Химия — 8

В соединениях с ионной связью кристаллы состоят не из молекул, а из множества противоположно заряженных ионов. И поэтому для ионных соединений молекулярные формулы носят условный характер. Лишь при высокой температуре, когда вещество с ионной связью переходит в газообразное состояние, оно бывает молекулярного характера (KCl, NaCl).

Если разница в электроотрицательности элементов в соединениях больше 1,7, то это соединение с ионной связью, а если меньше — с ковалентной связью.

Резкой границы между ионной и ковалентной связями не существует. Неполярная ковалентная, полярная ковалентная и ионная связи различаются лишь по степени поляризации общих электронных пар. Ионную связь рассматривают как предельную или граничную форму ковалентной полярной связи:

Вещества с неполярной ковалентной связью: H₂, O₂, O₃, N₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂, P₄, S

8 и др.

Вещества с полярной ковалентной связью: HF, HCl, HBr, HI, CO₂, PH₃, NH₃ и др. кислоты.

Вещества с ионной связью: Me_xO_y (Me=Li, Na, K, Ca, Ba и др.), щелочи, соли и др.

Соединения с ионной связью отличаются от соединений с ковалентной связью по ряду свойств.

Соединения с ионной связью хорошо растворяются в полярных растворителях, распадаются на ионы, легко вступают в химические реакции, образуют ионные кристаллы, которым присущи высокие температуры плавления и кипения. Расплавы ионных соединений проводят электрический ток.

Проверка знаний и способностей

1. Что такое ионная связь?
   
2. Определите соответствие.
   Вид связи в молекуле вещества
   
   1) неполярная ковалентная связь 2) полярная ковалентная связь 3) ионная связь
   Вещества
   a) NaCl     b) S₈     c) H₂O     d) KI     e) CO₂     f) P₄     g) Na₂O
3. Определите отношения между а, b, с и d.
   

   Вещества	Число полярных ковалентных связей в молекуле
   Al3(SO4)3	a
   Ca(HSO4)2	b
   NaH2PO4	c
   Ca(HCO3)2	d

   a) a > c > b > d     b) a > b > d> c
   c) b > c > a > d     d) b > d > a > c
   e) c > a > b > d

4. Какие заряженные частицы в бинарных соединениях (двухэлементных соединениях) могут образовать как ионную, так и полярную ковалентную связь?

   1) Na⁺     2) S^2-     3) S⁺⁶     4) P^3-     5) Ca²⁺     6) N^3-

5. Определите соответствие.
   Связи в молекуле вещества

   1) в основном ионная
   2) в основном полярная ковалентная
   3) как ионная, так и полярная ковалентная

Ковалентная связь — это… Что такое Ковалентная связь?

Ковалентная связь

(атомная связь, гомеополярная связь) — химическая связь, образованная перекрытием (обобществлением) пары валентных электронных облаков. Обеспечивающие связь электронные облака (электроны) называются общей электронной парой.

Термин ковалентная связь был впервые введён лауреатом Нобелевской премии Ирвингом Ленгмюром в 1919 году^[1][2]. Этот термин относился к химической связи, обусловленной совместным обладанием электронами, в отличие от металлической связи, в которой электроны были свободными, или от ионной связи, в которой один из атомов отдавал электрон и становился катионом, а другой атом принимал электрон и становился анионом.

Позднее (1927 год) Ф.Лондон и В.Гайтлер на примере молекулы водорода дали первое описание ковалентной связи с точки зрения квантовой механики.

С учётом статистической интерпретации волновой функции М.Борна плотность вероятности нахождения связывающих электронов концентрируется в пространстве между ядрами молекулы (рис.1). В теории отталкивания электронных пар рассматриваются геометрические размеры этих пар. Так, для элементов каждого периода существует некоторый средний радиус электронной пары (Å):

0,6 для элементов вплоть до неона; 0,75 для элементов вплоть до аргона; 0,75 для элементов вплоть до криптона и 0,8 для элементов вплоть до ксенона.^[3]

Характерные свойства ковалентной связи — направленность, насыщаемость, полярность, поляризуемость — определяют химические и физические свойства соединений.

Направленность связи обусловлена молекулярным строением вещества и геометрической формы их молекулы. Углы между двумя связями называют валентными.

Насыщаемость — способность атомов образовывать ограниченное число ковалентных связей. Количество связей, образуемых атомом, ограничено числом его внешних атомных орбиталей.

Полярность связи обусловлена неравномерным распределением электронной плотности вследствие различий в электроотрицательностях атомов. По этому признаку ковалентные связи подразделяются на неполярные и полярные.

Поляризуемость связи выражается в смещении электронов связи под влиянием внешнего электрического поля, в том числе и другой реагирующей частицы. Поляризуемость определяется подвижностью электронов. Полярность и поляризуемость ковалентных связей определяет реакционную способность молекул по отношению к полярным реагентам.

Электроны тем подвижнее, чем дальше они находятся от ядер. Ковалентная связь это когда два атома делятся электронами и держатся вместе.

Образование связи

Ковалентная связь образуется парой электронов, поделённой между двумя атомами, причём эти электроны должны занимать две устойчивые орбитали, по одной от каждого атома.

^[4]

A· + ·В → А : В

В результате обобществления электроны образуют заполненный энергетический уровень. Связь образуется, если их суммарная энергия на этом уровне будет меньше, чем в первоначальном состоянии (а разница в энергии будет ни чем иным, как энергией связи).

Заполнение электронами атомных (по краям) и молекулярных (в центре) орбиталей в молекуле H₂. Вертикальная ось соответствует энергетическому уровню, электроны обозначены стрелками, отражающими их спины.

Согласно теории молекулярных орбиталей, перекрывание двух атомных орбиталей приводит в простейшем случае к образованию двух молекулярных орбиталей (МО): связывающей МО и антисвязывающей (разрыхляющей) МО. Обобществленные электроны располагаются на более низкой по энергии связывающей МО.

Образование связи при рекомбинации атомов

Атомы и свободные радикалы склонны к рекомбинации — образованию ковалентной связи путём обобществления двух неспаренных электронов, принадлежащих разным частицами

[4]

H + H → H₂;

·CH₃ + ·CH₃ → CH₃ — CH₃.

Образование связи при рекомбинации сопровождается выделением энергии. Так, при взаимодействии атомов водорода выделяется энергия в количестве 436 кДж/моль. Этот эффект используют в технике при атомно-водородной сварке. Поток водорода пропускают через электрическую дугу, где генерируется поток атомов водорода. Атомы затем вновь соединяются на металлической поверхности, помещаемой на небольшое расстояние от дуги. Металл может быть таким путём нагрет выше 3500° C. Большим достоинством «пламени атомного водорода» является равномерность нагрева, позволяющая сваривать очень тонкие металлические детали.^[5]

Однако, механизм межатомного взаимодействия долгое время оставался неизвестным. Лишь в 1930 г. Ф.Лондон ввёл понятие дисперсионное притяжение — взаимодействие между мгновенным и наведённым (индуцированными) диполями. В настоящее время силы притяжения, обусловленные взаимодействием между флуктуирующими электрическими диполями атомов и молекул носят название «Лондоновские силы».

Энергия такого взаимодействия прямо пропорциональна квадрату электронной поляризуемости α и обратно пропорциональна расстоянию между двумя атомами или молекулами в шестой степени.^[6]

Образование связи по донорно-акцепторному механизму

Кроме изложенного в предыдущем разделе гомогенного механизма образования ковалентной связи, существует гетерогенный механизм — взаимодействие разноименно заряженных ионов — протона H⁺ и отрицательного иона водорода H^—, называемого гидрид-ионом:

H⁺ + H^— → H₂

При сближении ионов двухэлектронное облако (электронная пара) гидрид-иона притягивается к протону и в конечном счёте становится общим для обоих ядер водорода, то есть превращается в связывающую электронную пару. Частица, поставляющая электронную пару, называется донором, а частица, принимающая эту электронную пару, называется акцептором. Такой механизм образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным.

^[7]

Распределение электронной плотности между ядрами в молекуле водорода одно и то же, независимо от механизма образования, поэтому называть химическую связь, полученную по донорно-акцепторному механизму, донорно-акцепторной связью не корректно.

В качестве донора электронной пары, кроме гидрид-иона, выступают соединения элементов главных подгрупп V—VII групп периодической системы элементов в низшей степени окисления элемента. Так, ещё Йоханнес Брёнстед установил, что протон не существует в растворе в свободном виде, в воде он образует катион оксония:

H⁺ + H

2O → H₃O⁺

Протон атакует неподелённую электронную пару молекулы воды и образует устойчивый катион, существующий в водных растворах кислот.^[8]

Аналогично происходит присоединение протона к молекуле аммиака с образованием комплексного катиона аммония:

NH₃ + H⁺ → NH₄⁺

Таким путём (по донорно-акцепторному механизму образования ковалентной связи) получают большой класс ониевых соединений, в состав которого входят аммониевые, оксониевые, фосфониевые, сульфониевые и другие соединения. ^[9]

В качестве донора электронной пары может выступать молекула водорода, которая при контакте с протоном приводит к образованию молекулярного иона водорода H₃⁺:

H₂ + H⁺ → H₃⁺

Связывающая электронная пара молекулярного иона водорода H₃⁺ принадлежит одновременно трём протонам.

Виды ковалентной связи

Существуют три вида ковалентной химической связи, отличающихся механизмом образования:

1. Простая ковалентная связь. Для ее образования каждый из атомов предоставляет по одному неспаренному электрону. При образовании простой ковалентной связи формальные заряды атомов остаются неизменными.

• Если атомы, образующие простую ковалентную связь, одинаковы, то истинные заряды атомов в молекуле также одинаковы, поскольку атомы, образующие связь, в равной степени владеют обобществлённой электронной парой. Такая связь называется неполярной ковалентной связью. Такую связь имеют простые вещества, например: О₂, N₂, Cl₂. Но не только неметаллы одного типа могут образовывать ковалентную неполярную связь. Ковалентную неполярную связь могут образовывать также элементы-неметаллы, электроотрицательность которых имеет равное значение, например в молекуле PH₃ связь является ковалентной неполярной, так как ЭО водорода равна ЭО фосфора.

• Если атомы различны, то степень владения обобществленной парой электронов определяется различием в электроотрицательностях атомов. Атом с большей электроотрицательностью сильнее притягивает к себе пару электронов связи, и его истинный заряд становится отрицательным. Атом с меньшей электроотрицательностью приобретает, соответственно, такой же по величине положительный заряд. Если соединение образуется между двумя различными неметаллами, то такое соединение называется ковалентной полярной связью.

2. Донорно-акцепторная связь. Для образования этого вида ковалентной связи оба электрона предоставляет один из атомов — донор. Второй из атомов, участвующий в образовании связи, называется акцептором. В образовавшейся молекуле формальный заряд донора увеличивается на единицу, а формальный заряд акцептора уменьшается на единицу.

3. Семиполярная связь.Её можно рассматривать как полярную донорно-акцепторную связь. Этот вид ковалентной связи образуется между атомом, обладающим неподелённой парой электронов (азот, фосфор, сера, галогены и т. п.) и атомом с двумя неспаренными электронами (кислород, сера). Образование семиполярной связи протекает в два этапа:

1. Перенос одного электрона от атома с неподелённой парой электронов к атому с двумя неспаренными электронами. В результате атом с неподелённой парой электронов превращается в катион-радикал (положительно заряженная частица с неспаренным электроном), а атом с двумя неспаренными электронами — в анион-радикал (отрицательно заряженная частица с неспаренным электроном).

2. Обобществление неспаренных электронов (как в случае простой ковалентной связи).

При образовании семиполярной связи атом с неподелённой парой электронов увеличивает свой формальный заряд на единицу, а атом с двумя неспаренными электронами понижает свой формальный заряд на единицу.

σ-связь и π-связь

Сигма (σ)-, пи (π)-связи — приближенное описание видов ковалентных связей в молекулах различных соединений, σ-связь характеризуется тем, что плотность электронного облака максимальна вдоль оси, соединяющей ядра атомов. При образовании -связи осуществляется так называемое боковое перекрывание электронных облаков, и плотность электронного облака максимальна «над» и «под» плоскостью σ-связи. Для примера возьмем этилен, ацетилен и бензол.

В молекуле этилена С₂Н₄ имеется двойная связь СН₂=СН₂, его электронная формула: Н:С::С:Н. Ядра всех атомов этилена расположены в одной плоскости. Три электронных облака каждого атома углерода образуют три ковалентные связи с другими атомами в одной плоскости (с углами между ними примерно 120°). Облако четвертого валентного электрона атома углерода располагается над и под плоскостью молекулы. Такие электронные облака обоих атомов углерода, частично перекрываясь выше и ниже плоскости молекулы, образуют вторую связь между атомами углерода. Первую, более прочную ковалентную связь между атомами углерода называют σ-связью; вторую, менее прочную ковалентную связь называют -связью.

В линейной молекуле ацетилена

Н—С≡С—Н (Н : С ::: С : Н)

имеются σ-связи между атомами углерода и водорода, одна σ-связь между двумя атомами углерода и две -связи между этими же атомами углерода. Две -связи расположены над сферой действия σ-связи в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Все шесть атомов углерода циклической молекулы бензола С₆H₆ лежат в одной плоскости. Между атомами углерода в плоскости кольца действуют σ-связи; такие же связи имеются у каждого атома углерода с атомами водорода. На осуществление этих связей атомы углерода затрачивают по три электрона. Облака четвертых валентных электронов атомов углерода, имеющих форму восьмерок, расположены перпендикулярно к плоскости молекулы бензола. Каждое такое облако перекрывается одинаково с электронными облаками соседних атомов углерода. В молекуле бензола образуются не три отдельные -связи, а единая -электронная система из шести электронов, общая для всех атомов углерода. Связи между атомами углерода в молекуле бензола совершенно одинаковые.

Примеры веществ с ковалентной связью

Простой ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых газов (Н₂, Cl₂ и др.) и соединений (Н₂О, NH₃, CH₄, СО₂, HCl и др.). Соединения с донорно-акцепторной связью — аммония NH₄⁺, тетрафторборат анион BF₄⁻ и др. Соединения с семиполярной связью — закись азота N₂O, O⁻-PCl₃⁺.

Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов (атомы в которых соединены между собой ковалентными (атомными) связями могут служить алмаз, германий и кремний.

Единственным известным человеку веществом с примером ковалентной связи между металлом и углеродом является цианокобаламин, известный как витамин B12.

См. также

Литература

• «Химический энциклопедический словарь», М., «Советская энциклопедия», 1983, с.264.

Примечания

1. ↑ I.Langmuir Journal of American chemical society. — 1919. — Т. 41. — 868 с.
2. ↑ Л.Паулинг Природа химической связи. — М.-Л.: Издательство химической литературы, 1947. — С. 16. — 440 с.
3. ↑ Гиллеспи Р. Геометрия молекул. — М: «Мир», 1975. — С. 49. — 278 с.
4. ↑ ^{1 2} Полинг.Л., Полинг П. Химия. — «Мир», 1978. — С. 129. — 684 с.
5. ↑ Некрасов Б. В. Курс общей химии. — 14. — М.: изд. химической литературы, 1962. — С. 110. — 976 с.
6. ↑ Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. — М.: «Мир», 1978. — С. 453. — 646 с.
7. ↑ Ахметов Н.С. Неорганическая химия. — изд. 2-е перераб. и доп.. — М.: Высшая школа, 1975. — С. 60. — 672 с.
8. ↑ Химический энциклопедический словарь / гл. ред. И.Л.Кнунянц. — М.: Сов. энциклопедия, 1983. — С. 132. — 792 с.
9. ↑ Onium compounds IUPAC Gold Book

Химическая связь ковалентная (полярная и неполярная) ионная металлическая водородная

Ахметов М. А. Подготовка к ЕГЭ по химии 2008

ГОТОВИМСЯ К ЕГЭ по ХИМИИ http://maratakm.narod.ru

 

 АХМЕТОВ М. А. УРОК 4. ОТВЕТЫ НА ЗАДАНИЯ.

Выбрать другой урок

Химическая связь: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая, водородная.

1 Определите тип химической связи в следующих соединениях Cl₂, Na₂O, CO₂, Na

Cl₂ – ковалентная неполярная, так как связаны два одинаковых атома, являющегося неметаллом

Na₂O ­ – ионная, так как один элемент – типичный металл, а другой – типичный неметалл

СО₂ – ковалентная полярная, связаны два различных неметалла

Na – металлическая (Na – металл)

2. Напишите формулу соединения, имеющего одновременно полярную ковалентную и ионную связь.

Na₂CO₃

Между атомами металла и кислорода ионная связь. Все остальные связи ковалентные полярные (см. рис.)

3. Напишите формулу соединения, имеющего одновременно полярную и неполярную ковалентную связь

С₂H₅OH – между атомам углерода связь неполярная, между другими атомами связь полярная

4. Почему вода имеет более прочные связи, чем сероводород?

Кислород – элемент второго периода, а сера – третьего. Следовательно, межъядерное расстояние в связи О–Н меньше, чем в связи S–Н. Поэтому связь О–Н более прочная, чем связь С–Н

5. Изобразите структурную формулу иона аммония и иона гидроксония

ион аммония

ион гидроксония

6. Почему существует ион NH₄⁺, но не существует ион CH₅⁺?

Элементы второго периода имеют во внешнем слое одну s и три p орбитали.

2p

2s

Следовательно, могут быть обобщены не более четырех электронных пар. Поскольку за единицу валентности принимается одна электронная пара, следовательно, валентность может быть не более четырех. Значит, иона CH₅⁺ не может существовать.

 

ТЕСТЫ:

А1. Полярность связи наиболее выражена в молекулах

 

1)	сероводорода
2)	хлора
3)	фосфина
4)	воды

 ОТВЕТ: 4 – кислород наиболее электроотрицательный элемент

А2. В молекуле какого вещества химические связи наиболее прочные?

1)	СF4
2)	CCl4
3)	CBr4
4)	CI4

 ОТВЕТ: 1 – чем меньше межъядерное расстояние, тем более прочная связь

А3. Вещество с ковалентной полярной связью имеет формулу

 

1)

KCl

2)

HBr

3)

Р4

4)

CaCl2

ОТВЕТ: 2 – связаны два разных неметалла

А4. 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

 ОТВЕТ: 2

А5. Вещества только с ионной связью приведены в ряду:

 

1)	F2, CCl4, KCl
2)	NaBr, Na2O, KI
3)	SO2, P4, CaF2
4)	H2S, Br2, K2S

 ОТВЕТ: 2 – ионная связь между металлом и неметаллом

А6. Соединение с ионной связью образуется при взаимодействии

 

 

1)	CH4   и  O2
2)	NH3  и  HCl
3)	C2H6   и  HNO3
4)	SO3   и  H2O

 ОТВЕТ: 2. NH₃+HCl=NH₄⁺Cl^–

А7. 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

 ОТВЕТ: 3

А8. В каком ряду записаны формулы веществ только с ковалентной полярной связью?

