Обзор молекулярных сил

Чтобы понять, как функционируют клетки, вам необходимы основы знаний о том, как взаимодействуют молекулы. Не стоит чрезмерно углубляться в химию, но вам следует понимать, каким образом атомы взаимодействуют друг с другом, образуя молекулы. Биомолекулы (молекулы в биологических системах) образуются по тем же самым физическим законам, что и любые другие физические структуры.

Существует два основных пути взаимодействия атомов друг с другом с образованием молекул: через ионные и ковалентные связи. Чтобы понять их, необходимо знать, что в ядре атома наряду с положительно заряженными протонами находятся незаряженные нейтроны. Отрицательно заряженные электроны вращаются по орбиталям вокруг ядра. Число протонов в атоме равно числу электронов. Поэтому атом не несет заряда, он электронейтрален. Казалось бы, все достаточно просто.

Для обсуждения электронных орбиталей представьте их себе как серию оболочек (уровней), которые должны быть заполнены определенным образом. Каждая орбиталь содержит определенное число электронов. Например, у атома водорода только один электрон на первой оболочке, характеризующейся наименьшим энергетическим уровнем. Природа всегда ищет наименьший из возможных энергетический уровень. В атоме водорода только один электрон, потому что в его ядре только один протон, а, как мы знаем, в атоме число электронов должно в точности соответствовать числу протонов. Максимально на первой оболочке может располагаться два электрона, в результате чего она окажется заполненной. Поэтому атом водорода стремится принять еще один электрон. Таким образом, водород легко взаимодействует с другими атомами, которые способны отдать электрон. Поведение атома гелия противоположно водороду. У атома гелия два электрона. Электронная орбиталь заполнена, и гелий не реагирует ни с какими другими веществами.

Если первая оболочка заполнена, начинается заполнение электронами следующей оболочки, с более высоким энергетическим уровнем. У лития уже три протона и три электрона. На первой оболочке располагаются два электрона, и она стабильна. Однако на второй (внешней) есть неспаренный электрон, в результате чего литий способен вступать в реакции, отдавая его при образовании химической связи.

Рис. 1.1. Схема образования ионной связи

Рис. 1.1. Схема образования ионной связи

Позвольте нам использовать водород и литий для объяснения различий между ионной и ковалентной связями. Ионные связи, показанные на рис. 1.1, образуются, когда один атом отдает электрон другому атому. Литий может отдать свой третий электрон другому атому, например атому хлора. Когда эта реакция пройдет, литий приобретет положительный заряд, потому что его атом потеряет один электрон, заряженный отрицательно; хлор же, напротив, получит отрицательный заряд, так как число электронов в атоме станет больше, чем число протонов. Если эта реакция будет протекать в растворе, положительно заряженные ионы лития и отрицательно заряженные ионы хлора будут «плавать» независимо друг от друга. Противоположные заряды будут притягиваться друг к другу, в результате чего образуется соль – хлорид лития. Хлорид лития представляет собой молекулу. Однако силы, удерживающие атомы лития и хлора вместе, не так сильны и могут быть разрушены путем добавления воды, в результате чего молекула хлорида лития легко диссоциирует на ионы лития и хлора. Молекулы или атомы с более сильным зарядом могут успешно конкурировать за одного из этих «партнеров». Пищевая соль (хлорид натрия) – широко известный пример молекулы, которая образует ионные связи подобным образом.

Рис. 1.2. Схема образования ковалентной связи

Рис. 1.2. Схема образования ковалентной связи

Ковалентные связи, показанные на рис. 1.2, образуются, когда атомы делят электрон между собой, то есть он фактически принадлежит обоим атомам. Ковалентные связи намного прочнее ионных. Давайте вернемся к примеру с водородом. Атом водорода, как вы помните, имеет только один электрон. Два атома водорода поделят свои электроны, образуя газ водород, молекулу которого можно записать как Н2. Итак, в молекуле водорода два протона, по одному от каждого атома, и два электрона, равномерно распределенных между этими атомами.

Один из атомов способен притягивать к себе общую электронную пару, в результате чего в молекуле образуется ковалентная полярная связь. Рассмотрим в качестве примера молекулу воды. При образовании молекулы воды кислород принимает два электрона, по одному от каждого из двух атомов водорода. Однако, как показано на рис. 1.3, общая электронная пара смещена в сторону кислорода.

Рис. 1.3. Схема образования полярной ковалентной связи

Рис. 1.3. Схема образования полярной ковалентной связи


Оставить комментарий

Ваш комментарий