצת קרבוניל(- צ'ו) ו sulfhydryl   קבוצה ( - ש).

באופן כללי הידרופילי   החיבורים טובים מסיסים   במים. !!! זה נובע מהעובדה שקבוצות קוטביות מסוגלות ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים. .

מראה   מערכות יחסים כאלה מלוות שחרור אנרגיהלכן יש נטייה ל למקסם את משטח המגע   קבוצות טעונות ומים ( איור. 2.3):

איור. 2.3. מנגנון היווצרות האינטראקציות ההידרופוביות וההידרופיליות

נקראות מולקולות או חלקים של מולקולות שאינן מסוגלות ליצור קשרי מימן עם מים קבוצות הידרופוביות.

קבוצות אלה כוללות אלקיל   ו ארומטי   זה קיצוני לא קוטבי   ו אל תשא   מטען חשמלי.

קבוצות הידרופוביות – רע   או בכלל לא מסיסים   במים.

הסיבה לכך היא האטומים   ו קבוצות אטומיםכלול ב הידרופובי   קבוצות הן ניטרלי חשמליולכן () לא יכול   טופס קשרי מימן   עם מים.

!!! אינטראקציות הידרופוביות נוצרות כתוצאה ממגע בין רדיקלים לא קוטביים, שאינם מסוגלים לשבור קשרי מימן בין מולקולות מים.

כתוצאה מכך מולקולות מים   מונע החוצה פני השטח   מולקולות הידרופיליות ( איור. 2.3).

2.1.5. אינטראקציות של ואן דר וואלס.

במולקולות יש גם מאוד כוחות אטרקטיביים חלשים וקצרי טווח   בין אטומים ניטרליים אלקטרוניים לקבוצות פונקציונליות.

אלה מה שמכונה אינטראקציות של ואן דר וואלס.

הם אמורים להגיע אינטראקציה אלקטרוסטטית   בין אלקטרונים טעונים לשלילה אחד   אטום וגרעין טעון חיובי של אחר   אטום.

מאז גרעיני האטומים מוגן   סביב משלהם אלקטרונים   מהגרעינים של האטומים השכנים ואז נוצרים בין אטומים שונים ואן דר וואלס אינטראקציות   די קטן.

כל אלה סוגי אינטראקציות   לקחת חלק ב מעצבים, שמירה   ו ייצוב   מבנה מרחבי ( קונפורמציה) מולקולות חלבון ( איור. 2.4):

איור. 2.4. מנגנון היווצרותם של קשרים קוולנטיים ואינטראקציות חלשות לא קוולנטיות:1 - אינטראקציות אלקטרו-סטטיות;2   - קשרי מימן;3   - אינטראקציות הידרופוביות,4   - קשרים עם דיסולפיד

כוחות התורמים היווצרות המבנה המרחבי של חלבונים והחזקתם במצב יציבהם חלשים מאוד כוחות. האנרגיה של כוחות אלה דולקת 2-3   סדר בסדר גודל פחות מהאנרגיה של קשרים קוולנטיים. הם פועלים בין אטומים בודדים לקבוצות אטומים.

עם זאת, המספר העצום של האטומים במולקולות של ביו-פולימרים (חלבונים) מוביל לעובדה כי סך האנרגיה של האינטראקציות החלשות הללו הופכת להשוואה לאנרגיה של קשרים קוולנטים.