 

1)	Cl2, NH3, HCl
2)	HBr, NO, Br2
3)	H2S, H2O, S8
4)	HI, H2O, PH3

 ОТВЕТ: 4

А9. Соединениями с ковалентной полярной и ковалентной неполярной связью являются соответственно

 

1)	вода и сероводород
2)	бромид калия и азот
3)	аммиак и водород
4)	кислород и метан

 ОТВЕТ: 3

А10. Вещество, обладающее электронной проводимостью, ковкостью, блеском, образовано химической связью

 1)  атомной

2)  ионной

3)  металлической

4)  молекулярной

 ОТВЕТ: 3

А11. Веществом с неполярной ковалентной связью является

 1)  белый фосфор

2)  оксид фосфора (V)

3)  оксид углерода (П)

4)  оксид кремния (IV)

 ОТВЕТ: 1

А12. Веществами с неполярной ковалентной связью являются

 1)  вода и алмаз

2)  водород и хлор

3)  медь и азот

4)  бром и метан

ОТВЕТ: 2

А13. Ионная связь характерна для

1) KCl                      2) Cl₂                                            3) NH₃                          4) SO₂

ОТВЕТ: 1

 

А14. Водородная связь наиболее характерна для

 1)  алканов

2)  альдегидов

3)  спиртов

4)  алкинов

 ОТВЕТ

А15. Химическая связь в хлороводороде и хлориде бария соответственно

 1)  ковалентная полярная и ионная

2)  ковалентная неполярная и ионная

3)  ковалентная полярная и металлическая

4)  ковалентная неполярная и металлическая

 ОТВЕТ: 1

А16.  Ковалентная неполярная связь образуется между

 1)  атомами металла и неметалла

2)  ионами металла и неметалла

3)  атомами одного и того же неметалла

4)  атомами различных неметаллов

 ОТВЕТ: 3

А17. Химическая связь, образующаяся при взаимодействии атомов неметаллов с одинаковой электротрицательностью называется 

1)	ковалентная полярная
2)	ковалентная неполярная
3)	ионная
4)	металлическая

 ОТВЕТ: 2

 А18. В ряду CH₃Cl, СН₃Br, CH₃I полярность связи С-Hal

1)	увеличивается
2)	уменьшается
3)	не изменяется
4)	сначала увеличивается, затем уменьшается

 ОТВЕТ: 2

  А19. Вещества, формулы которых NaF, HCl, N₂, образованы химическими связями соответственно

1)	ковалентной неполярной, ковалентной полярной, ионной
2)	ионной, ковалентной неполярной, ковалентной полярной
3)	ионной, ковалентной полярной ковалентной неполярной
4)	ковалентной полярной, ионной, ковалентной неполярной

 ОТВЕТ: 3

А20. 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

 ОТВЕТ: 3

А21. В молекулах какого соединения полярность связи наименьшая?

1)	вода
2)	сероводород
3)	селеноводород
4)	теллуроводород

 ОТВЕТ: 4

А22. Водородная связь не характерна  для вещества, формула которого

1)	H2O
2)	NH3
3)	HF
4)	CH4

 ОТВЕТ: 4 – водородную связь способны образовывать атомы водорода, связанные с сильно электроотрицательными атомами.

А23. Водородная связь образуется между молекулами

1)	С6Н6
2)	СН2ОНСН2ОН
3)	СН3ОСН3
4)	СН3СООСН3

 ОТВЕТ: 2

А24. Длина химической связи элемент–водород в ряду соединений СН₄–NH₃–H₂O–HF

1)	уменьшается
2)	увеличивается
3)	сначала увеличивается, затем уменьшается
4)	сначала уменьшается, затем увеличивается

ОТВЕТ: 1 – размеры атомов уменьшаются, значит будет и уменьшатся межъядерное расстояние

Тест по теме ковалентная связь

Тест по теме ковалентная связь

Вариант 1.

Установите правильную последовательность.

1. Электроотрицательность —

1) химического элемента

2) общие электронные пары

3) химической связи

4) оттягивать к себе

5) в образовании

6) способность атомов

7) участвующие

Дополните.

2. Если общая электронная пара принадлежит атомам в одинаковой степени, то такую ковалентную связь называют … .

3. Греческая буква, обозначающая частичный заряд, — … .

Установите правильную последовательность.

4. Увеличение электроотрицательности атомов химических элементов:

1 2 3 4 5

Al Cl P Si S

5. Увеличение электроотрицательности атомов химических элементов:

1 2 3 4

J Cl F Br

Выпишите номер правильного ответа.

6. Электронная формула вещества с ковалентной полярной связью:

1) 3)

2) 4)

7. Формула вещества с наименее полярной ковалентной связью:

1)HCl 2) HJ 3) HF 4) HBr

8. Структурная формула вещества с ковалентной неполярной связью:

1) 3)

2) 4)

Дополните.

9. Знаки химических элементов, атомы которых имеют частичный положительный заряды в ряду соединений: HF NO Ph4 NaCl, — … .

Химия 8 класс. Урок №13. Вариант 2.

Дополните.

1. Мера неметалличности химических элементов — … .

2. Если общая электронная пара принадлежит атомам в разной степени, то такую ковалентную связь называют … .

3. Греческая буква, обозначающая частичный заряд, — … .

Установите правильную последовательность.

4. Уменьшение электроотрицательности атомов химических элементов:

1 2 3 4 5

Al Cl P Si S

5. Уменьшение электроотрицательности атомов химических элементов:

1 2 3 4

J Cl F Br

Выпишите номер правильного ответа.

6. Электронная формула вещества с ковалентной неполярной связью:

1) 3)

2) 4)

7. Формула вещества с наиболее полярной ковалентной связью:

1)HCl 2) HJ 3) HF 4) HBr

8. Структурная формула вещества с ковалентной полярной связью:

1) 3)

2) 4)

Дополните.

9. Символы химических элементов, атомы которых имеют частичный отрицательный заряды в ряду соединений: HF NO Ph4 NaCl, — … .

полярная, неполярная, механизмы ее появления

Ни для кого не секрет, что химия — наука довольно сложная и к тому же разнообразная. Множество различных реакций, реагентов, химикатов и прочих сложных и непонятных терминов — все они взаимодействуют друг с другом. Но главное, что с химией мы имеем дело каждый день, неважно, слушаем ли мы учителя на уроке и усваиваем новый материал или же завариваем чай, который в целом тоже представляет собой химический процесс.

Можно сделать вывод, что химию знать просто необходимо , разбираться в ней и знать, как устроен наш мир или какие-то отдельные его части — интересно, и, более того, полезно.

Сейчас нам предстоит разобраться с таким термином, как ковалентная связь, которая, кстати говоря, может быть как полярной, так и неполярной. Кстати говоря, само слово «ковалентная», образуется от латинского «co» — совместно и «vales» — имеющий силу.

Появления термина

Начнём с того, что сам термин «ковалентная» впервые ввёл в 1919 году Ирвинг Ленгмюр — лауреат Нобелевской премии. Понятие «ковалентной» предполагает химическую связь, при которой оба атома обладают электронами, что называется совместным обладанием. Таким образом, она, к примеру, отличается от металлической, в которой электроны свободны, или же от ионной, где и вовсе один отдаёт электроны другому. Нужно заметить, что образуется она между неметаллами.

Исходя из вышесказанного, можно сделать небольшой вывод о том, что из себя представляет этот процесс. Она возникает между атомами за счёт образования общих электронных пар, причём пары эти возникают на внешних и предвнешних подуровнях электронов.

Примеры, вещества с полярной:

Виды ковалентной связи

Также различаются два вида — это полярная, и, соответственно, неполярная связи. Особенности каждой из них мы разберём отдельно.

Ковалентная полярная — образование

Что из себя представляет термин «полярная»?

Обычно происходит так, что два атома имеют разную электроотрицательность, следовательно, общие электроны не принадлежат им в равной степени, а находятся они всегда ближе к одному, чем к другому. К примеру, молекула хлороводорода, в ней электроны ковалентной связи располагаются ближе к атому хлора, так как его электроотрицательность выше чем у водорода. Однако, на самом деле, разница в притяжении электронов невелика настолько, чтобы произошёл полный перенос электрона от водорода к хлору.

В итоге при полярной электронная плотность смещается к более электроотрицательному, на нём же возникает частичный отрицательный заряд. В свою очередь, у того ядра, чья электроотрицательность ниже, возникает, соответственно, частичный положительный заряд.

Делаем вывод: полярная возникает между различными неметаллами, которые отличаются по значению электроотрицательности, а электроны располагаются ближе к ядру с большей электроотрицательностью.

Электроотрицательность – способность одних атомов притягивать к себе электроны других, тем самым образуя химическую реакцию.

Примеры ковалентной полярной , вещества с ковалентной полярной связью:

Формула вещества с ковалентной полярной связью

Ковалентная неполярная, разница между полярной и неполярной

И наконец, неполярная, скоро мы узнаем что же она из себя представляет.

Основное отличие неполярной от полярной — это симметрия. Если в случае с полярной электроны располагались ближе к одному атому, то при неполярной связи, электроны располагаются симметрично, то есть в равной степени по отношению к обоим.

Примечательно, что неполярная возникает между атомами неметалла одного химического элемента.

К примеру, вещества с неполярной ковалентной связью:

Также совокупность электронов зачастую называют просто электронным облаком, исходя из этого делаем вывод, что электронное облако связи, которое образует общая пара электронов, распределяется в пространстве симметрично, или же равномерно по отношению к ядрам обоих.

Примеры ковалентной неполярной связи и схема образования ковалентной неполярной связи

Но Также полезно знать, как же различать ковалентную полярную и неполярную.

Ковалентная неполярная — это всегда атомы одного и того же вещества. h3. CL2.

На этом статья подошла к концу, теперь мы знаем, что из себя представляет этот химический процесс, умеем определять его и его разновидности, знаем формулы образования веществ, и в целом чуточку больше о нашем сложном мире, успехов в химии и образовании новых формул.

Рис. 2.1. Образование молекул из атомов сопровождается перераспределением электронов валентных орбиталей и приводит к выигрышу в энергии, так как энергия молекул оказывается меньше энергии невзаимодействующих атомов. На рисунке представлена схема образования неполярной ковалентной химической связи между атомами водорода.

В обычных условиях молекулярное состояние устойчивее, чем атомное (рис.2. 1).Образование молекул из атомов сопровождается перераспределением электронов валентных орбиталей и приводит к выигрышу в энергии, так как энергия молекул оказывается меньше энергии невзаимодействующих атомов (приложение 3). Силы, удерживающие атомы в молекулах, получили обобщенное названиехимической связи .

Химическая связь между атомами осуществляется валентными электронами и имеет электрическую природу . При этом различают четыре основных типа химической связи:ковалентную ,ионную, металлическую иводородную .

1 Ковалентная связь

Химическая связь, осуществляемая электронными парами, называется атомной, или ковалентной . Соединения с ковалентными связями называются атомными, или ковалентными .

При возникновении ковалентной связи происходит сопровождающееся выделением энергии перекрытие электронных облаков взаимодействующих атомов (рис.2.1). При этом между положительно заряженными атомными ядрами возникает облако с повышенной плотностью отрицательного заряда. Благодаря действию кулоновских сил притяжения между разноименными зарядами увеличение плотности отрицательного заряда благоприятствует сближению ядер.

Ковалентная связь образуется за счет непарных электронов внешних оболочек атомов . При этом электроны с противоположными спинами образуютэлектронную пару (рис.2.2), общую для взаимодействующих атомов. Если между атомами возникла одна ковалентная связь (одна общая электронная пара), то она называется одинарной, две- двойной и т.д.

Мерой прочности химической связи служит энергия E св, затрачиваемая на разрушение связи (выигрыш в энергии при образовании соединения из отдельных атомов). Обычно эту энергию измеряют в расчете на 1 мольвещества и выражают в килоджоулях на моль (кДж∙моль –1). Энергия одинарной ковалентной связи лежит в пределах 200–2000 кДжмоль –1 .

Рис. 2.2. Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающей за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма (а) , когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или посредством донорно-акцепторного механизма (б) , когда электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору).

Ковалентная связь обладает свойствами насыщаемости и направленности . Под насыщаемостью ковалентной связи понимается способность атомов образовывать с соседями ограниченное число связей, определяемое числом их неспаренных ва­лентных электронов. Направленность ковалентной связи отражает тот факт, что силы,удерживающие атомы друг возле друга, направлены вдоль прямой, соединяющей атомные ядра. Кроме того, ковалентная связь может быть полярной или неполярной .

В случае неполярной ковалентной связи электронное облако, образованное общей парой электронов, распределяется в пространстве симметрично относительно ядер обоих атомов. Неполярная ковалентная связь образуется между атомами простых веществ, например, между одинаковыми атомами газов, образующих двухатомные молекулы (О 2 , Н 2 , N 2 ,Cl 2 и т.д.).

В случае полярной ковалентной связи электронное облако связи смещено к одному из атомов. Образование полярной ковалентной связи между атомами характерно для сложных веществ. Примером могут служить молекулы летучих неорганических соединений: HCl, H 2 O, NH 3 и др.

Степень смещения общего электронного облака к одному из атомов при образовании ковалентной связи (степень полярности связи ) определяется, главным образом, зарядом атомных ядер и радиусом взаимодействующих атомов .

Чем больше заряд атомного ядра, тем сильнее оно притягивает к себе облако электронов. В то же время чем больше радиус атома, тем слабее внешние электроны удерживаются вблизи атомного ядра. Совокупное действие двух этих факторов и выражается в различной способности разных атомов «оттягивать» к себе облако ковалентной связи.

Способность атома в молекуле притягивать к себе электроны получила название электроотрицательности . Таким образом, электроотрицательность характеризует способность атома к поляризации ковалентной связи:чем больше электроотрицательность атома, тем сильнее смещено к нему электронное облако ковалентной связи .

Для количественной оценки электроотрицательности предложен ряд методов. При этом наиболее ясный физический смысл имеет метод, предложенный американским химиком Робертом С. Малликеном, который определил электроотрицательность  атома как полусумму его энергииE e сродства к электрону и энергииE i ионизации атома:

. (2.1)

Энергией ионизации атома называется та энергия, которую нужно затратить, чтобы «оторвать» от него электрон и удалить его на бесконечное расстояние. Энергию ионизации определяют при помощи фотоионизации атомов или путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее значение энергии фотонов или электронов, которое становится достаточным для ионизации атомов, и называют их энергией ионизацииE i . Обычно эта энергия выражается в электрон-вольтах (эВ): 1 эВ = 1,610 –19 Дж.

Охотнее всего отдают внешние электроны атомы металлов , которые содержат на внешней оболочке небольшое число непарных электронов (1, 2 или 3). Эти атомы обладают наименьшей энергией ионизации. Таким образом, величина энергии ионизации может служить мерой большей или меньшей «металличности» элемента: чем меньше энергия ионизации, тем сильнее должны быть выраженыметаллические свойства элемента.

В одной и той же подгруппе периодической системы элементов Д.И.Менделе­ева с увеличением порядкового номера элемента его энергия ионизации уменьшается (табл.2.1), что связано с увеличением атомного радиуса (табл.1.2), а, следовательно, с ослаблением связи внешних электронов с ядром. У элементов одного периода энергия ионизации возрастает с увеличением порядкового номера. Это связано с уменьшением атомного радиуса и увеличением заряда ядра.

Энергия E e , которая выделяется при присоединении электрона к свободному атому, называетсясродством к электрону (выражается также в эВ). Выделение (а не поглощение) энергии при присоединении заряженного электрона к некоторым нейтральным атомам объясняется тем, что наиболее устойчивыми в природе являются атомы с заполненными внешними оболочками. Поэтому тем атомам, у которых эти оболочки «немного не заполнены» (т.е. до заполнения не хватает 1, 2 или 3 электронов), энергетически выгодно присоединять к себе электроны, превращаясь в отрицательно заряженные ионы 1 . К таким атомам относятся, например, атомы галогенов (табл.2.1) – элементов седьмой группы (главной подгруппы) периодической системы Д.И.Менделеева. Сродство к электрону атомов металла, как правило, равно нулю или отрицательно, т.е. им энергетически невыгодно присоединение дополнительных электронов, требуется дополнительная энергия, чтобы удержать их внутри атомов. Сродство к электрону атомов неметаллов всегда положительно и тем больше, чем ближе к благородному (инертному) газу расположен неметалл в периодической системе. Это свидетельствует об усилениинеметаллических свойств по мере приближения к концу периода.

Из всего сказанного ясно, что электроотрицательность (2.1) атомов возрастает в направлении слева направо для элементов каждого периода и уменьшается в направлении сверху вниз для элементов одной и той же группы периодической системы Менделеева. Нетрудно, однако, понять, что для характеристики степени полярности ковалентной связи между атомами важным является не абсолютное значение электроотрицательности, а отношение электроотрицательностей атомов, образующих связь. Поэтому на практике пользуются относительными значениями электроотрицательности (табл.2.1),принимая за единицу электроотрицательность лития.

Для характеристики полярности ковалентной химической связи используют разность относительных электроотрицательностей атомов . Обычно связь между атомами А и В считается чисто ковалентной, если | A – B |0.5.

Впервые о таком понятии как ковалентная связь ученые-химики заговорили после открытия Гилберта Ньютона Льюиса, который описал как обобществление двух электронов. Более поздние исследования позволили описать и сам принцип ковалентной связи. Слово ковалентный можно рассматривать в рамках химии как способность атома образовывать связи с другими атомами.

Поясним на примере:

Имеется два атома с незначительными отличиями в электроотрицательности (С и CL, С и Н). Как правило, это которых максимально близко к строению электронной оболочки благородных газов.

При выполнении данных условий возникает притяжение ядер этих атомов к электронной паре, общей для них. При этом электронные облака не просто накладываются друг на друга, как при Ковалентная связь обеспечивает надежное соединение двух атомов за счет того, что перераспределяется электронная плотность и изменяется энергия системы, что вызвано «втягиванием» в межъядерное пространство одного атома электронного облака другого. Чем более обширно взаимное перекрытие электронных облаков, тем связь считается более прочной.

Отсюда, ковалентная связь — это образование, возникшее путем взаимного обобществления двух электронов, принадлежащих двум атомам.

Как правило, вещества с молекулярной кристаллической решеткой образуются посредством именно ковалентной связи. Характерными для являются плавление и кипение при низких температурах, плохая растворимость в воде и низкая электропроводность. Отсюда можно сделать вывод: в основе строения таких элементов, как германий, кремний, хлор, водород — ковалентная связь.

Свойства, характерные для данного вида соединения:

1. Насыщаемость. Под этим свойством обычно понимается максимальное количество связей, которое они могут установить конкретные атомы. Определяется это количество общим числом тех орбиталей в атоме, которые могут участвовать в образовании химических связей. Валентность атома, с другой стороны, может быть определена числом уже использованных с этой целью орбиталей.
2. Направленность . Все атомы стремятся образовывать максимально прочные связи. Наибольшая прочность достигается в случае совпадения пространственной направленности электронных облаков двух атомов, поскольку они перекрывают друг друга. Кроме того, именно такое свойство ковалентной связи как направленность влияет на пространственное расположение молекул то есть отвечает за их «геометрическую форму».
3. Поляризуемость. В основе этого положения лежит представление о том, что ковалентная связь существует двух видов:

• полярная или несимметричная. Связь данного вида могут образовывать только атомы разны видов, т.е. те, чья электроотрицательность значительно различается, либо в случаях, когда общая электронная пара несимметрично разделена.
• возникает между атомами, электроотрицательность которых практически равна, а распределение электронной плотности равномерно.

Кроме того, существуют определенные количественные :

• Энергия связи . Данный параметр характеризует полярную связь с точки зрения ее прочности. Под энергией понимается то количество тепла, которое было необходимо для разрушения связи двух атомов, а также то количество тепла, что было выделено при их соединении.
• Под длиной связ и в молекулярной химии понимается длина прямой между ядрами двух атомов. Этот параметр также характеризует прочность связи.
• Дипольный момент — величина, которая характеризует полярность валентной связи.

Ковалентная связь осуществляется за счёт обобществления электронов, принадлежащих обоим участвующим во взаимодействии атомам. Электроотрицательности неметаллов достаточно велики, поэтому передачи электронов не происходит.

Электроны, находящиеся на перекрывающихся электронных орбиталях, поступают в общее пользование. При этом создаётся ситуация, при которой внешние электронные уровни атомов оказываются заполненными, то есть образуется 8-ми или 2-х электронная внешняя оболочка.

Состояние, при котором электронная оболочка заполнена полностью, характеризуется наименьшей энергией, а соответственно, и максимальной устойчивостью.

Механизмов образования два:

1. донорно-акцепторный;
2. обменный.

В первом случае один из атомов предоставляет свою пару электронов, а второй — свободную электронную орбиталь.

Во втором — в общую пару приходит по одному электрону от каждого участника взаимодействия.

В зависимости от того, к какому типу относятся — атомному или молекулярному, соединения с подобным видом связи могут значительно различаться по физико-химическим характеристикам.

Молекулярные вещества чаще всего газы, жидкость или твёрдые вещества с низкими температурами плавления и кипения, неэлектропроводные, обладающие малой прочностью. К ним можно отнести: водород (H 2), кислород (O 2), азот (N 2), хлор (Cl 2), бром (Br 2), ромбическую серу (S 8), белый фосфор (P 4) и другие простые вещества; диоксид углерода (CO 2), диоксид серы (SO 2), оксид азота V (N 2 O 5), воду (H 2 O), хлороводород (HCl), фтороводород (HF), аммиак (NH 3), метан (CH 4), этиловый спирт (C 2 H 5 OH), органические полимеры и другие.

Вещества атомные существуют в виде прочных кристаллов, имеющих высокие температуры кипения и плавления, не растворимы в воде и прочих растворителях, многие не проводят электрический ток. Как пример можно привести алмаз, который обладает исключительной прочностью. Это объясняется тем, что алмаз представляет собой кристалл, состоящий из атомов углерода, соединённых ковалентными связями. В алмазе нет отдельных молекул. Также атомным строением обладают такие вещества, как графит, кремний (Si), диоксид кремния (SiO 2), карбид кремния (SiC) и другие.

Ковалентные связи могут быть не только одинарными (как в молекуле хлора Cl2), но также двойные, как в молекуле кислорода О2, или тройные, как, например, в молекуле азота N2. При этом тройные имеют большую энергию и более прочны, чем двойные и одинарные.

Ковалентная связь может быть образована как между двумя атомами одного элемента (неполярная), так и между атомами различных химических элементов (полярная).

Указать формулу соединения с ковалентной полярной связью не представляет труда, если сравнить значения электроотрицательностей, входящих в состав молекул атомов. Отсутствие разницы в электроотрицательности определит неполярность. Если же разница есть, то молекула будет полярна.

Не пропустите: механизм образования , конкретные примеры.

Ковалентная неполярная химическая связь

Характерна для простых веществ неметаллов . Электроны принадлежат атомам в равной степени, и смещения электронной плотности не происходит.

Примером могут служить следующие молекулы:

h3, O2, О3, N2, F2, Cl2.

Исключением являются инертные газы . Их внешний энергетический уровень заполнен полностью, и образование молекул им энергетически не выгодно, в связи с чем они существуют в виде отдельных атомов.

Также примером веществ с неполярной ковалентной связью будет, например, РН3. Несмотря на то, что вещество состоит из различных элементов, значения электроотрицательностей элементов фактически не различаются, а значит, смещения электронной пары происходить не будет.

Ковалентная полярная химическая связь

Рассматривая ковалентную полярную связь, примеров можно привести множество: HCl, h3O, h3S, Nh4, Ch5, CO2, SO3, CCl4, SiO2, СО.

образуется между атомами неметаллов с различной электроотрицательностью. При этом ядро элемента с большей электроотрицательностью притягивает общие электроны ближе к себе.

Схема образования ковалентной полярной связи

В зависимости от механизма образования общими могут становиться электроны одного из атомов или обоих .

На картинке наглядно представлено взаимодействие в молекуле соляной кислоты.

Пара электронов принадлежит и одному атому, и второму, у обоих, таким образом, внешние уровни заполнены. Но более электроотрицательный хлор притягивает пару электронов чуть ближе к себе (при этом она остаётся общей). Разница в электроотрицательности недостаточно большая, чтобы пара электронов перешла к одному из атомов полностью. В результате возникает частичный отрицательный заряд у хлора и частичный положительный у водорода. Молекула HCl является полярной молекулой.

Физико-химические свойства связи

Связь можно охарактеризовать следующими свойствами : направленность, полярность, поляризуемость и насыщаемость.

Ковалентная связь (от латинского «со» совместно и «vales» имеющий силу) осуществляется за счет электронной пары, принадлежащей обоим атомам. Образуется между атомами неметаллов.

Электроотрицательность неметаллов довольно велика, так что при химическом взаимодействии двух атомов неметаллов полный перенос электронов от одного к другому (как в случае ) невозможен. В этом случае для выполнения необходимо объединение электронов.

В качестве примера обсудим взаимодействие атомов водорода и хлора:

H 1s 1 — один электрон

Cl 1s 2 2s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 5 — семь электронов на внешнем уровне

Каждому из двух атомов недостает по одному электрону для того, чтобы иметь завершенную внешнюю электронную оболочку. И каждый из атомов выделяет „в общее пользование” по одному электрону. Тем самым правило октета оказывается выполненным. Лучше всего изобра­жать это с помощью формул Льюиса:

Образование ковалентной связи

Обобществленные электроны принадлежат теперь обоим атомам. Атом водорода имеет два электрона (свой собственный и обобществленный электрон атома хлора), а атом хлора — восемь электронов (свои плюс обобществленный электрон атома водорода). Эти два обобществленных электрона образуют ковалентную связь между атомами водорода и хло­ра. Образовавшаяся при связывании двух атомов частица называется молекулой.

Неполярная ковалентная связь

Ковалентная связь может образоваться и между двумя одинаковы­ми атомами. Например:

Эта схема объясняет, почему водород и хлор существуют в виде двухатомных молекул. Благодаря спариванию и обобществлению двух элек­тронов удается выполнить правило октета для обоих атомов.

Помимо одинарных связей может образовываться двойная или тройная ковалентная связь, как, например, в молекулах кислорода О 2 или азота N 2 . Атомы азота имеют по пять валентных электронов, следовательно, для завершения оболочки требуется еще по три электро­на. Это достигается обобществлением трех пар электронов, как показано ниже:

Ковалентные соединения — обычно газы, жидкости или сравнитель­но низкоплавкие твердые вещества. Одним из редких исключений явля­ется алмаз, который плавится выше 3 500 °С. Это объясняется строением алмаза, который представляет собой сплошную решетку ковалентно связанных атомов углерода, а не совокупность отдельных молекул. Фак­тически любой кристалл алмаза, независимо от его размера, представля­ет собой одну огромную молекулу.

Ковалентная связь возникает при объединении электронов двух атомов неметаллов. Возникшая при этом структура называется молекулой.

Полярная ковалентная связь

В большинстве случаев два ковалентно связанных атома имеют раз­ную электроотрицательность и обобществленные электроны не принад­лежат двум атомам в равной степени. Большую часть времени они нахо­дятся ближе к одному атому, чем к другому. В молекуле хлороводорода, например, электроны, образующие ковалентную связь, располагаются ближе к атому хлора, поскольку его электроотрицательность выше, чем у водорода. Однако разница в способности притягивать электроны не столь велика, чтобы произошел полный перенос электрона с атома водо­рода на атом хлора. Поэтому связь между атомами водорода и хлора можно рассматривать как нечто среднее между ионной связью (полный перенос электрона) и неполярной ковалентной связью (симмет­ричное расположение пары электронов между двумя атомами). Частич­ный заряд на атомах обозначается греческой буквой δ. Такая связь называется полярной ковалентной связью, а о молеку­ле хлороводорода говорят, что она полярна, т. е. имеет положительно заряженный конец (атом водорода) и отрицательно заряженный конец (атом хлора).

В таблице ниже перечислены основные типы связей и примеры веществ:

Обменный и донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи

1) Обменный механизм. Каждый атом дает по одному неспаренному электрону в общую электронную пару.

2) Донорно-акцепторный механизм. Один атом (донор) предоставляет электронную пару, а другой атом (акцептор) предоставляет для этой пары свободную орбиталь.

§ 4. Ковалентная химическая связь

1

Условие:

Решение:

Советы:

Информация содержится в тексте параграфа: § 4.  Ковалентная химическая связь.

2

Условие:

Решение:

Советы:

Информация содержится в тексте параграфа: § 4. Ковалентная химическая связь.

3

Условие:

Решение:

Советы:

ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ — векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом, распределение зарядов (т.е. асимметрию распределения положительных и отрицательных зарядов в электрически нейтральной системе). Два одинаковых по величине заряда +q и -q образуют электрический диполь (полярную молекулу) с дипольным моментом m = q l. 
В случае данных симметричных молекул векторы смещения электронной плотности взаимоскомпенсированы (противоположно направлены) и ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ равен нулю.

4

Условие:

Решение:

Советы:

В результате реализации обменного механизма возможно образование как полярных, так и не полярных ковалентных связей. При донорно-акцепторном - только полярных.

5

Условие:

Решение:

Советы:

См.  кратность ковалентной связи.

6

Условие:

Решение:

Советы:

Информация содержится в тексте параграфа: § 4. Ковалентная химическая связь.

7

Условие:

Решение:

Советы:

Информация содержится в тексте параграфа: § 4. Ковалентная химическая связь.

8

Условие:

Решение:

Советы:

Информация содержится в тексте параграфа: § 4. Ковалентная химическая связь.

10

Условие:

Решение:

Советы:

Вес шапки Мономаха — 993,66 грамма

11

Условие:

Решение:

Советы:

Для создания презентаций докладов используйте редактор Microsoft PowerPoint.

12

Условие:

Решение:

Советы:

Орден «Победа» — высший военный орден СССР, был учреждён 8 ноября 1943 года. Всего было 20 награждений и семнадцать кавалеров этого ордена.

13

Условие:

Решение:

Советы:

Подобная размерность: гран - единица аптекарского веса, равная 0,062 грамма. 

Виды химической связи. Ковалентная связь — полярная, неполярная. Характеристики, механизмы образования и виды ковалентной связи. Ионная связь. Степень окисления. Металлическая связь. Водородная связь.

Периодическое изменение свойств химических элементов и их соединений при увеличении заряда ядра атома объясняется тем, что периодически повторяется строение внешнего электронного слоя в атомах элементов.
Ковалентная связь в химии:
Ковалентная связь: это химическая связь, обусловленная созданием общих электронных пар.
Одинарная (двойная, тройная) ковалентная связь — это ковалентная связь, образованная одной (двумя, тремя соответственно) общими электронными парами.
При образовании общих электронных пар происходит перекрывание электронных орбиталей.
σ — связь образуется при перекрывании электронных орбиталей, идущих по линии, соединяющей центры атомов
π- связь образуется при перекрывании электронных орбиталей, вне линии, соединяющей центры атомов
Периодическое изменение свойств химических элементов и их соединений при увеличении заряда ядра атома объясняется тем, что периодически повторяется строение внешнего электронного слоя в атомах элементов.
Валентность атома химического элемента в соединении с ковалентными связями равна числу общих электронных пар
Ковалентная неполярная связь:
Ковалентная полярная связь:
Ковалентная полярная связь — это связь между атомами, электроотрицательность которых отличается незначительно
Общие электронные пары смещены в сторону атома более электроотрицательного элемента
Характеристики ковалентной связи:
Длина связи — это расстояние между ядрами связанных атомов Валентный угол  — это угол между линиями, соединяющими химически связанные атомы.
Механизмы образования ковалентной связи:
Обменный механизм образования ковалентной связи: это когда при образовании общей электронной пары каждый из атомов предоставляет в совместное пользование по одному электрону
Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи: это когда при образовании общей электронной один из атомов (донор) дает в общее пользование электронную пару, а другой (акцептор) предоставляет свободную орбиталь
Ионная связь в химии:
Ионы: это заряженные частицы, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Катионы (+): это положительно заряженные ионы Анионы (-): это отрицательно заряженные ионы
Ионная связь: это связь между катионом и анионом, обусловленная их электростатическим взаимодействием.
Ионная связь возникает между атомами с резко отличающейся электроотрицательностью.
Ионные соединения: это вещества, состоящие из ионов.  Ионные соединения образованы типичными металлами и неметаллами.
Степень окисления. Окисление. Восстановление. Степень окисления :
Окисление: процесс отдачи частицей электронов Восстановление: процесс присоединения частицей электронов Степень окисления: заряд ионов в ионных соединениях или условный заряд на атомах в соединениях с ковалентной связью
Положительная степень окисления:  равна числу электронов, отданных данным атомом Отрицательная степень окисления:  равна числу электронов, принятых данным атомом Степень окисления в простом веществе равно 0. Сумма степеней окисления: всех атомов в соединении равна 0. Максимальная степень окисления элемента главной подгруппы в периодической системе равна номеру группы Минимальная степень окисления элемента главных подгрупп IV-VII групп равна = 8 минус (-) номер группы
Металлическая связь в химии:
Металлическая связь: это связь в металлах и сплавах. Это связь между положительными ионами металла и свободными электронами (Mo-ne=Mn+). При этом электроны обобществляются и представляют собой так называемый «электронный газ».
Водородная связь в химии:
Водородная связь: это форма ассоциации между электроотрицательным атомом и атомом водорода, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. Может быть внутримолекулярная водородная связь и межмолекулярная водородная связь.

Неполярная ковалентная связь: определение и примеры

Ковалентная связь образуется, когда два атома разделяют электроны между собой. В неполярной ковалентной связи электроны делятся поровну. Это явление происходит, когда нет разницы в электроотрицательностях двух атомов. То есть, скажем, идентичные пары атомов образуют неполярную ковалентную связь ^[1-4] .

Электроотрицательность — это мера тенденции атома притягивать связывающую пару электронов.Он измеряется с использованием шкалы, известной как шкала Полинга, и варьируется от 0,7 до 4. В следующей таблице поясняются различные типы химических связей из-за разницы в электроотрицательности.

Тип химической связи	Разница электроотрицательностей
Неполярный ковалентный	0
Слабо-полярный ковалентный	0. От 1 до 0,4
Полярный ковалентный	0,5 до 2
Ионный	> 2

Неполярная ковалентная связь

Неполярные ковалентные связи необходимы живым существам. Например, кислород помогает в росте клеток, а пептидная связь объединяет цепи аминокислот, которые участвуют в построении ДНК.

Свойства неполярной ковалентной связи

Вот некоторые факты о неполярной ковалентной связи.

• Имеет место между двумя идентичными неметаллами
• Равное распределение электронов между двумя атомами
• Разница в электроотрицательности между атомами составляет 0
• Неполярные соединения растворяются в неполярном растворителе
• Физические свойства: Соединения обычно жидкие или газообразные в комнате температура

Примеры неполярных ковалентных связей

Вещества с неполярными связями и их молекулярные формулы приведены ниже ^[2-4] .

Водород (H ₂ )

Возьмем, к примеру, молекулу водорода. Поскольку ядра каждого атома водорода (H) содержат протоны, электроны в связи притягиваются к ядрам. Однако, поскольку два атома, участвующие в одной ковалентной связи, являются атомами H, каждое ядро ​​притягивает электроны на одинаковую величину. Таким образом, электронная пара делится на два атома поровну.

Примеры неполярных ковалентных связей

Примеры неполярных ковалентных молекул с полярными ковалентными связями

Некоторые неполярные молекулы содержат полярные ковалентные связи.В этих молекулах ориентация различных полярных связей такова, что их полярности компенсируют друг друга. Ниже приведен список таких молекул с их формулами.

Двуокись углерода (CO ₂ )

Возьмем, к примеру, молекулу углекислого газа. Углекислый газ имеет центральный атом углерода, у которого есть два атома кислорода, расположенные под углом 180 градусов друг к другу, что делает его линейной молекулой. Углерод образует двойную связь (C = O) с каждым атомом кислорода, и электроны не распределяются поровну между двумя атомами из-за разницы в электроотрицательности.Однако из-за симметричного линейного расположения молекулы отдельные полярности связи нейтрализуют друг друга. Эта ориентация делает диоксид углерода неполярной молекулой.

Список литературы

1. Users.stlcc.edu
2. Chem.libretexts.org
3. Chemistry.elmhurst.edu
4. Saylordotorg.github.io

Полярные ковалентные связи

Рис. 8.12. Распределение электронов в неполярной ковалентной связи, полярной ковалентной связи и ионной связи с использованием электронных структур Льюиса

В чисто ковалентной связи (а) связывающие электроны распределяются поровну между атомами.В чисто ионной связи (c) электрон полностью передается от одного атома к другому. Полярная ковалентная связь (b) занимает промежуточное положение между двумя крайностями: связывающие электроны распределяются между двумя атомами неравномерно, и распределение электронов асимметрично, причем электронная плотность выше вокруг более электроотрицательного атома. Обогащенные электронами (отрицательно заряженные) области показаны синим цветом; бедные электронами (положительно заряженные) области показаны красным.

Полярность связи

Полярность связи — степень ее полярности — в значительной степени определяется относительной электроотрицательностью связанных атомов.В главе 7 «Периодическая таблица и периодические тенденции» электроотрицательность (χ) определялась как способность атома в молекуле или иона притягивать электроны к себе. Таким образом, существует прямая корреляция между электроотрицательностью и полярностью связи. Связь является неполярной , если связанные атомы имеют одинаковую электроотрицательность. Однако, если электроотрицательности связанных атомов не равны, связь поляризована на по направлению к более электроотрицательному атому. Связь, в которой электроотрицательность B (χ _B ) больше, чем электроотрицательность A (χ _A ), например, обозначается частичным отрицательным зарядом на более электроотрицательном атоме:

Без электроотрицательного δ + –Bболее электроотрицательногоδ–

Один из способов оценить ионный характер связи, то есть величину разделения зарядов в полярной ковалентной связи, — это вычислить разницу в электроотрицательности между двумя атомами: Δχ = χ _B — χ _A .

Чтобы предсказать полярность связей в Cl ₂ , HCl и NaCl, например, мы смотрим на электроотрицательность соответствующих атомов: χ _Cl = 3,16, χ _H = 2,20 и χ _Na = 0,93 (см. Рисунок 7.14 «График периодического изменения электроотрицательности с атомным номером для первых шести строк периодической таблицы»). Cl ₂ должен быть неполярным, поскольку разность электроотрицательностей (Δχ) равна нулю; следовательно, два атома хлора поровну разделяют связывающие электроны.В NaCl Δχ составляет 2,23. Это высокое значение типично для ионного соединения (Δχ ≥ ≈1,5) и означает, что валентный электрон натрия полностью перешел на хлор с образованием ионов Na ⁺ и Cl ^— . Однако в HCl Δχ составляет всего 0,96. Связующие электроны сильнее притягиваются к более электроотрицательному атому хлора, поэтому распределение заряда составляет

Hδ + –Clδ–

Помните, что электроотрицательность сложно точно измерить, и разные определения дают немного разные числа. На практике полярность связи обычно оценивается, а не рассчитывается.

Обратите внимание на узор

Полярность связи и ионный характер возрастают с увеличением разницы в электроотрицательности.

Как и энергии связи, электроотрицательность атома до некоторой степени зависит от его химического окружения. Поэтому маловероятно, что указанные значения электроотрицательности атома хлора в NaCl, Cl ₂ , ClF ₅ и HClO ₄ будут точно такими же.

Дипольные моменты

Асимметричное распределение заряда в полярном веществе, таком как HCl, создает дипольный момент Произведение частичного заряда Q на связанных атомах и расстояния r между частичными зарядами: µ = Qr, где Q измеряется в кулонах (Кл), а r в метрах (м)., сокращенно греческой буквой мю (µ). Дипольный момент определяется как произведение частичного заряда Q на связанных атомах и расстояния r между частичными зарядами:

, где Q измеряется в кулонах (C), а r — в метрах. Единица измерения дипольных моментов — дебай (D):

.

Уравнение 8.17

1 D = 3,3356 × 10 ⁻³⁰ См · м

Когда молекула с дипольным моментом помещается в электрическое поле, она имеет тенденцию ориентироваться в соответствии с электрическим полем из-за асимметричного распределения заряда (Рисунок 8.13 «Молекулы, обладающие дипольным моментом, частично выравнивающие себя с приложенным электрическим полем») .

Рисунок 8.13 молекул, обладающих дипольным моментом, частично выравниваются с приложенным электрическим полем

В отсутствие поля (а) молекулы HCl ориентированы случайным образом. При приложении электрического поля (b) молекулы стремятся выровняться с полем, так что положительный конец молекулярного диполя указывает на отрицательный полюс и наоборот.

Мы можем измерить частичные заряды атомов в молекуле, такой как HCl, используя уравнение 8. 16. Если бы связь в HCl была чисто ионной, электрон переместился бы с H на Cl, так что у атома H был бы полный заряд +1, а у атома Cl — полный заряд -1. Дипольный момент HCl составляет 1,109 Д, как определено путем измерения степени его выравнивания в электрическом поле, и сообщенное расстояние между H-Cl в газовой фазе составляет 127,5 пм. Следовательно, заряд каждого атома равен

.

Уравнение 8.18

Q = μr = 1,109 Д (3,3356 × 10-30 Кл · м1 Д) (1127.17 часов) (13 часов 10-12 м) = 2,901 × 10-20 С

Разделив это вычисленное значение на заряд одного электрона (1,6022 × 10 ⁻¹⁹ Кл), мы обнаружим, что заряд атома Cl в молекуле HCl составляет примерно -0,18, что соответствует примерно 0,18 e ^— :

Уравнение 8.19

2,901 × 10−20 C1.6022 × 10−19C / e− = 0,1811 e−

Для образования нейтрального соединения заряд атома H должен быть одинаковым, но противоположным. Таким образом, измеренный дипольный момент HCl показывает, что связь H – Cl имеет приблизительно 18% -ный ионный характер (0.1811 × 100), или 82% ковалентный характер. Поэтому вместо того, чтобы записывать HCl как Hδ + –Clδ–, мы можем указать количественное разделение зарядов как

H0.18δ + –Cl0.18δ–

Результаты наших расчетов согласуются с разностью электроотрицательностей водорода и хлора χ _H = 2,20; χ _Cl = 3,16, χ _Cl — χ _H = 0,96), значение находится в пределах диапазона для полярных ковалентных связей. Мы указываем дипольный момент, написав стрелку над молекулой.В HCl, например, дипольный момент обозначается следующим образом:

Стрелка указывает направление потока электронов в сторону более электроотрицательного атома.

Заряд на атомах многих веществ в газовой фазе может быть рассчитан с использованием измеренных дипольных моментов и расстояний между связями. На рис. 8.14 «График процентного ионного характера связи, определенного по измеренным дипольным моментам в зависимости от разницы в электроотрицательности связанных атомов» показан график процентного ионного характера в зависимости от разницы в электроотрицательности связанных атомов для нескольких веществ.Согласно графику, связывание в таких частицах, как NaCl (г) и CsF (г), имеет существенно менее 100% ионный характер. Однако, когда газ конденсируется в твердое тело, диполь-дипольные взаимодействия между поляризованными частицами увеличивают разделение зарядов. Таким образом, в кристалле электрон переносится от металла к неметаллу, и эти вещества ведут себя как классические ионные соединения. Данные на рис. 8.14 «График процентного ионного характера связи, определенный по измеренным дипольным моментам в зависимости от разницы в электроотрицательности связанных атомов», показывают, что двухатомные виды с разницей электроотрицательности менее 1.5 имеют ионный характер менее чем на 50%, что согласуется с нашим более ранним описанием этих разновидностей как содержащих полярные ковалентные связи. Использование дипольных моментов для определения ионного характера полярной связи проиллюстрировано в Примере 11.

Рис. 8.14 График процентного ионного характера связи, определенный по измеренным дипольным моментам, в зависимости от разницы в электроотрицательности связанных атомов

В газовой фазе даже CsF, который имеет максимально возможную разницу в электроотрицательности между атомами, не является на 100% ионным.Однако твердый CsF лучше всего рассматривать как 100% ионный из-за дополнительных электростатических взаимодействий в решетке.

Пример 11

В газовой фазе NaCl имеет дипольный момент 9,001 Д и расстояние Na – Cl 236,1 пм. Рассчитайте процентный ионный характер в NaCl.

Дано: химических веществ, дипольный момент и межъядерное расстояние

Запрошено: процентный ионный характер

Стратегия:

A Вычислите заряд каждого атома, используя предоставленную информацию и уравнение 8. 16.

B Найдите процентный ионный характер из отношения фактического заряда к заряду отдельного электрона.

Решение:

A Заряд каждого атома равен

Q = μr = 9,001 Д (3,3356 × 10−30 Кл · м1 Д) (1236,1 пм) (1 пм · 10−12 м) = 1,272 · 10−19 С

Таким образом, NaCl ведет себя так, как если бы он имел заряд 1.272 × 10 ⁻¹⁹ C на каждом атоме, разделенные расстоянием 236,1 пм.

B Ионный характер в процентах определяется отношением фактического заряда к заряду одного электрона (ожидаемый заряд для полного переноса одного электрона):

% Ионный характер = (1,272 × 10−19 C1,6022 × 10−19 C) (100) = 79,39% 79%

Упражнение

В газовой фазе хлорид серебра (AgCl) имеет дипольный момент 6. 08 D и расстояние Ag – Cl 228,1 пм. Каков процентный ионный характер хлорида серебра?

Ответ: 55,5%

Сводка

Соединения с полярными ковалентными связями имеют электроны, которые неравномерно распределены между связанными атомами. Полярность такой связи во многом определяется относительной электроотрицательностью связанных атомов. Асимметричное распределение заряда в полярном веществе создает дипольный момент , который является произведением частичных зарядов связанных атомов и расстояния между ними.

Key Takeaway

• Полярность связи и ионный характер возрастают с увеличением разницы в электроотрицательности.

Концептуальные проблемы

1. Почему ионные соединения, такие как KI, в газовой фазе демонстрируют существенно менее 100% -ный ионный характер?

2. Из соединений LiI и LiF, какое, по вашему мнению, будет вести себя больше как классическое ионное соединение? У кого дипольный момент больше в газовой фазе? Объясни свои ответы.

Числовые задачи

1. Предскажите, является ли каждое соединение чисто ковалентным, чисто ионным или полярным ковалентным.

   1. RbCl
   2. S ₈
   3. TiCl ₂
   4. SbCl ₃
   5. LiI
   6. рублей ₂

2. На основании относительной электроотрицательности классифицируйте связь в каждом соединении как ионную, ковалентную или полярную ковалентную.Укажите направление диполя связи для каждой полярной ковалентной связи.

   1. НЕТ
   2. HF
   3. MgO
   4. AlCl ₃
   5. SiO ₂
   6. связь C = O в ацетоне
   7. О ₃

3. На основании относительной электроотрицательности классифицируйте связь в каждом соединении как ионную, ковалентную или полярную ковалентную. Укажите направление диполя связи для каждой полярной ковалентной связи.

   1. NaBr
   2. ИЗ ₂
   3. BCl ₃
   4. связь S – S в канале CH ₃ CH ₂ SSCH ₂ CH ₃
   5. связь C – Cl в CH ₂ Cl ₂
   6. связь O – H в CH ₃ OH
   7. PtCl ₄ ²⁻

4. Классифицируйте каждый вид как имеющий ионный характер 0–40%, ионный характер 40–60% или ионный характер 60–100% в зависимости от ожидаемого типа связи.Обоснуйте свои рассуждения.

   1. CaO
   2. S ₈
   3. AlBr ₃
   4. ICl
   5. Na ₂ S
   6. SiO ₂
   7. LiBr

5. Если расстояние связи в HCl (дипольный момент = 1. 109 D) были вдвое больше фактического значения 127,46 пм, как бы это повлияло на заряд, локализованный на каждом атоме? Каков будет процент отрицательного заряда Cl? При фактическом расстоянии связи, как удвоение заряда каждого атома повлияет на дипольный момент? Будет ли это иметь более ионный или ковалентный характер?

6. Рассчитайте процентную ионную характеристику HF (дипольный момент = 1.826 D), если расстояние связи H – F составляет 92 пм.

7. Рассчитайте процентную ионную характеристику CO (дипольный момент = 0,110 D), если расстояние C – O составляет 113 пм.

8. Рассчитайте процентный ионный характер PbS и PbO в газовой фазе, используя следующую информацию: для PbS r = 228. 69 пм и µ = 3,59 Д; для PbO r = 192,18 мкм и µ = 4,64 D. Можно ли классифицировать эти соединения как имеющие ковалентные или полярные ковалентные связи в твердом состоянии?

форм молекул

В двухатомной молекуле (X ₂ или XY) существует только одна связь, и полярность этой связи определяет полярность молекулы: если связь полярна, молекула полярна, и если связь неполярная, молекула неполярна.

В молекулах с более чем одной связью обе формы и полярность связи определяют, является ли молекула полярной . А молекула должна содержать полярные связи , чтобы молекула была полярной, но если полярные связи выровнены точно напротив друг друга, или если они достаточно симметричны, полярности связей сокращаются, делая молекула неполярная. (Полярность — это векторная величина, поэтому как необходимо учитывать величину и направление . )

Например, рассмотрим точечную структуру Льюиса для углекислый газ. Это линейная молекула, содержащая два полярных углерод-кислородные двойные связи. Однако, поскольку полярные связи указывают ровно на 180 друг от друга, полярности связи сокращаются, и молекула неполярна. (В качестве аналогии вы можете подумать, что это как игра в перетягивание каната между двумя командами, которые тянут за веревку одинаково сложно.)

Молекула воды также содержит полярные связи, но поскольку это изогнутая молекула, связи расположены под углом друг к другу около 105.Они отменяют , а не , потому что не указывают точно по направлению друг к другу, и есть общий диполь, идущий от водородный конец молекулы по направлению к кислородному концу молекулы; вода, следовательно, является полярной молекулой:

Молекулы, в которых все атомы, окружающие центральный атом такие же, как правило, неполярный, если нет неподеленных пар на центральном атоме. Если некоторые из атомов, окружающих центральный атом различны, однако молекула может быть полярной. Например, углерод тетрахлорид, CCl ₄ , неполярный, но хлороформ, CHCl ₃ , и метилхлорид, CH ₃ Cl полярны:

Полярность молекулы сильно влияет на ее физические свойства. Более полярные молекулы имеют более сильную межмолекулярные силы между ними и, как правило, имеют более высокую температуру кипения точки (а также другие различные физические свойства).

В таблице ниже показано, соответствуют ли примеры в предыдущие разделы полярны или неполярны. Для видов, у которых есть общая сумма, вместо этого используется термин начисленная, поскольку термины полярные и неполярные на самом деле не применимы к заряженным видам; заряжен виды, по определению, по существу полярны. Одинокие пары на каком-то внешнем атомы опущены для ясности.

	Формула	Льюис Строение	Трехмерная структура Форма Полярность	Пояснение
1.	Канал 4		четырехгранный неполярный	Облигация CH неполярный, так как C и H различаются всего на 0,35 единицы электроотрицательности.
2.	NH 3		тригональный пирамидальный полярный	С этого момента молекула не плоская, связи NH не указывают непосредственно друг на друга, и их полярности не отменяют вне.Кроме того, есть небольшой диполь в направлении одинокой пары.
3.	H 2 O		гнутый полярный	С этого момента молекула изогнута, связи ОН не указывают прямо на друг друга, и их полярности не исключают друг друга.
4.	H 3 O +		тригональный пирамидальный начислено	С этого момента вид заряжен, термины полярный и неполярный не имеющий отношения.
5.	HCN		линейная полярный	Линейные молекулы обычно неполярны, но в этом случае не все атомы связанные с центральным атомом такие же.Облигация CN полярный, и не компенсируется неполярной связью CH.
6.	CO 2		линейная неполярный	Полярный C = O облигации ориентированы на 180 ° друг от друга. Полярность этих связей аннулируется, делая молекулу неполярной.
7.	CCl 4		четырехгранный неполярный	Полярный CCl облигации ориентированы 109.5 друг от друга. Полярность этих связей аннулируется, делая молекулу неполярной.
8.	COCl 2		тригонально планарный полярный	Тригональный планарный молекулы обычно неполярны, но в этом случае не все атомы, связанные с центральным атомом, такие же.В полярности связи не отменяются полностью, и молекула полярна. (Если бы было три О или три Cl прикрепленный к центральному C, он будет неполярным.)
9.	О 3		гнутый полярный	Изогнутые молекулы всегда полярны.Хотя кислородно-кислородные связи неполярный, неподеленная пара на центральном O вносит некоторый полярность к молекуле.
10.	CO 3 2-		тригонально планарный начислено	С этого момента вид заряжен, термины полярный и неполярный не имеющий отношения.
11.	С 2 В 6		четырехгранный неполярный	Оба атома углерода четырехгранные; так как облигации CH и облигации CC являются неполярная, молекула неполярная.
12.	С 2 В 4		тригонально планарный неполярный	Оба атома углерода тригонально плоские; так как облигации CH и облигации CC неполярны, молекула неполярна.
13.	Канал 3 Канал 2 ОН		C: четырехгранный O: изогнутый полярный	CC и CH связи не влияют на полярность молекулы, но связи CO и OH полярны, так как форма вокруг атом O изогнут, молекула должна быть полярной.
14.	BF 3		тригонально планарный неполярный	С этого момента молекула плоская, все три полярные связи BF находятся в одна и та же плоскость, ориентированная на 120 ° друг от друга, в результате чего молекула неполярная.
15.	НЕТ		линейная полярный	Поскольку есть только одна связь в этой молекуле, и связь полярная, молекула должна быть полярной.
16.	PCl 5		тригональный бипирамидальный неполярный	Связи PCl в экваториальные положения на этой молекуле ориентированы 120 друг от друга, и их полярности связи компенсируются.Связи PCl в осевых положениях отстоят на 180 от друг друга, и их полярности связи также компенсируются.
17.	SF 6		восьмигранный неполярный	Облигации SF в все эти молекулы удалены друг от друга на 90 °, и их полярности облигаций сокращаются.
18.	SF 4		качели полярный	Облигации SF в осевые позиции разнесены на 90, а их полярности связи отменяет.В экваториальных позициях, так как одна позиция поглощается одинокой парой, они не сокращаются, и молекула полярна.
19.	XeF 4		плоский квадрат неполярный	Облигации XeF все ориентированы на 90 градусов друг от друга, и их связь полярности компенсируются.Одинокие пары находятся на расстоянии 180 от друг друга, и их небольшая полярность также уравновешивается.
20.	H 2 SO 4		S: четырехгранный O: изогнутый полярный	Эта молекула полярный из-за изогнутых связей HOS, которые присутствуют в Это.

Молекулярная полярность

Когда в молекуле нет полярных связей, нет постоянного разница зарядов между одной частью молекулы и другой, и молекула неполярна. Например, молекула Cl 2 не имеет полярных связей. потому что заряд электрона одинаков на обоих атомах. Поэтому это неполярная молекула.Ни одна из связей в молекулах углеводородов, Такие как гексан, C 6 H 14 , значительно полярны, поэтому углеводороды неполярны молекулярные вещества. Молекула может обладать полярным облигации и по-прежнему оставаться неполярными. Если полярные связи равномерно (или симметрично) распределенные, диполи связи аннулируются и не создают молекулярный диполь. За Например, три связи в молекуле BF 3 существенно полярны, но они симметрично расположены вокруг центрального атома бора.Нет стороны молекула имеет более отрицательный или положительный заряд, чем другая сторона, и поэтому молекула неполярная: Молекула воды полярна. потому что (1) его связи O-H значительно полярны, и (2) его изогнутая геометрия делает распределение этих полярных связей асимметричным. Сторона воды молекула, содержащая более электроотрицательный атом кислорода, частично отрицательна, и сторона молекулы, содержащая менее электроотрицательные атомы водорода частично положительный. Образец Учебный лист : Прогнозирование молекулярной полярности Tip-off — Вас просят предсказать, является ли молекула полярной или неполярной; или вам задают вопрос на этот вопрос нельзя ответить, если вы не знаете, полярная или неполярная молекула. (Например, вас просят предсказать тип притяжения, удерживающего частицы вместе в данной жидкости или твердом теле.) Общие шаги — Шаг 1 : Нарисуйте разумную структуру Льюиса для вещества. Шаг 2 : Определите каждую связь как полярную или неполярную. (Если разница в электроотрицательности атомов в связи больше 0,4, мы считаем связь полярной. Если разница в электроотрицательности меньше 0,4, связь практически неполярна.) Если полярные связи отсутствуют, молекула неполярна. Если молекула имеет полярные связи, переходите к шагу 3. Шаг 3 : Если есть только один центральный атом, исследуйте группы электронов вокруг него. Если на центральном атоме нет неподеленных пар и если все связи с центральным атомом такие же, молекула неполярная. (Этот ярлык более подробно описан в следующем примере.) Если центральный атом имеет хотя бы одну полярную связь и если группы связанные с центральным атомом не все идентичны, молекула, вероятно, полярный. Переходите к шагу 4. Шаг 4 : Нарисуйте геометрический эскиз молекулы. Шаг 5 : Определите симметрию молекулы, используя следующие шаги. Опишите полярные связи стрелками, указывающими на более электроотрицательный элемент. Используйте длину стрелки, чтобы показать относительную полярности различных связей. (Большая разница в электроотрицательности предполагает более полярную связь, которая обозначена более длинной стрелкой.) Решите, симметрично ли расположение стрелок или асимметричный Если расположение симметрично и стрелки равны длины молекула неполярна. Если стрелки разной длины, и если они не уравновешены друг друга, молекула полярна. Если расположение асимметрично, молекула полярна.

ПРИМЕР — Прогнозирование молекулярной полярности: Решить являются ли молекулы, представленные следующими формулами, полярными или неполярный.(Вам может потребоваться нарисовать структуры Льюиса и геометрические эскизы, чтобы сделать итак. ) а. CO 2 б. ИЗ 2 c. CCl 4 г. CH 2 Класс 2 е. HCN Решение : а. Структура Льюиса для CO 2 — . Электроотрицательность углерода и кислорода равны 2,55 и 3,44. Разница в 0,89 электроотрицательности указывает на то, что Связи C-O полярны, но симметричное расположение этих связей делает молекула неполярная. Если мы поместим стрелки на геометрический эскиз для CO 2 , мы увидим, что они точно уравновешивают друг друга как в направлении, так и в величина. Это показывает симметрию связей. г. Структура Льюиса для OF 2 — . Электроотрицательность кислорода и фтора, 3,44 и 3,98 соответственно дают разность 0,54, которая позволяет нам прогнозировать что связи O-F полярны. Молекулярная геометрия OF 2 искривлена.Такой асимметричное распределение полярных связей привело бы к образованию полярной молекулы. г. Молекулярная геометрия CCl 4 составляет четырехгранный. Хотя связи C-Cl полярны, их симметричное расположение делает молекулу неполярной. г. В Структура Льюиса для CH 2 Cl 2 составляет Электроотрицательность водорода, углерода и хлор 2.20, 2.55 и 3.16. Разница в электроотрицательности 0,35 для связи H-C говорят нам, что они по существу неполярны. 0,61 разница в электроотрицательности для связей C-Cl показывает, что они полярный. Следующие геометрические рисунки показывают, что полярные связи асимметрично расположены, поэтому молекула полярна. (Обратите внимание, что Льюис приведенная выше структура неверно предполагает, что связи расположены симметрично. Имейте в виду, что конструкции Льюиса часто создают ложное впечатление о геометрии. молекул, которые они представляют.) e. В Структура Льюиса и геометрический эскиз для HCN такие же: Электроотрицательность водорода, углерод и азот составляют 2,20, 2,55 и 3,04. Разница в 0,35 Электроотрицательность для связи H-C показывает, что она по существу неполярна. В Разница в 0,49 электроотрицательности для связи C-N говорит нам о ее полярности. Молекулы с одной полярной связью всегда полярны.

Глава 4 — Ковалентные связи и молекулярные соединения — Химия

Глава 4 — Ковалентные связи и молекулярные соединения

Этот текст опубликован под лицензией Creative Commons, для ссылки и адаптации нажмите здесь.

4,1 Введение в ковалентные молекулы и соединения

Как распознать ковалентные облигации

4. 2 Обмен электронами

Одинарные ковалентные связи между одинаковыми атомами

Одинарные ковалентные связи между разными атомами

Множественные ковалентные связи

Координатно-ковалентные связи

4.3 Электроотрицательность и полярность связи

4.4 Свойства молекулярных соединений

4.5 Обозначение бинарных молекулярных соединений

4.6 Краткое содержание главы

4,7 Ссылки

---

Глава 4. Ковалентные связи и молекулярные соединения

Химические связи обычно делятся на два принципиально разных типа: ионные и ковалентные. В действительности, однако, связи в большинстве веществ не являются ни чисто ионными, ни чисто ковалентными, а лежат в спектре между этими крайностями.Хотя чисто ионные и чисто ковалентные связи представляют собой крайние случаи, которые редко встречаются в каких-либо, кроме очень простых веществ, краткое обсуждение этих двух крайностей помогает объяснить, почему вещества с разными типами химических связей имеют очень разные свойства. Ионные соединения состоят из положительно и отрицательно заряженных ионов, удерживаемых вместе сильными электростатическими силами, тогда как ковалентные соединения обычно состоят из молекул, которые представляют собой группы атомов, в которых одна или несколько пар электронов совместно используются связанными атомами.В ковалентной связи атомы удерживаются вместе за счет электростатического притяжения между положительно заряженными ядрами связанных атомов и отрицательно заряженными электронами, которые они разделяют. В этой главе основное внимание будет уделено свойствам ковалентных соединений.

4,1 Введение в ковалентные молекулы и соединения

Так же, как атом — это простейшая единица, обладающая фундаментальными химическими свойствами элемента, молекула — простейшая единица, обладающая фундаментальными химическими свойствами ковалентного соединения.Таким образом, термин молекулярное соединение используется для описания элементов, которые связаны ковалентными связями, и для отличия этих соединений от ионных соединений. Некоторые чистые элементы существуют в виде ковалентных молекул. Водород, азот, кислород и галогены встречаются в природе в виде двухатомных («двухатомных») молекул H ₂ , N ₂ , O ₂ , F ₂ , Cl ₂ , Br ₂ , и I ₂ (часть (a) на рисунке 4.1). Точно так же несколько чистых элементов существуют в виде многоатомных («многоатомных») молекул, таких как элементарный фосфор и сера, которые представлены как P ₄ и S ₈ (часть (b) на рисунке 4.1).

Рис. 4.1. Элементы, которые существуют как ковалентные молекулы. (a) Некоторые элементы естественным образом существуют в виде двухатомных молекул, в которых два атома (E) соединены одной или несколькими ковалентными связями с образованием молекулы с общей формулой E2. (б) Некоторые элементы естественным образом существуют в виде многоатомных молекул, которые содержат более двух атомов. Например, фосфор существует в виде тетраэдров P4 — правильных многогранников с четырьмя треугольными сторонами — с атомом фосфора в каждой вершине. Элементарная сера состоит из гофрированного кольца из восьми атомов серы, соединенных одинарными связями.Селен не показан из-за сложности его структуры.

---

Каждое ковалентное соединение представлено молекулярной формулой, которая дает атомный символ для каждого составляющего элемента в заданном порядке, сопровождаемый нижним индексом, указывающим количество атомов этого элемента в молекуле. Нижний индекс пишется только в том случае, если количество атомов больше 1. Например, вода с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода на молекулу записывается как H ₂ O. Точно так же диоксид углерода, который содержит один атом углерода. и два атома кислорода в каждой молекуле записываются как CO ₂ .

Ковалентные соединения, которые преимущественно содержат углерод и водород, называются органическими соединениями . При представлении формул органических соединений сначала пишут углерод, затем водород, а затем любые другие элементы в алфавитном порядке (например, CH ₄ O — это метиловый спирт, топливо). Соединения, которые состоят в основном из элементов, отличных от углерода и водорода, называются неорганическими соединениями ; они включают как ковалентные, так и ионные соединения.Условные обозначения неорганических соединений включают перечисление составляющих элементов, начиная с самого левого в периодической таблице, как в CO ₂ или SF ₆ . Те, кто находятся в той же группе, перечислены, начиная с нижнего элемента и постепенно увеличиваясь, как в ClF. Однако по соглашению, когда неорганическое соединение содержит и водород, и элемент из групп 13-15, водород обычно указывается в формуле последним. Примерами являются аммиак (NH ₃ ) и силан (SiH ₄ ).Такие соединения, как вода, состав которых был установлен задолго до принятия этого соглашения, всегда сначала пишется с водородом: вода всегда пишется как H ₂ O, а не как OH ₂ . Обычно это отличает, когда водород участвует в ковалентной связи, а не в ионном взаимодействии, как это видно во многих неорганических кислотах, таких как соляная кислота (HCl) и серная кислота (H ₂ SO ₄ ), как описано в Глава 3.

---

Как распознать ковалентные облигации

В главе 3 мы увидели, что ионные соединения состоят преимущественно из металла + неметалла.С другой стороны, ковалентные молекулы обычно состоят из двух неметаллов или неметалла и металлоида. Это первоначальный метод скрининга, который вы можете использовать для разделения соединений на ионные или ковалентные.

Рисунок 4.2. Отличие ионных и ковалентных соединений. Обычно соединения, которые образованы из комбинации металла с неметаллом, имеют более характерную ионную связь, тогда как соединения, образованные из двух неметаллов или металлоида и неметалла, демонстрируют более ковалентный характер.Хотя соединения обычно находятся в диапазоне от полностью ионного до полностью ковалентного характера, для целей наименования это руководство работает хорошо.

---

4.2 Обмен электронами

Одинарные ковалентные связи между одинаковыми атомами

Глава 3 описывает, как электроны могут передаваться от одного атома к другому, чтобы оба атома имели энергетически стабильную внешнюю электронную оболочку в соответствии с правилом октетов . Однако есть еще один способ, которым атом может достичь полной валентной оболочки: атомы могут совместно использовать электроны, чтобы достичь состояния октета (или состояния дуэта в случае водорода).

Эту концепцию можно проиллюстрировать на примере двух атомов водорода, каждый из которых имеет по одному электрону на валентной оболочке. (Для небольших атомов, таких как атомы водорода, валентная оболочка будет первой оболочкой, содержащей только два электрона.) Мы можем представить два отдельных атома водорода следующим образом:

В этой ситуации ни один водород не может достичь предпочтительного дуэтного состояния.Напротив, когда два атома водорода сближаются достаточно близко друг к другу, чтобы поделиться своими электронами, их можно представить следующим образом:

Обменивая свои валентные электроны, оба атома водорода теперь имеют по два электрона в соответствующих валентных оболочках. Поскольку каждая валентная оболочка теперь заполнена, это расположение более стабильно, чем когда два атома разделены. В этой конфигурации каждый водород имеет электронную конфигурацию, эквивалентную конфигурации благородного газа, гелия. Распределение электронов между атомами называется ковалентной связью , а два электрона, которые соединяют атомы ковалентной связью, называются парой связи электронов .Дискретная группа атомов, соединенных ковалентными связями, называется молекулой — наименьшая часть соединения, которая сохраняет химическую идентичность этого соединения. Например, одна молекула воды будет содержать два атома водорода и один атом кислорода (H ₂ O).

Химики часто используют электронные точечные диаграммы Льюиса для представления ковалентных связей в молекулярных веществах. Например, диаграммы Льюиса двух отдельных атомов водорода выглядят следующим образом:

Диаграмма Льюиса двух атомов водорода, разделяющих электроны, выглядит так:

Это изображение молекул дополнительно упрощено за счет использования тире для обозначения ковалентной связи. Молекула водорода тогда представлена ​​следующим образом:

Помните, что прочерк, также называемый одинарной связью, представляет пару связывающих электронов.

Связь в молекуле водорода, измеренная как расстояние между двумя ядрами, составляет примерно 7,4 × 10 ⁻¹¹ м, или 74 пикометра (пм; 1 пм = 1 × 10 ⁻¹² м). Эта конкретная длина связи представляет собой баланс между несколькими силами: (1) притяжением между противоположно заряженными электронами и ядрами, (2) отталкиванием между двумя отрицательно заряженными электронами и (3) отталкиванием между двумя положительно заряженными ядрами.Если бы ядра были ближе друг к другу, они бы отталкивали друг друга сильнее; если бы ядра были дальше друг от друга, между положительными и отрицательными частицами было бы меньше притяжения.

Фтор — еще один элемент, атомы которого соединяются попарно, образуя двухатомные (двухатомные) молекулы. Два отдельных атома фтора имеют следующие электронные точечные диаграммы:

Каждый атом фтора вносит один валентный электрон, образуя одинарную связь и давая каждому атому полную валентную оболочку, что соответствует правилу октетов:

Кружки показывают, что вокруг каждого атома фтора восемь электронов. Как и в случае с водородом, мы можем изобразить молекулу фтора с чертой вместо связывающих электронов:

Каждый атом фтора имеет шесть электронов или три пары электронов, которые не участвуют в ковалентной связи. Считается, что они не являются общими, а принадлежат одному атому. Их называют несвязывающих пар (или неподеленных пар) электронов.

---

Одинарные ковалентные связи между разными атомами

Теперь, когда мы рассмотрели распределение электронов между атомами одного и того же элемента, давайте посмотрим на образование ковалентных связей между атомами разных элементов.Рассмотрим молекулу, состоящую из одного атома водорода и одного атома фтора:

Каждому атому требуется один дополнительный электрон для завершения своей валентной оболочки. Вкладывая в каждый один электрон, они образуют следующую молекулу:

В этой молекуле у атома водорода нет несвязывающих электронов, а у атома фтора шесть несвязывающих электронов (три неподеленные электронные пары). Кружками показано, как заполнены оболочки валентных электронов для обоих атомов (напомним, что водород заполнен двумя электронами).

Более крупные молекулы построены аналогичным образом, при этом некоторые атомы участвуют в более чем одной ковалентной связи. Например, воду с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода и метан (CH ₄ ) с одним атомом углерода и четырьмя атомами водорода можно представить следующим образом:

Атомы обычно образуют характерное количество ковалентных связей в соединениях. На рис. 4.3 показаны конфигурации валентных электронов каждого семейства элементов (или столбца).

Рис 4.3 Периодическая таблица со структурами Льюиса. Каждое семейство показывает репрезентативную структуру Льюиса для этой группы элементов. Для неметаллов (семейства 4A, 5A, 6A и 7A) они могут принимать дополнительное количество общих связей для достижения состояния октета. Семейство 4A может разделять 4 ковалентные связи (4 + 4 = 8), тогда как семейства 5A, 6A и 7A могут разделять 3, 2 и 1 ковалентные связи, соответственно, для достижения состояния октета. Исключения из правила октетов существуют. Например, водород можно рассматривать как принадлежащий к Группе 1 или Группе 7A, поскольку он имеет свойства, аналогичные свойствам обеих групп.Водород может участвовать как в ионном, так и в ковалентном связывании. Участвуя в ковалентной связи, водороду нужны только два электрона, чтобы иметь полную валентную оболочку. Поскольку у него вначале один электрон, он может образовывать только одну ковалентную связь. Точно так же бор имеет 3 электрона на внешней оболочке. Этот неметалл обычно образует 3 ковалентные связи, имея максимум 6 электронов на внешней оболочке. Таким образом, бор никогда не может достичь октетного состояния. Другие атомы могут иметь расширенные орбитали и принимать дополнительные ковалентные связи.Два из них, которые важны для живых систем, — это сера и фосфор. По правилу октетов сера может образовывать 2 ковалентные связи, а фосфор — 3 ковалентные связи. Сера также может иметь расширенные орбитали, чтобы принимать 4 или 6 ковалентных связей, а фосфор может расширяться до 5 ковалентных связей.

---

Множественные ковалентные связи

Во многих молекулах правило октетов не выполнялось бы, если бы каждая пара связанных атомов разделяла только два электрона. Рассмотрим диоксид углерода (CO ₂ ).Если каждый атом кислорода делит один электрон с атомом углерода, мы получим следующее:

Это не дает атомам углерода или кислорода полный октет; У атома углерода только шесть электронов в валентной оболочке, а у каждого атома кислорода только семь электронов в валентной оболочке. Таким образом, ни один из атомов не может достичь состояния октета в текущей конфигурации. Как написано, это будет нестабильная молекулярная конформация.

Иногда два атома должны использовать более одной пары электронов, чтобы оба атома имели октет.В диоксиде углерода второй электрон от каждого атома кислорода также делится с центральным атомом углерода, а атом углерода делит еще один электрон с каждым атомом кислорода:

В этом расположении атом углерода делит четыре электрона (две пары) с атомом кислорода слева и четыре электрона с атомом кислорода справа. Теперь вокруг каждого атома восемь электронов. Две пары электронов, общие для двух атомов, образуют двойную связь между атомами, которая обозначена двойным тире:

Некоторые молекулы содержат тройные связи, ковалентные связи, в которых три пары электронов разделяются двумя атомами.Простое соединение с тройной связью — это ацетилен (C ₂ H ₂ ), диаграмма Льюиса которого выглядит следующим образом:

---

Координатно-ковалентные связи

Координатная связь (также называемая дательной ковалентной связью) — это ковалентная связь (общая пара электронов), в которой и электронов происходят от одного и того же атома. Ковалентная связь образована двумя атомами, разделяющими пару электронов. Атомы удерживаются вместе, потому что электронная пара притягивается обоими ядрами.При образовании простой или обычной ковалентной связи каждый атом поставляет один электрон на связь, но это не обязательно. В случае координатной ковалентной связи один атом поставляет оба электрона, а другой атом не поставляет ни один из электронов. Следующая реакция между аммиаком и соляной кислотой демонстрирует образование координированной ковалентной связи между аммиаком и ионом водорода (протоном).

Реакция аммиака с соляной кислотой

Если позволить этим бесцветным газам смешаться, образуется густой белый дым твердого хлорида аммония.

Общая реакция

NH ₃ (г) + HCl (г) → NH ₄ Cl (s)

Ионы аммония, NH ₄ ⁺ , образуются в результате переноса иона водорода (протона) от молекулы соляной кислоты к неподеленной паре электронов на молекуле аммиака. Чтобы визуализировать эту реакцию, мы можем использовать конфигурации электронных точек, чтобы наблюдать движение электронов во время реакции. Сначала вспомните состояния валентных электронов для всех атомов, участвующих в реакции:

В левой части уравнения (слева от стрелки) указаны реагенты реакции (аммиак и соляная кислота). Справа от реакции (справа от стрелки) находится продукт реакции, ионное соединение — хлорид аммония. На диаграмме ниже показано движение электронов и протонов во время реакции.

Рис. 4.4 Образование хлорида аммония. Когда образуется ион аммония, NH ₄ ⁺ , четвертый водород (показан красным) присоединяется координатной ковалентной связью, потому что только ядро ​​водорода передается от хлора к азоту.Электрон водорода остается на хлоре, образуя отрицательный ион хлорида. После образования иона аммония невозможно отличить координационные ковалентные связи от обычных ковалентных, все атомы водорода в молекуле эквивалентны, а дополнительный положительный заряд распределен по всей молекуле. Хотя на схеме электроны показаны по-разному, в действительности между ними нет никакой разницы. На простых схемах координатная связь показана изогнутой стрелкой.Стрелка указывает от атома, дающего неподеленную пару, к атому, принимающему ее.

---

4. 3 Электроотрицательность и полярность связи

Хотя мы определили ковалентную связь как разделение электронов, электроны в ковалентной связи не всегда одинаково распределяются между двумя связанными атомами. Если связь не соединяет два атома одного и того же элемента, всегда будет один атом, который притягивает электроны в связи сильнее, чем другой атом, как показано на рисунке 4.5. Когда возникает такой дисбаланс, возникает накопление некоторого отрицательного заряда (называемого частичным отрицательным зарядом и обозначенного δ−) на одной стороне связи и некоторого положительного заряда (обозначенного δ +) на другой стороне связи. . Ковалентная связь с неравномерным распределением электронов, как в части (b) на рисунке 4.5, называется полярной ковалентной связью . Ковалентная связь с равным распределением электронов (часть (а) на рисунке 4.5) называется неполярной ковалентной связью .

Рис. 4.5 Полярные и неполярные ковалентные связи. (a) Электроны в ковалентной связи в равной степени разделяются обоими атомами водорода. Это неполярная ковалентная связь. (б) Атом фтора притягивает электроны в связи больше, чем атом водорода, что приводит к дисбалансу в распределении электронов. Это полярная ковалентная связь.

---

Любая ковалентная связь между атомами разных элементов является полярной связью, но степень полярности сильно различается.Некоторые связи между различными элементами только минимально полярны, в то время как другие сильно полярны. Ионные связи можно считать предельной полярностью, когда электроны передаются полностью, а не разделяются. Чтобы судить об относительной полярности ковалентной связи, химики используют электроотрицательность , которая является относительной мерой того, насколько сильно атом притягивает электроны, когда образует ковалентную связь.

Существуют различные числовые шкалы для оценки электроотрицательности. На рис. 4.6 показана одна из самых популярных — шкала Полинга . О полярности ковалентной связи можно судить, определив разницу в электроотрицательностях между двумя атомами, образующими связь. Чем больше разница в электроотрицательностях, тем больше дисбаланс в распределении электронов в связи.

Рисунок 4.6 Электроотрицательность различных элементов. Шкала Полинга для электроотрицательностей имеет значение для атомов фтора, равное 4.0, максимальное значение.

Хотя жестких правил не существует, общее правило состоит в том, что разница в электроотрицательности менее 0,4 указывает на то, что связь неполярна; когда разница больше 0,4, связь считается полярной. Когда разница в электроотрицательностях достаточно велика (обычно больше примерно 1,8), полученное соединение считается ионным, а не ковалентным. Разность электроотрицательностей, равная нулю, конечно же, указывает на неполярную ковалентную связь.Примеры разницы электроотрицательностей показаны на рисунке 4. 7.

Рисунок 4.7 Диаграмма разности электроотрицательностей. Приведенная выше диаграмма является руководством для определения типа связи между двумя разными атомами. Взяв разницу между значениями электроотрицательности для каждого из атомов, участвующих в связи, можно предсказать тип связи и полярность. Обратите внимание, что полный ионный характер достигается редко, однако, когда металлы и неметаллы образуют связи, они называются в соответствии с правилами ионного связывания.

---

Когда связи молекулы полярны, молекула в целом может демонстрировать неравномерное распределение заряда в зависимости от того, как ориентированы отдельные связи. Например, ориентация двух связей O – H в молекуле воды (рис. 4.8) изогнута: один конец молекулы имеет частичный положительный заряд, а другой конец имеет частичный отрицательный заряд. Короче говоря, сама молекула полярна. Полярность воды оказывает огромное влияние на ее физические и химические свойства. (Например, температура кипения воды [100 ° C] высока для такой маленькой молекулы и связана с тем, что полярные молекулы сильно притягиваются друг к другу.) Напротив, в то время как две связи C = O в диоксиде углерода являются полярные, они лежат прямо напротив друг друга в молекуле и, таким образом, нейтрализуют эффекты друг друга. Таким образом, молекулы углекислого газа в целом неполярны. Отсутствие полярности влияет на некоторые свойства углекислого газа. (Например, углекислый газ превращается в газ при -77 ° C, что почти на 200 ° ниже, чем температура, при которой вода закипает.)

Рисунок 4.8. Физические свойства и полярность. На физические свойства воды (a) и углекислого газа (b) влияет их молекулярная полярность. Обратите внимание, что стрелки на диаграмме всегда указывают в том направлении, где электроны более сильно притягиваются. На этой диаграмме символ дельты (δ) используется с символом (+) или (-) для представления распределения частичного положительного и частичного отрицательного заряда в полярных ковалентных связях. Обратите внимание, что электроны, связанные полярными ковалентными связями, будут притягиваться и проводить больше времени вокруг атома с более высоким значением электроотрицательности.Когда полярности равны и прямо противоположны, как в случае диоксида углерода (b), вся молекула не будет иметь общего заряда.

---

(НАЗАД)

---

4.4 Свойства молекулярных соединений

Молекулярные соединения обладают многими свойствами, которые отличаются от ионных соединений. Некоторые из обобщений для этой группы включают гораздо более низкие температуры плавления и кипения по сравнению с их ионными аналогами.Например, вода (H ₂ O) имеет точку плавления 4 ^o C и точку кипения 100 ^o C по сравнению с NaCl, который имеет точку плавления 801 ^o C и температуру кипения 1,413 ^o C. Это связано с тем, что полные заряды, созданные в ионных связях, имеют гораздо более сильную силу притяжения, чем сравнительно слабые частичные заряды, созданные в ковалентных молекулах. таким образом, ионные соединения имеют тенденцию к образованию очень прочных структур кристаллической решетки из-за повторяющихся зарядов катионных и анионных компонентов.С другой стороны, ковалентные соединения обычно не имеют такой хорошо структурированной трехмерной формы. Таким образом, они имеют тенденцию быть более хрупкими и легче ломаться в твердой форме, и многие из них находятся в жидкой и газовой фазах. Кроме того, из-за отсутствия заряда они, как правило, плохо проводят электричество и тепло. Многие из них также нерастворимы в воде из-за их неполярной природы (т.е. масло и вода не смешиваются).

В таблице 4.1 показаны общие различия между ковалентными и ионными соединениями.

Таблица 4.1 Сравнение ионных и ковалентных соединений

4.5 Обозначение бинарных молекулярных соединений

Напомним, что молекулярная формула показывает количество атомов каждого элемента, содержащегося в молекуле. Молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода, поэтому ее формула H ₂ O. Молекула октана, который является компонентом бензина, содержит 8 атомов углерода и 18 атомов водорода. Молекулярная формула октана: C ₈ H ₁₈ .При написании химической формулы элемент, который является наименее электроотрицательным (элемент, который находится левее или ниже в той же группе семейства), записывается первым, а более электроотрицательный элемент записывается вторым. Вам потребуется знать, как называть простые бинарные ковалентные соединения (соединения, состоящие из двух разных элементов)

.

Рис. 4.9 Двуокись азота (NO ₂ ) — это красновато-коричневый токсичный газ, который является заметным загрязнителем воздуха, выделяемым двигателями внутреннего сгорания.

---

Элементы, образующие бинарные молекулярные соединения, являются как атомами неметалла, так и комбинацией неметалла и металлоида. Это контрастирует с ионными соединениями, которые образовались из иона металла и иона неметалла. Следовательно, бинарные молекулярные соединения отличаются, потому что ионные заряды не могут использоваться для их названия или записи их формул. Другое отличие состоит в том, что два атома неметалла часто сочетаются друг с другом в различных соотношениях.Рассмотрим элементы азот и кислород. Они объединяются, чтобы образовать несколько соединений, включая

НЕТ, НЕТ ₂ и N ₂ O

Все они не назовешь оксидом азота. Как кто-то узнает, о чем вы говорите? Каждое из трех соединений имеет очень разные свойства и реакционную способность. Необходима система, позволяющая различать подобные соединения.

Префиксы используются в названиях бинарных молекулярных соединений для определения количества атомов каждого элемента.В таблице ниже указаны префиксы до десяти.

Таблица 4.2 Префиксы, используемые для номенклатуры бинарных ковалентных молекул

Правила использования префиксной системы номенклатуры бинарных соединений можно резюмировать следующим образом.

1. Обычно менее электроотрицательный элемент указывается в формуле первым, хотя есть несколько исключений. Исключение 1 : Углерод всегда стоит первым в формуле. Исключение 2: Когда водород участвует в ковалентной связи, это обычно записывается во второй позиции (например: водород стоит после азота в такой формуле, как NH ₃ ) В целом, порядок обычных неметаллов в бинарных молекулярных соединения: C, P, N, H, S, I, Br, Cl, O,
2. При присвоении имени первому элементу используйте полное имя элемента и соответствующий префикс, если в формуле содержится более одного атома этого элемента.Если есть только один атом для первого элемента, термин моно НЕ используется, но подразумевается. Например, CO — это монооксид углерода, а не монооксид углерода.
3. Для второго элемента окончание имени элемента обычно изменяется на « -ide» , а соответствующий префикс — , всегда , используемый для второго элемента.

Примечание: a или o в конце префикса обычно удаляются из имени, когда имя элемента начинается с гласной.Например, четыре атома кислорода представляют собой тетроксид вместо тетраоксида. Некоторые примеры молекулярных соединений перечислены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 Примеры наименования ковалентных молекул

Обратите внимание, что префикс mono- не используется с азотом в первом соединении, но используется с кислородом в обоих первых двух примерах. В стандарте S ₂ Cl ₂ подчеркивается, что формулы молекулярных соединений не сводятся к их наименьшим соотношениям. o mono- и a hepta- исключаются из названия при сочетании с оксидом. Например:

---

4.6 Краткое содержание главы

Атомы могут иметь общие пары валентных электронов для получения октета валентной оболочки. Это разделение электронов представляет собой ковалентную связь . Частица, образованная ковалентно связанными атомами, представляет собой молекулу и представлена ​​молекулярной формулой , которая дает количество атомов каждого типа в молекуле.Два электрона, связанных ковалентной связью, называются парой , связывающей электроны . Электроны, которые не участвуют в ковалентных связях, называются несвязывающими парами (или неподеленными парами ) электронами . Ковалентная связь, состоящая из одной пары общих электронов, называется одинарной связью .

Ковалентные связи возникают между атомами неметаллов. При присвоении имен простым ковалентным соединениям следуют простым правилам, аналогичным правилам для ионных соединений.Однако для ковалентных соединений числовые префиксы используются по мере необходимости для указания числа атомов каждого элемента в соединении.

В некоторых случаях используется более одной пары электронов, чтобы удовлетворить правилу октетов. Две пары электронов разделяются двумя атомами, образуя двойную связь . Три пары атомов являются общими, образуя тройную связь . Одинарные, двойные и тройные ковалентные связи могут быть представлены одним, двумя или тремя штрихами, соответственно, между символами атомов.В случае координированной ковалентной связи один атом снабжает оба электрона, а другой атом не поставляет ни один из электронов.

Чтобы судить об относительной полярности ковалентной связи, химики используют электроотрицательность , которая является относительной мерой того, насколько сильно атом притягивает электроны, когда образует ковалентную связь. Чем больше разница электроотрицательностей между атомами, участвующими в ковалентной связи, тем большую полярность проявляет связь.

По сравнению с ионными соединениями, ковалентные молекулы имеют более низкие температуры плавления и кипения, менее растворимы в воде и плохо проводят электричество. Эти основные различия в значительной степени связаны с повышенной полярностью ионных связей по сравнению с ковалентными связями.

---

4,7 Ссылки

Материалы главы 4 были адаптированы из следующих ресурсов Creative Commons, если не указано иное:

1. Портал органической химии.WikiUniversity. Доступно по адресу: https://en.wikiversity.org/wiki/Portal:Organic_chemistry

.

2. Аноним. (2012) Введение в химию: общие, органические и биологические (V1.0). Опубликовано по лицензии Creative Commons by-NC-sa 3.0. Доступно по адресу: http://2012books.lardbucket.org/books/introduction-to-chemistry-general-organic-and-biological/index.html

3. Поульсен Т. (2010) Введение в химию. Опубликовано по лицензии Creative Commons by-NC-sa 3.0. Доступно по адресу: http: // opengroup.org / books / Chemistry.pdf

4. Молекулы и молекулярные соединения. (2017) Либретексты. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/General_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Chemistry%3A_The_Central_Science_(Brown_et_al. )/02._Atoms,_Molecules,_and_Ions/2.6%3A_Molecules

5. Кларк, Дж. (2017) «Общие принципы химической связи», опубликованные Libretexts. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Chemical_Bonding/General_Principles_of_Chemical_Bonding/Coordinate_(Dative_Covalent)_Bonding

6.OpenStax (2015) Атомы, изотопы, ионы и молекулы: строительные блоки. OpenStax CNX. Доступно по адресу: http://cnx.org/contents/be8818d0-2dba-4bf3-859a-737c25fb2c99@12.

7. Википедия, Ionic Compound. Доступно по адресу: https://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_compound

.

8. Физическая и теоретическая химия (2017) Libretexts. Доступно по адресу: https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Chemical_Bonding/General_Principles_of_Chemical_Bonding/Covalent_Bonds_vs_Ionic_Bonds.

Базовая клеточная биология

Базовая клеточная биология

Основы клеточной биологии

Короткий видеофрагмент ниже (3:36) взят с канала Discovery. Это очень простое введение в клетки, но оно может быть интересным для студентов с небольшим опытом работы в естественных науках.

Источник: http://youtu.be/u54bRpbSOgs

---

После успешного заполнения этого раздела студент сможет:

• Перечислите и выделите основные органические молекулы (сахара и крахмалы; аминокислоты и белки, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты; жирные кислоты, фосфолипиды, тригилцериды и холестерин) и объясните, как полимеры создают все более сложные молекулы.
• Различают ковалентные и ионные химические связи.
• Объясните, что подразумевается под «полярным» соединением.
• Объясните, как амфипатическая природа молекул делает возможным самосборку макромолекулярных структур, таких как клеточная мембрана.
• Опишите состав клеточной мембраны.
• Перечислите функции белковых молекул в клетках. Определите, что подразумевается под «сайтами связывания белков».
• Опишите три механизма, с помощью которых белки обеспечивают транспортировку веществ через клеточные мембраны.
• Перечислить и выделить иерархию организации внутри организмов (атомы -> молекулы -> органеллы -> клетки -> ткани -> органы -> системы органов)

---

Все материи, живые они или нет, состоят из химических элементов; это основные химические вещества в том смысле, что они такие, какие они есть — они не могут быть превращены в другой элемент.Каждый элемент отличается количеством протонов, нейтронов и электронов, которыми он обладает. Например, атомный номер углерода равен 6, а атомная масса около 12, потому что он имеет 6 положительно заряженных протонов и 6 незаряженных нейтронов. 6 заряженных электронов очень мало влияют на массу атома. На Земле 92 встречающихся в природе элемента. Массив элементов и их субатомная структура резюмированы периодической таблицей элементов, показанной справа.

В живых организмах наиболее распространенными элементами являются углерод, водород и кислород.Эти три элемента вместе с азотом, фосфором и некоторыми другими элементами составляют подавляющее большинство живого вещества. Атом — это одна единица химического элемента. Некоторые из этих элементов, содержащихся в органических молекулах, показаны ниже.

---

Атомы могут соединяться с другими атомами, образуя химические связи.

Ковалентные облигации

Ковалентная связь — это связь, в которой одна или несколько пар электронов разделяются двумя атомами.На рисунке справа показаны два атома кислорода, которые ковалентно связаны за счет разделения двух пар электронов, как показано в заштрихованной области.

На рисунке ниже показан ряд молекул, образованных ковалентным связыванием. Наведите курсор на каждую молекулу, чтобы увидеть краткое описание.

,

Вода — полярная молекула

Отметим также, что распределение электронов не всегда одинаково. Например, в молекуле воды отрицательно заряженные электроны проводят больше времени вблизи более тяжелого атома кислорода.

В результате молекула воды имеет один конец, более отрицательный по сравнению с другим концом. Следовательно, вода — это «полярная» молекула. Мы увидим, что эта полярность имеет важное значение для многих биологических явлений, включая структуру клетки. Возможно, вы слышали выражение «, , подобное растворяется, как , ». Это означает, что полярные молекулы хорошо растворяются в полярных жидкостях, таких как вода. Сахара (например, глюкоза) и соли являются полярными молекулами, и они растворяются в воде, потому что положительная и отрицательная части двух типов молекул могут удобно распределяться между собой.

Ионные связи

Натрий имеет единственный электрон во внешней орбитальной оболочке, и он термодинамически более стабилен, если он откажется от этого электрона. Эта потеря отрицательного электрона приводит к образованию положительно заряженного иона натрия, сокращенно Na ⁺ . Хлор, с другой стороны, имеет семь электронов во внешней орбитальной оболочке, и он более термодинамически стабилен, если он приобретает дополнительный электрон для завершения внешней орбитальной оболочки.В результате образуется отрицательно заряженный хлорид-ион, сокращенно Na +. Положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлорида притягиваются друг к другу и приводят к образованию ионной связи. В отсутствие воды натрий и хлорид образуют кристаллическую решетку из-за притяжения отрицательных и положительных ионов.

Однако, если кристаллы хлорида натрия поместить в воду, полярные молекулы воды будут «гидратировать» атомы натрия и хлора, потому что молекулы воды полярны.На рисунке ниже темно-синие V-образные фигуры представляют собой полярные молекулы воды. Положительные концы молекул воды притягиваются к отрицательно заряженным ионам хлорида, а отрицательный полюс молекулы воды притягиваются к положительным ионам натрия. В результате ионы гидратируются, и кристаллическая решетка растворяется в водном растворе. Именно это происходит, когда вы добавляете кристаллическую поваренную соль в стакан воды.

Видео ниже дает анимированное объяснение того, как соли, такие как NaCl, растворяются в воде.

Более сложные биологические молекулы

---

Сахарные молекулы

Вещество жизни удивительно разнообразно и сложно, но все это основано на комбинациях простых биологических молекул. Биологические молекулы часто состоят из цепочек и колец углерода. Эти молекулярные структуры могут быть представлены «рисунками палками», на которых изображены составляющие атомы (например, C, H, N, O для углерода, водорода, азота и кислорода соответственно), а связи между ними показаны штрихами.Одинарный тире (-) означает одинарную связь, а двойной тире (=) означает двойную связь.

Обратите внимание, что некоторые общие «группы» изображены без показа связей между ними. Например, гидроксильная группа (-OH) состоит из атома водорода, связанного с атомом кислорода:

Гидоксильная группа обычно связана с атомом углерода следующим образом:

И эта структура может быть обнаружена, например, как часть молекулы глюкозы, изображенной ниже.

Эта молекула сахарной глюкозы состоит из 6 атомов углерода, связанных вместе в цепь с дополнительными атомами кислорода и водорода. Обратите внимание, что предыдущая структура (углерод, с которым связаны два атома водорода и одна гидроксильная группа) расположена внизу этой цепи глюкозы, где она записана с использованием обозначения CH ₂ OH.

Эта цепь глюкозы образует кольцо в водных растворах, например, в жидкостях организма, как показано ниже.

Фруктоза — это еще один сахар, который также имеет 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода.Однако расположение атомов другое, и это делает его намного более сладким, чем глюкоза, а также влияет на его способность соединяться с другими молекулами.

Другой важной темой является то, что отдельные единицы биологических молекул (мономеров) могут соединяться, образуя все более сложные молекулы (полимеры). Например, два моносахаридных сахара также могут химически связываться вместе с образованием дисахарида. Сахароза — это дисахарид обычного сахара, который мы покупаем в продуктовом магазине.Ниже представлена ​​структура сахарозы.

Полисахариды: крахмал, гликоген и целлюлоза

Глюкоза и фруктоза являются примерами моносахаридов, что означает, что они состоят из одной сахарной единицы, в то время как сахароза является примером дисахарида. Однако сахарные звенья могут быть связаны или связаны вместе с образованием полисахаридов, которые состоят из множества сахаров, связанных вместе, чтобы образовать обширные цепи сахаров. Растения хранят энергию в виде крахмала, который состоит из очень длинных цепочек глюкозы, связанных вместе.

Источник: http://www.science-projects.com/Amylase.htm

Животные накапливают энергию в виде гликогена, который состоит из более разветвленных цепей глюкозы. В совокупности сахар, крахмал и гликоген известны как углеводы, и они являются важным источником клеточной энергии.

Источник: https://www. rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/glycogen.htm

Целлюлоза — это еще один полисахарид, образованный из глюкозы.Целлюлоза состоит из неразветвленных параллельных цепей глюкозы. Ключевой особенностью является то, что цепи соединяются друг с другом, образуя прочные волокна, которые служат структурным целям. У людей нет ферментов, необходимых для разрыва связей в целлюлозе, и любая целлюлоза, которую мы глотаем, проходит через нашу пищеварительную систему. Это основной компонент того, что мы называем диетической «клетчаткой».

Источник: http://www.intechopen.com/books/cellulose-fundamental-aspects/cellulose-microfibril-angle-in-wood-and-its-dynamic-mechanical-significance

---

Липиды — это семейство соединений, разнообразие которых также стало возможным благодаря построению сложных молекул из множества единиц более простых молекул, и мы снова видим характерные кольца и цепи.

Полярные и неполярные молекулы

Вы, вероятно, слышали выражение «масло и вода не смешиваются», и вы заметили, как заправка для салатов, состоящая из уксуса (который является водным, т. е. в основном вода) и масла, разделяется, когда его оставляют стоять. Эта несовместимость связана с тем, что молекулы воды полярны, а масло неполярно. Вода — полярная молекула, потому что отрицательно заряженные электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов, распределены неравномерно.Атом кислорода имеет гораздо большую массу, чем два атома водорода, и поэтому электроны проводят больше времени рядом с атомом кислорода. В результате конец молекулы воды, где расположен кислород, имеет относительно отрицательный заряд, тогда как конец с атомами водорода относительно положительно заряжен. Положительные концы молекулы воды притягиваются к отрицательным концам соседних молекул воды, как показано на рисунке ниже, и это позволяет молекулам воды объединяться. Вы также могли видеть капли воды на лобовом стекле автомобиля в результате этого явления.

Источник: http://www.personal.psu.edu/staff/m/b/mbt102/bisci4online/chemistry/chemistry3.htm

Липиды, т. Е. Жирные молекулы, с другой стороны, неполярны, что означает, что распределение заряда равномерно, и молекулы не имеют положительных и отрицательно заряженных концов. Неполярные молекулы плохо растворяются в полярных такие растворы, как вода; на самом деле полярные и неполярные молекулы имеют тенденцию отталкиваться друг от друга так же, как масло и вода не смешиваются и отделяются друг от друга, даже если их сильно встряхнуть в попытке смешать их.Это различие между полярными и неполярными молекулами имеет важные последствия для живых существ, которые состоят как из полярных, так и из неполярных молекул. Следующие разделы продемонстрируют важность этого.

Жирные кислоты

Жирные кислоты представляют собой цепочечные молекулы, которые являются важными компонентами нескольких типов липидов. На рисунках ниже показаны две разные молекулы жирных кислот. Каждый из них имеет характерную карбоксильную группу (-COOH), присоединенную к углеродной цепи с атомами водорода, присоединенными к углеродной цепи.Следует отметить две вещи. Во-первых, углеводородная цепь очень неполярна и поэтому плохо растворяется в воде. Однако углеводородные цепи легко связываются друг с другом. Во-вторых, обратите внимание, что из ненасыщенной жирной кислоты удалены два атома водорода, и это позволяет образовывать двойную связь, то есть более прочную связь между двумя атомами углерода. Также обратите внимание, что двойная связь имеет тенденцию вызывать изгиб или перегиб жирной кислоты. На рисунке справа показаны две другие распространенные жирные кислоты: стеариновая кислота, которая представляет собой прямую 18-углеродную цепь без двойных связей, и олеиновая кислота, которая представляет собой 18-углеродную цепь с одинарной двойной связью, которая вызывает изгиб углерода. цепь.

Триглицериды

Молекула жира — это тип липида, который состоит из трех молекул жирных кислот, связанных с трехуглеродным глицериновым остовом, как показано справа. Три жирные кислоты могут отличаться друг от друга. Поскольку углеводородные цепи очень неполярны, жиры не растворяются в воде; вместо этого молекулы жира имеют тенденцию сливаться друг с другом. Поскольку молекула жира состоит из 3 жирных кислот, связанных с молекулой глицерина, их также называют тригилцеридами.

Фосфолипиды

Фосфолипиды составляют еще один важный класс липидов. Они похожи на тригилцериды тем, что имеют глицериновую основу, но есть только две жирные кислоты, связанные с глицерином. Третий углерод глицеринового остова присоединен к фосфатной группе (атом фосфора, связанный с четырьмя атомами кислорода), а фосфатная группа присоединена к основной молекуле холина, серина или этаноламина.Часть фосфолипида с фосфатом и основанием на самом деле очень полярна и имеет тенденцию отворачиваться от двух жирных кислот. Это придает молекулам фосфолипидов форму шпильки. Головка шпильки очень полярна и поэтому любит ассоциироваться с водой (она гидрофильна), в то время как две цепи жирных кислот («хвосты») очень неполярны и, как правило, избегают воды (гидрофобны) и связываются с другими углеводородные цепи.

Фосфолипиды можно описать как amphipathic («amphi» означает «оба»), потому что они имеют двойную природу (частично полярную и частично неполярную). Эта характеристика вызывает самоассоциацию фосфолипидов в большие макромолекулярные комплексы в водной (водной) среде.

Холестерин

Холестерин также является важным компонентом мембран животных (мембраны растений имеют похожий, но отличный от других «стерин» в мембранах). Это липид, потому что он почти полностью состоит из углерода и водорода, но он отличается от жирных кислот, жиров и фосфолипидов тем, что расположен в виде ряда колец.Кольца состоят из 5 или 6 атомов углерода, связанных вместе. Атомы углерода на вершинах гексагонального и пентагонального колец имеют присоединенные к ним атомы водорода. Кольцеобразные структуры довольно жесткие, но есть еще углеводородный хвост, который несколько гибкий. Вся конструкция чем-то напоминает навороченного воздушного змея с хвостом.

Холестерин очень неполярен, за исключением гидроксильной группы, присоединенной к первому кольцу. Следовательно, в мембране животной клетки полярная гидроксильная группа прилипает к водной среде (внеклеточной или внутриклеточной воде), а остальная часть молекулы холестерина, которая неполярна, находится среди неполярных жирных кислотных хвостов. фосфолипиды.На изображении ниже изображен участок клеточной мембраны с водой снаружи и внутри. Полярные головные группы фосфолипидов представлены красным, а их неполярные жирнокислотные хвосты показаны зигзагообразными линиями, отходящими от полярной головной группы. Как мы видим более подробно, клеточные мембраны состоят из бислоя фосфолипидов с другими молекулами, вставленными в бислой. На этой иллюстрации показаны пять молекул холестерина (черные структуры с четырьмя соединенными кольцами), вставленные в липидный бислой.Большая часть молекулы холестерина неполярна и, следовательно, связана с неполярными жирнокислотными хвостами фосфолипидов. Однако гидроксильная группа (-ОН) холестерина несет отрицательный заряд и поэтому ассоциируется с полярным окружением воды либо внутри клетки, либо снаружи.

---

Клеточная мембрана — жидкая мозаика молекул

Если бы вы добавили в воду небольшое количество молекул фосфолипидов, они всплыли бы на поверхность и выровнялись бы так, чтобы полярные головные группы находились в воде, а хвосты неполярных жирных кислот выступали бы над поверхностью воды. и образуют маслянистую пленку.Если вы продолжите добавлять фосфолипиды, пленка в конечном итоге покроет всю поверхность.

Как только поверхность воды станет полностью насыщенной фосфолипидом, добавление еще большего количества фосфолипида приведет к образованию двойного слоя в воде (как показано слева), так как это будет наиболее термодинамически стабильная структура, позволяющая использовать все полярные головки фосфолипидов должны контактировать с водой, в то же время позволяя всем хвостам неполярных жирных кислот укрываться между собой в масляном слое, удаленном от воды.

При добавлении еще большего количества фосфолипидов к этому водному раствору фосфолипиды спонтанно образуют сферические бислои фосфолипидов, которые содержат воду внутри и снаружи, как показано на рисунке ниже.

Эта двухслойная структура фактически является базовой структурой клеточных мембран и многих внутренних структур (органелл) внутри клеток. Представьте клетку как трехмерный мешок, состоящий из бислоя молекул фосфолипидов.Вода находится внутри клетки и снаружи клетки, и полярные головки фосфолипидов выступают в воду (показаны синим цветом). Конечно, структура клеток намного сложнее. Клеточные мембраны содержат много белков и гликопротеинов, которые выполняют множество функций, например как сигнальные рецепторы и транспортные каналы для перемещения молекул внутрь и из клетки. Видео ниже дает представление о структуре и функции плазматической мембраны или клеточной мембраны и изображает ее как «жидкую мозаику».«

Источник: http://www.youtube.com/watch?v=owEgqrq51zY

Flash-анимация ниже дает более подробную информацию о функциях некоторых белков мембраны. Щелкните название каждого типа белка, чтобы просмотреть более подробную информацию. [Эта флэш-анимация из книги «Биология — единство и разнообразие жизни», 9-е издание, Сеси Старр и Ральф Таггарт, Brooks / Cole — Thomson Learning, 2001.]

---

Есть два типа нуклеиновых кислот, которые важны для живых существ.

• ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)
• РНК (рибонуклеиновая кислота)

Эти молекулы также представляют собой полимеры из более мелких звеньев, называемых нуклеотидами; каждый нуклеотид состоит из сахара (рибозы или дезоксирибозы), фосфатной группы и одного из нескольких «оснований», которые представляют собой пурины или пиримидины. Чередующиеся молекулы сахара и фосфатные группы связаны вместе, образуя основу нуклеиновой кислоты, а пуриновое или пиримидиновое основание связано с каждым из сахаров, как показано ниже.

Есть несколько различий между ДНК и РНК.

• ДНК содержит сахарную дезоксирибозу, а РНК содержит сахарную рибозу.
• ДНК состоит из двух нуклеотидных цепей, которые связаны друг с другом слабыми водородными связями между комплементарными парами оснований. Двойные нити сворачиваются в двойную спираль.
• Основания, обнаруженные в ДНК, ограничиваются аденином, цитозином, гуанином и тимином; РНК содержит аденин, цитозин и гуанин, но вместо тимина имеет другое основание, называемое урацилом.

Клетки живых организмов имеют хромосомы, которые содержат унаследованный код для синтеза всех белков, производимых организмом. По сути, каждая хромосома представляет собой гигантскую молекулу двухцепочечной ДНК, плотно скрученную в двойную спираль. Одна хромосома содержит тысячи генов, сегментов ДНК, которые кодируют определенные белки. В строго регулируемом процессе клеточные ферменты могут раскручивать определенный сегмент (ген), а другие ферменты перемещаются по гену, используя одну цепь ДНК в качестве матрицы для синтеза комплементарной цепи матричной РНК.Эта недавно синтезированная информационная РНК затем покинет ядро ​​клетки и переместится в цитоплазму клетки, где РНК, в свою очередь, будет использоваться в качестве матрицы для синтеза определенного белка.

Этот процесс станет яснее, когда мы рассмотрим его более подробно в другом онлайн-модуле. На данный момент видео ниже предоставляет обзор этого процесса, который будет полезен.

Обзор транскрипции и перевода

Эта короткая анимация с канала Discovery дает хороший обзор транскрипции и перевода. Транскрипция — это процесс, с помощью которого ген, сегмент ДНК, кодирующий определенный белок, служит шаблоном для синтеза информационной РНК (мРНК) для этого конкретного белка. Транскрипция происходит внутри ядра клетки, где расположена хромосомная ДНК. Затем мРНК покидает ядро ​​через специальные поры в мембране ядра. Как только мРНК выходит из ядра, она присоединяется к двухчастной структуре, называемой рибосомой, которая состоит из рибосомальной РНК (рРНК). Ферменты также присоединяются к рибосомному комплексу и помогают в процессе трансляции, в которой кодированная последовательность оснований на мРНК транслируется и направляет синтез цепочки аминокислот, которые являются строительными блоками белков.

Источник: http://youtu.be/1fiJupfbSpg

---

Белки — это еще один класс чрезвычайно разнообразных органических молекул, состоящих из множества единиц более простых молекул, расположенных в цепочки. Все белки состоят из комбинаций 20 аминокислот, показанных ниже. Как показано ниже, каждая из этих 20 аминокислот имеет центральный углерод (альфа-углерод), связанный с аминогруппой (-NH ₂ , т.е. азот, связанный с двумя атомами водорода) на одном конце и карбоксильную группу (-COOH) на одном конце. другой конец.

Источник: http://study.com/academy/lesson/threonine-amino-acid-structure-function.html

Что отличает одну аминокислоту от другой, так это боковая цепь атомов, которая также связана с альфа-углеродом (обозначенная справа «R-группа»).

Источник: http://quotesgram.com/amino-quotes/

Первичная структура белков является результатом соединения различных комбинаций этих 20 аминокислот пептидными связями, которые связывают карбоксильную группу одной аминокислоты с аминогруппой другой аминокислоты.

Источник: https://biochemistry3rst.wordpress.com/tag/proteins/

А теперь представьте, что десятки или даже сотни аминокислот связаны друг с другом в цепочки разной длины, чтобы создать первичную структуру белка. Белки иногда называют полипептидами, потому что они состоят из цепочек аминокислот, связанных вместе пептидными связями.

---

Цепи аминокислот определяют первичную структуру белка, но взаимодействия (как силы притяжения, так и силы отталкивания) между компонентами цепи преобразуют белок в его нитевидную трехмерную структуру.Эти силы притяжения и отталкивания между аминокислотами в цепи заставляют сегменты цепи принимать одну из нескольких характерных форм, которые обеспечивают вторичную структуру белка. Например, водород в аминогруппе одной аминокислоты может образовывать слабую «водородную связь» с атомом кислорода в карбоксильной группе другой аминокислоты в другом месте цепи. Водородная связь может вызывать формирование зигзагообразных участков полипептидной цепи, называемых «бета-листами» (которые, например, очень заметны в белковом волокне шелка), а также может вызывать скручивание участков полипептида в пробку. Винтовая структура называется «альфа-спиралью».«Другие участки полипептида могут называться« случайными спиралями », потому что они складываются, но не имеют правильной структурной формы.

Белки также имеют третичный уровень структуры в результате ионных, водородных или ковалентных связей между группами «-R» аминокислот. В результате альфа-спиральные сегменты, бета-гофрированные листы и случайные катушки складываются сами по себе. На складывание и размещение в ячейке также влияет полярность аминокислот.Некоторые аминокислоты имеют полярные боковые цепи, а другие — неполярные. Если некоторые участки цепи содержат в основном неполярные аминокислоты, в то время как другие участки содержат в основном полярные аминокислоты, неполярные участки будут самоассоциироваться внутри молекулы вдали от воды, и полярные участки будут выстроены на внешний вид молекулы.

Наконец, четвертичная структура относится к ассоциации двух или более полипептидных цепей или субъединиц в более крупный объект.Например, молекула гемоглобина (показана на (d) слева) состоит из двух альфа-субъединиц и двух бета-субъединиц; каждая из этих четырех полипептидных цепей имеет сайт связывания кислорода. Транспортные белки в клеточных мембранах также часто состоят из нескольких субъединиц.

Трехмерная структура белков неразрывно связана с их функцией. Более того, трехмерная форма белка (его конформация) может изменяться в зависимости от изменений в его локальном окружении, и это также может иметь отношение к его функции.В качестве иллюстрации рассмотрим функцию фермента, целью которого является отщепление фосфатных групп от молекулы, называемой циклическим АМФ. Фермент изображен на рисунке справа. Рисунки в левой части рисунка показывают сворачивание фермента в его четвертичную конформацию (свернутый белок), а рисунок справа — это крупный план сайта связывания, показывающий молекулу циклического АМФ (розовая заливка), расположенную в плечи места связывания. Химические группы циклического АМФ (субстрата) взаимодействуют с химическими группами фермента через ионные и водородные связи.Сайт связывания специфичен для циклического АМФ, который входит в сайт связывания белка во многом так же, как ключ входит в конкретный замок. Это взаимодействие затем вызывает изменение конформации фермента, и это изгибает циклический АМФ таким образом, чтобы облегчить расщепление фосфатной группы. Как только это происходит, два образующихся продукта высвобождаются, и фермент возвращается в свою конформацию покоя.

(Иллюстрация адаптирована из http: // accessexcellence.org / RC / VL / GG / ecb / protein_binding_site.php)

Трехмерная форма белков и эта концепция специфического сайта связывания важна не только для взаимодействия ферментов и их субстратов, но также и для рецепторов, которые специфическим образом связывают химические сигналы, например, рецептор протеина, внедренный в клеточная мембрана, которая имеет форму, комплементарную сигнальной молекуле гистаминового рецептора, как показано ниже. Связывание молекул гистамина с их соответствующими рецепторами вызывает изменение конформации рецептора проэина, которое запускает серию биохимических реакций внутри клетки, таких как сокращение гладкомышечных клеток в бронхах ребенка, страдающего приступом астмы.

Антитела, которые вырабатываются в ответ на инфекции, имеют сайты связывания, которые позволяют им связываться с дополнительными формами на чужеродных белках. На приведенной ниже иллюстрации показано антитело IgG синим цветом, состоящее из двух коротких полипептидных цепей и двух длинных цепей, которые удерживаются вместе дисульфидными связями (SS). Два идентичных сайта связывания на этом антителе имеют карманы связывания, которые позволяют им связываться в очень высокой степени. специфический способ дополнения форм на чужеродных молекулах (показано черным).Связывание с иностранными веществами может нейтрализовать их, а также пометить их, чтобы облегчить их удаление лейкоцитами.

В качестве последнего примера рассмотрим гормон инсулин, который связывается со специфическими карманами на рецепторах инсулина, встроенными в клеточные мембраны жировых и мышечных клеток. И снова связывание вызывает изменение конформации (формы) рецепторного белка, что запускает последовательность биохимических событий, которые приводят к встраиванию переносчиков глюкозы (трансмембранных транспортных белков) в плазматическую мембрану, как показано ниже.

Как вы увидите в следующем разделе, структура белков позволяет им выполнять широкий спектр функций.

---

Транспортировка кислорода

У каждого из нас есть десятки тысяч белков, которые выполняют множество функций, и каждый белок имеет уникальную трехмерную структуру, которая определяет его функцию. Например, гемоглобин — это белок, содержащийся в красных кровяных тельцах, который играет ключевую роль в транспорте кислорода; он имеет 4 субъединицы двух различных типов (2 альфа и 2 бета субъединицы).

из http://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/3_14d.jpg

Серповидноклеточная анемия Критическая взаимосвязь между структурой и функцией белка наглядно иллюстрируется серповидно-клеточной анемией, наследственным заболеванием, наблюдаемым у людей, чьи предки были выходцами из Африки, Ближнего Востока, Средиземноморья или Индии. В США около 4 из 1000 афроамериканцев страдают серповидно-клеточной анемией (около 80 000 человек), и около 10% несут серповидно-клеточную анемию. Люди с серповидно-клеточной анемией — аномальный тип гемоглобина, называемый гемоглобином S (вместо нормального гемоглобина A). Гемоглобин S отличается от гемоглобина A тем, что аминокислота валин находится в положении номер 6 в бета-цепи вместо глутамата аминокислоты. В отличие от глутамата, боковая цепь валина неполярна и создает липкое пятно на внешней стороне каждой из бета-цепей. В другом месте гемоглобина есть дополнительное липкое пятно, но оно замаскировано, пока молекулы гемоглобина связаны с кислородом.Однако, если большое количество молекул гемоглобина деоксигенируется, липкие участки, созданные аномальными валинами, начинают связываться с дополнительным липким участком на других молекулах гемоглобина. При этом образуются длинные агрегаты гемоглобина, которые искажают эритроцит и придают ему характерную серповидную форму. Это вызывает агрегацию эритроцитов и снижает их способность циркулировать по мелким кровеносным сосудам (артериолам и капиллярам), а также делает их хрупкими, сокращая продолжительность их жизни и приводя к анемии. Острые обострения, называемые «серповидно-клеточными кризами», иногда возникают из-за деоксигенации гемоглобина, например, после тяжелых физических нагрузок или инфекций. Серп может быть очень обширным и приводить к недостаточному притоку крови к органам с сильной болью и такими осложнениями, как инсульт, повреждение почек и проблемы с дыханием.

Белки как ферменты

Некоторые белки действуют как ферменты, то есть белки, катализирующие определенные биохимические реакции.Ферменты облегчают биохимические реакции и значительно ускоряют их, делая их в миллион раз быстрее. Существуют тысячи ферментов, и каждый из них способствует определенной биохимической реакции. Другими словами, данный фермент действует только на определенные молекулы реагента (субстраты), чтобы произвести определенный конечный продукт или продукты. На приведенной ниже диаграмме показано ферментативное расщепление дисахарида лактозы (субстрата) на моносахариды галактозу и глюкозу.

Источник: http: // www.indiana.edu/~ensiweb/lessons/tp.milk3.html

Трехмерная форма фермента будет включать в себя очень специфический сайт связывания, в который субстрат будет вписываться очень точно, почти так же, как ключ подходит к определенному замку.

После связывания субстрата фермент расщепляет субстрат, и продукты высвобождаются. В то время как этот рисунок иллюстрирует расщепление субстрата, многие ферменты синтезируют новые биохимические вещества, связывая два субстрата вместе с образованием нового продукта.В конкретной клетке могут быть тысячи различных ферментов, катализирующих множество различных реакций.

Короткое видео ниже иллюстрирует основы работы фермента.

Источники: http://youtu.be/V4OPO6JQLOE

Биохимические реакции могут потребовать целой серии стадий, каждая из которых катализируется отдельным ферментом. Хорошим примером является серия реакций, посредством которых глюкоза метаболизируется с образованием клеточной энергии в форме АТФ (аденозинтрифосфата).

• Сначала идет серия реакций, которые превращают глюкозу в две молекулы пирувата, как показано ниже. Эти реакции называются «гликолизом» или анаэробным метаболизмом (поскольку они не требуют кислорода). В результате этих реакций происходит чистое производство небольшого количества АТФ.
• Затем пируват входит в цикл лимонной кислоты (также известный как цикл Креба или цикл трикарбоновой кислоты). Последующий метаболизм пирувата генерирует даже больше чистого АТФ, чем гликолиз, в результате реакции, проиллюстрированной ниже.Желтым цветом выделены шаги, которые в конечном итоге приводят к генерации АТФ в митохондриях клетки.

Эти реакции показаны на рисунке ниже.

Источник: http://chemwiki.ucdavis.edu/Core/Biological_Chemistry/Metabolism/Kreb’s_Cycle

Лизоцим — защитный фермент

На рисунке справа показан белковый лизоцим (красные, белые, синие и серые аминокислоты), который является важным защитным ферментом, обнаруженным в слезах, слюне и слизи. Функция лизоцима заключается в расщеплении полисахаридов (сахарных полимеров), которые являются компонентами стенок бактериальных клеток. Первоначально лизоцим синтезируется как одна длинная полипептидная цепь, но он сворачивается характерным образом, образуя глобулярный белок с характерным карманом. Бактериальный полисахарид (показан зеленым) связывается с лизоцимом, потому что он точно помещается в карман так же, как ключ вставляется в замок. Как только происходит это специфическое связывание, лизоцим разрушает бактериальный полисахарид, расщепляя его на части.

Антитела — это белки

Антитела — это защитные белки, которые имеют сайты связывания, трехмерная структура которых позволяет им идентифицировать очень специфические чужеродные молекулы и связываться с ними. Связываясь с чужеродными белками, они могут помочь нейтрализовать их и пометить их, облегчая их поглощение и удаление защитными клетками. Антитела IgG имеют четвертичную структуру с четырьмя субъединицами, двумя «легкими цепями» и двумя «тяжелыми цепями». Цепи связаны друг с другом дисульфидными мостиками, показанными справа как связи «-S-S-».После рождения каждый B-лимфоцит может вырабатывать антитела только к одной конкретной чужеродной форме. Часть антигена, которая специфически распознается антителом, называется «эпитопом». По сути, эпитоп — это определенная часть антигена, которая имеет отличительную молекулярную форму, которая соответствует сайту связывания белка на антителе.

Посмотрите короткое видео ниже, чтобы увидеть иллюстрацию действия антител. В начале видео показаны красные и белые кровяные тельца, протекающие по кровеносному сосуду.Следующие объекты в форме картофеля представляют вирусы, которые начинают связываться с рецепторами клетки. Зеленые Y-образные объекты представляют собой антитела, которые связываются с вирусом. Наконец, структура, подобная Медузе, представляет собой лейкоцит, который поглощает меченный антителами вирус и уничтожает его.

Структурные белки

Есть также структурные белки, которые часто бывают длинными и волокнистыми, такие как шелк, кератин в волосах и коллаген в сухожилиях и связках.

Источник: http://www.sdsc.edu/ScienceAlive/reel6/collagen.gif

Сократительные белки

Существуют сократительные белки, такие как актин и миозин, которые обеспечивают движение в мышцах и движение внутри отдельных клеток.

Источник: http://www.bmb.psu.edu/courses/bisci004a/muscle/musc-img/myofibril.jpg

Сигнальные белки

Есть сигнальные белки, такие как гормон инсулин, который состоит из двух полипептидных цепей, связанных вместе дисульфидными (двумя серными) мостиками.

Рецептор инсулина (белок распознавания) встроен в клеточные мембраны мышечных, жировых клеток и некоторых типов других клеток. Его функция состоит в том, чтобы облегчить поглощение глюкозы из кровотока через специальные белки, транспортирующие глюкозу, которые обычно присутствуют внутри клетки в неактивной форме. Например, в мышечных клетках переносчик глюкозы называется «GLUT4». Когда молекула инсулина связывается с альфа-субъединицами рецептора, она запускает цепную реакцию в цитозоле (внутри клетки), которая активирует GLUT4 и заставляет его перемещаться и вставляться в клеточную мембрану.

См. Http://arbl.cvmbs.colostate.edu/hbooks/pathphys/endocrine/pancreas/insulin_phys.html для Flash-модели действия инсулина.

Транспортировка через клеточную мембрану

За исключением простой диффузии, белки также необходимы для перемещения поляризованных или заряженных молекул и больших молекул через клеточные мембраны.

Простая диффузия

Небольшие молекулы, такие как кислород и углекислый газ, могут диффундировать через липидный бислой клеточной мембраны.Направление движения зависит от градиента концентрации. Вещества с более высокой концентрацией внутри ячейки (например, CO ₂ ) будут диффундировать из ячейки в сторону с более низкой концентрацией. Вещества с более высокой концентрацией вне клетки (например, O ₂ ) будут диффундировать внутрь клетки, то есть вниз по градиенту концентрации.

Однако многие другие молекулы не могут пересекать клеточные мембраны путем простой диффузии и требуют специальных механизмов для движения через мембраны.Различные транспортные белки, часто агрегаты белковых субъединиц, обеспечивают способ транспортировки заряженных молекул и больших молекул с помощью одного из двух механизмов:

Облегченный транспорт

Полярные молекулы и заряженные ионы не могут пересекать липидный бислой; их транзит зависит от специальных транспортных каналов, созданных белками, встроенными в клеточную мембрану. Облегченный транспорт пассивен в том смысле, что не требует затрат клеточной энергии, и, как и при простой диффузии, движение молекул происходит вниз по градиенту концентрации от высокой до низкой.Для каждого вещества, транспортируемого этим механизмом, существуют определенные белки, и этот транзит может регулироваться клеткой. Таким образом транспортируются такие молекулы, как глюкоза и аминокислоты. Они будут связываться со своим белком-носителем / транспортером, и связывание вызывает изменение формы носителя, который перемещает молекулу через мембрану. Как только молекула высвобождается, носитель возвращается к своей исходной форме (конформации).

Активный транспорт

Активный транспорт также зависит от трансмембранных транспортных белков, но этот процесс способен транспортировать вещества против градиента концентрации, а это означает, что даже если концентрация, скажем, ионов калия внутри клетки выше, чем снаружи, больше калия может транспортироваться в клетку. клетка.Это потому, что расходуется клеточная энергия (АТФ).

Таким образом, белки играют важную роль в функционировании клетки. Многие из них встроены в клеточные мембраны или охватывают весь липидный бислой, где они играют важную роль в распознавании, передаче сигналов и транспорте.

---

Перспектива размера

Ангстрем — одна десятимиллионная миллиметра, или 1 × 10 ⁻¹⁰ метра. Иллюстрация ниже дает представление об относительном масштабе некоторых биологических структур, рассмотренных выше.

Расстояние между двумя атомами углерода в цепи жирной кислоты немногим больше одного ангстрем. Молекула глюкозы составляет около 9 ангстрем. Бактерии составляют десятки тысяч ангстрем. По приблизительным оценкам, типичная человеческая клетка может составлять примерно 1/100 ^– миллиметра, что составляет примерно 1/10 ^– ширины человеческого волоса. Чтобы получить интригующее представление о размерах вещей, от самых маленьких до самых больших объектов во вселенной, взгляните на http: // htwins.net / scale2 /.

Несмотря на микроскопические размеры, в клетках постоянно происходит много процессов. На диаграммах и микрофотографиях клетки изображены как жесткие, статические мешочки, застывшие во времени, но если бы мы могли каким-то образом совершить путешествие внутри клетки, мы были бы поражены красотой, сложностью и невероятной активностью. Вы можете получить хотя бы представление о внутренней жизни клетки, посмотрев анимационный фильм Гарвардского университета «Внутренняя жизнь клетки» (полный текст с повествованием), демонстрирующий активацию лейкоцитов при воспалении.Некоторые термины, использованные в видео, будут вам чужды, но видео дает великолепное представление о внутренней работе клеток и показывает, что клетки являются динамическими структурами, в которых постоянно происходят многие процессы.

Сила полимеров

Одна из фундаментальных концепций биологии состоит в том, что простые молекулярные структуры (мономеры) могут быть связаны вместе, образуя все более сложные структуры. Например, мономеры сахаров, такие как глюкоза и фруктоза, могут быть связаны вместе с образованием очень крупных полисахаридов, таких как крахмал и гликоген.Аминокислоты могут быть связаны вместе с образованием полипептидов (белков). Нуклеотиды могут быть связаны вместе с образованием ДНК и РНК.

Помимо связывания молекул вместе с образованием длинных цепей, многие молекулы будут самоорганизовываться в соответствующих условиях с образованием все более сложных молекулярных агрегатов, таких как мембраны или липопротеины. А биологические мембраны могут обеспечивать структуру внутриклеточных органелл, которые могут выполнять специализированные и сложные функции. Например, микротрубочки представляют собой полые цилиндры, которые обеспечивают внутренний каркас для эукариотических клеток, а также обеспечивают дорожки, по которым связанные с мембраной материалы или органеллы могут транспортироваться с места на место внутри клетки.Например, сеть микротрубочек соединяет аппарат Гольджи с плазматической мембраной, чтобы направлять секреторные везикулы для экспорта или для встраивания в плазматическую мембрану. Движению этих связанных с мембраной «пакетов» по ​​микротрубочкам способствуют моторные белки (носители), которые перемещаются по микротрубочкам, изменяя их трехмерную конформацию. В основе этого процесса лежит аденозинтрифосфат ( ATP ). На каждом «шаге» моторная молекула освобождает одну часть микротрубочки и захватывает второй участок, расположенный дальше по длине нити.

Эти микротрубочки представляют собой полимеров , состоящих из субъединиц белка, называемого тубулин . Каждая субъединица микротрубочек состоит из двух немного разных, но тесно связанных более простых единиц, называемых альфа -тубулин (показан на рисунке ниже желтыми шариками) и бета -тубулином (показан зелеными шариками). В соответствующих условиях эти субъединицы агрегируют или самоорганизуются определенным образом, что быстро формирует микротрубочки.И наоборот, эти микротрубочки также могут быстро дезагрегироваться.

Источник: https://micro.magnet.fsu.edu/cells/microtubules/microtubules.html

Видео ниже представляет собой выступление на TED, в котором аниматор Дэвид Болински описывает сотрудничество между аниматорами и биологами из Гарвардского университета, в ходе которого можно получить представление о красоте и сложности эукариотических клеток. Обратите внимание, что явление сборки мономеров в сложные и высокофункциональные макромолекулярные полимеры проиллюстрировано в нескольких местах.

Продолжительность выступления 9:49. Переместите видео на 3:24, чтобы пропустить вводное описание. Настоящее действие начинается примерно в 6:50. В этом нет ничего, что нужно запоминать. Просто оцените сложность и красоту клеток.

В следующем видео ниже представлен базовый обзор клеточной структуры и функции (6:00 мин.), А во втором — краткое описание структуры и функции органелл в эукариотической клетке (4:46 мин.).

Высшие уровни организации

Видно, что клетки — самая маленькая единица, отвечающая критериям жизни, — очень сложны. Тем не менее, эта сложность возникает из-за того, что простые молекулы соединяются вместе, образуя множество все более разнообразных и сложных структур, которые, в свою очередь, обеспечивают основу для еще более высокого уровня организации и сложности путем сборки в макромолекулярные комплексы, такие как мембраны, органеллы, микротрубочки и липопротеины.Затем на клеточном уровне можно представить себе агрегацию клеток с образованием тканей, которые становятся основой органов и даже систем органов в невероятно разнообразном множестве многоклеточных организмов.

По материалам: http://www.theorganicstartupbook.com/2012/07/07/evolutionary-levels-sublevels-4-of-5/

BIOdotEDU

Кислород электроотрицательный Молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентными связями с одним и тем же атомом кислорода.Атомы кислорода электроотрицательны и притягивают общие электроны своими ковалентными связями. Следовательно, электроны в молекуле воды проводят немного больше времени вокруг атомного центра кислорода и меньше времени вокруг атомных центров водорода. Следовательно, ковалентные связи полярны, а атомы кислорода имеют небольшой отрицательный заряд (из-за наличия дополнительной доли электронов), в то время как атомы водорода слегка положительны (из-за дополнительных ненейтрализованных протонов). Водородные связи Противоположные заряды притягивают друг друга.Небольшие положительные заряды на атомах водорода в молекуле воды притягивают небольшие отрицательные заряды на атомах кислорода других молекул воды. Эта крошечная сила притяжения называется водородной связью , . Эта связь очень слабая. Водородные связи легко образуются, когда две молекулы воды сближаются, но легко разрываются, когда молекулы воды снова расходятся. Они составляют лишь небольшую часть силы ковалентной связи, но их много, и они придают некоторые очень особенные свойства веществу, которое мы называем водой. Вода — жидкость при комнатной температуре Более трех четвертей планеты Земля покрыто водой. Жизнь, вероятно, зародилась в такой жидкой среде, и вода является основным компонентом живых существ (люди на 60 процентов состоят из воды). При комнатной температуре (от нуля до 100 градусов по Цельсию) вода находится в жидком состоянии.Это происходит из-за крошечных слабых водородных связей, которые миллиардами удерживают молекулы воды вместе в течение небольших долей секунды. Молекулы воды постоянно находятся в движении. Если они двигаются достаточно быстро, они превращаются в газ. Газ — это физическое состояние вещества, в котором молекулы находятся далеко друг от друга и движутся очень быстро. Но из-за водородных связей, когда молекулы воды собираются вместе, они прилипают друг к другу на небольшой, но значительный промежуток времени. Это замедляет их и прижимает ближе друг к другу.Они становятся жидкостью; другое состояние вещества, в котором молекулы ближе и медленнее, чем в газе. Молекулярная вода, следовательно, является жидкостью при комнатной температуре, и этот факт чрезвычайно важен для всех живых существ на этой планете. Вода — универсальный растворитель Все растворяется в воде.Камень, железо, кастрюли, сковороды, тарелки, сахар, соль и кофейные зерна растворяются в воде. Растворяющиеся вещества называются растворенными веществами , а жидкость, в которой они растворяются, называется растворителем . Сильнополярные вещества (вещи с положительным и / или отрицательным зарядом) легко притягивают молекулы воды. Молекулы воды окружают заряженное растворенное вещество; положительные атомы водорода, близкие к отрицательным зарядам, и отрицательные атомы кислорода, близкие к положительным зарядам молекулы растворенного вещества.Все это взаимодействие задерживает молекулу растворенного вещества в море молекул воды; он легко диспергируется и растворяется. Неравное распределение Электроны в связях между идентичными атомами (H-H) распределяются равномерно, поэтому электроны проводят равное количество времени вокруг каждого атомного центра. Эти ковалентные связи неполярные .Электроны разделены между непохожими атомами не делятся поровну, один атом получает больше обычных электронов и, таким образом, имеет слегка отрицательный заряд. Остальные атомы получают меньше, чем полную долю электронов, и поэтому заряжены слегка положительно. Вещества, которые легко и быстро растворяются в воде (сахар, соль и т. Д.), Называются водолюбивыми или гидрофильными веществами. С другой стороны, некоторые растворенные вещества неполярны и не имеют положительных или отрицательных зарядов.Молекулы воды не притягиваются к этим типам молекул (а иногда даже отталкиваются ими). Хотя крошечные количества этих веществ (пластик, масло и т. Д.) Растворяются и растворяются в воде, большинство их молекул просто образуют границу, когда вступают в контакт с водой, и остаются отдельными объектами. Вещества, которые плохо растворяются в воде, называются водобоязненными или гидрофобными веществами. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт