بناء رابطة الهيدروجين سوف نحلل معك مثالا التفاعلات جزيئات الماء فيما بينها.

جزيء الماء ثنائي القطب... هذا لأن الذرة هيدروجينالمرتبطة أكثر كهربية جزء الأكسجينبعد الخبرة عيب الإلكترونات وبالتالي قادرة للتفاعل مع ذرة أكسجين من جزيء ماء آخر.

كنتيجة ل التفاعلات ينشأ رابطة الهيدروجين (الشكل: 2.1):

2.1. آلية تكوين الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء

هذا ما يفسره ذرة الهيدروجينالمرتبطة أكثر كهربية عنصر له زوج إلكترون غير مشترك (نيتروجين ، أكسجين ، فلور ، إلخ) ، الخبرات عيب الإلكترونات وبالتالي فهي قادرة على التفاعل معها غير مشترك زوج من الإلكترونات ذرة كهربية أخرى هذه أو آخر الجزيئات.

ينتج عن هذا أيضًا هيدروجين الإتصال، وهو مبين بيانيا ثلاث نقاط (الشكل):

الشكل: 2.2. آلية تكوين رابطة هيدروجينية بين البروتون (Н . δ + ) والمزيد من ذرات الكبريت الكهربية (:س δ - ) ، الأكسجين (:ا δ - ) والنيتروجين (:ن δ - )

هذا الاتصال بشكل كبير أضعف روابط كيميائية أخرى ( الطاقة تعليمها 10-40 كيلوجول / مول) ، ويتم تحديده بشكل أساسي من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية والمتبرع بها.

يمكن أن تكون رابطة الهيدروجين مثل ضمجزيئي عامل ضمن الجزيئو بين الجزيئات.

2.1.4. التفاعلات الطاردة للماء

قبل النظر في الطبيعة التفاعل مسعور، من الضروري تقديم مفهوم " محبة للماء " و " نافرة من الماء " وظيفي مجموعات.

تسمى المجموعات التي يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء محبة للماء.

تشمل هذه المجموعات قطبي مجموعات: مجموعة امينو (-نيو هامبشاير 2 ) , الكربوكسيل(- COOH), مجموعة الكاربونيال(- CHO) و سلفهيدريل مجموعة ( - SH).

عادة، محبة للماء اتصالات جيدة قابل للذوبان في الماء. !!! هذا يرجع إلى حقيقة أن المجموعات القطبية قادرة على تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء .

ظهور ويرافق هذه الروابط إطلاق الطاقة، لذلك ، هناك ميل إلى تعظيم سطح التلامس المجموعات المشحونة والمياه ( الشكل: 2.3):

الشكل: 2.3 آلية تكوين التفاعلات الكارهة للماء والماء

تسمى الجزيئات أو أجزاء الجزيئات غير القادرة على تكوين روابط هيدروجينية بالماء مجموعات كارهة للماء.

تشمل هذه المجموعات ألكيل و عطري الراديكاليين الغير قطبي و لا تحمل الشحنة الكهربائية.

مجموعات كارهة للماء – بشكل سيئ أو لا على الاطلاق قابل للذوبان في الماء.

هذا ما يفسره ذرات و مجموعات الذراتمتضمن في نافرة من الماء المجموعات محايد كهربائياوبالتالي) لا تستطيع شكل روابط هيدروجينية مع الماء.

!!! تنتج التفاعلات الكارهة للماء من التلامس بين الجذور غير القطبية غير القادرة على كسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

كنتيجة ل جزيئات الماء النازحين سطح - المظهر الخارجي جزيئات محبة للماء ( الشكل: 2.3).

2.1.5. تفاعلات فان دير فال.

في الجزيئات ، هناك أيضًا جدًا قوى جاذبة ضعيفة وقصيرة المدى بين الذرات المحايدة كهربائيًا والمجموعات الوظيفية.

هذه هي ما يسمى ب تفاعلات فان دير فال.

هم مستحقون التفاعل الكهروستاتيكي بين الإلكترونات سالبة الشحنة واحد ذرة ونواة موجبة الشحنة آخر ذرة.

منذ نوى الذرات محمي خاصة بهم الإلكترونات من نوى الذرات المجاورة ، ثم تنشأ بين الذرات المختلفة فان دير فال التفاعلات للغاية صغير.

كل هذه أنواع التفاعلات شارك في التشكيلة, المحافظة و استقرار الهيكل المكاني ( المطابقة) جزيئات البروتين ( الشكل: 2.4):

الشكل: 2.4 آلية التكوين روابط تساهمية والتفاعلات غير التساهمية الضعيفة:1 - التفاعلات الكهروستاتيكية ؛2 - روابط هيدروجينية3 - التفاعلات الطاردة للماء،4 - روابط ثاني كبريتيد

القوى التي تساهم تشكيل التركيب المكاني للبروتينات وإبقائها في حالة مستقرةضعيفة جدا القوات... طاقة هذه القوى مستمرة 2-3 أقل من طاقة الروابط التساهمية. يتصرفون بين الذرات الفردية ومجموعات الذرات.

ومع ذلك ، فإن العدد الهائل من الذرات في جزيئات البوليمرات الحيوية (البروتينات) يؤدي إلى حقيقة أن الطاقة الإجمالية لهذه التفاعلات الضعيفة تصبح قابلة للمقارنة مع طاقة الروابط التساهمية.

ترتبط جزيئات الماء بروابط هيدروجينية ، والمسافة بين ذرات الأكسجين والهيدروجين هي 96 م ، وبين اثنين من الهيدروجين - 150 م. في الحالة الصلبة ، تشارك ذرة الأكسجين في تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء المجاورة. في هذه الحالة ، جزيئات H 2 O الفردية على اتصال مع بعضها البعض مع أقطاب متقابلة. وهكذا تتشكل الطبقات التي يرتبط فيها كل جزيء بثلاثة جزيئات من طبقته وواحدة من الجزيئات المجاورة. ونتيجة لذلك ، يتكون التركيب البلوري للجليد من "أنابيب" سداسية الشكل مترابطة مثل قرص العسل.

وفقًا لمحاكاة الكمبيوتر ، عند قطر أنبوب يبلغ 1.35 نانومتر وضغط 40.000 من الغلاف الجوي ، فإن الروابط الهيدروجينية ملتوية ، مما يؤدي إلى تكوين حلزون مزدوج الجدران. يتكون الجدار الداخلي لهذا الهيكل من أربعة حلزون ، ويتكون الجدار الخارجي من أربعة حلزونات مزدوجة ، تشبه بنية جزيء الحمض النووي.

تترك الحقيقة الأخيرة بصمة ليس فقط على تطور أفكارنا حول الماء ، ولكن أيضًا على تطور الحياة المبكرة وجزيء الحمض النووي نفسه. إذا افترضنا أنه في عصر نشأة الحياة ، كانت صخور الطين الكريوليت على شكل أنابيب نانوية ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه - هل يمكن أن يكون الماء الممتص فيها بمثابة أساس هيكلي - مصفوفة لتخليق الحمض النووي وقراءة المعلومات؟ ربما هذا هو السبب في أن التركيب الحلزوني للحمض النووي يكرر التركيب الحلزوني للماء في الأنابيب النانوية. وفقًا لمجلة New Scientist ، يتعين على زملائنا الأجانب الآن تأكيد وجود مثل هذه الجزيئات المائية في ظروف تجريبية حقيقية باستخدام التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والتحليل الطيفي للتشتت النيوتروني.

تم إجراء مثل هذه الدراسات على بلورات الجليد النانوية في عام 2007 بواسطة Mikaelides من مركز تقنية النانو في لندن و Morgenstern من الجامعة. لايبنيز في هانوفر (الشكل 36). قاموا بتبريد بخار الماء فوق سطح صفيحة معدنية عند درجة حرارة 5 درجات كلفن. بعد فترة وجيزة ، باستخدام مجهر المسح النفقي ، لوحظ وجود سداسي (ستة جزيئات ماء مترابطة) ، أصغر ندفة ثلجية على اللوحة. هذا هو أصغر تجمع جليدي ممكن. لاحظ العلماء أيضًا مجموعات تحتوي على سبعة وثمانية وتسعة جزيئات.

أرز . 36. تم الحصول على صورة سداسية الماء باستخدام مجهر مسح نفقي ويبلغ قطرها حوالي 1 نانومتر. صور مركز لندن لتقنية النانو

يعد تطوير التكنولوجيا التي جعلت من الممكن الحصول على صورة لسداسي الماء إنجازًا علميًا مهمًا في حد ذاته. للمراقبة ، كان من الضروري تقليل تيار المسبار إلى الحد الأدنى ، مما جعل من الممكن حماية الروابط الضعيفة بين جزيئات الماء الفردية من التدمير بسبب عملية المراقبة. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام المناهج النظرية لميكانيكا الكم في العمل. لقد حقق النهج المتكامل نتائج مبهرة.

على عكس الجليد البلوري، حيث تكون طاقة الربط هي نفسها بين جميع جزيئات الماء ، في العناقيد النانوية هناك تناوب بين الروابط القوية والضعيفة (والمسافات المقابلة) بين الجزيئات الفردية. كما تم الحصول على نتائج مهمة حول قدرة جزيئات الماء على توزيع الروابط الهيدروجينية وربطها بالسطح المعدني.

أثبتت تحليلات أوبارين النظرية وتجارب ميلر وفوكس وغيرهما بلا منازع أن الجزيئات العضوية من الجزيئات غير العضوية يمكن أن تتشكل في الطبيعة. المصدر الرئيسي للطاقة في تجاربهم هو الحرارة. في الطبيعة ، هذا هو الإشعاع الشمسي وطاقة الصهارة. استنتاج آخر مهم للغاية هو أن أصل الحياة يمكن أن يحدث في بيئة قلوية. في جميع الحالات ، يتم ملاحظة التنظيم الذاتي للأحياء.

في القرن التاسع عشر. لفت باستور الانتباه إلى حقيقة أن الجزيئات في الطبيعة غير الحية متماثلة. وفي الطبيعة الحية ، هناك عدم تناسق مرآة للجزيئات. تتكون البروتينات من الأحماض الأمينية المتصاعدة. يتم تحديد هذه الخاصية من خلال دوران جزيء مستوى استقطاب الضوء. كيف نفسر هذه الظاهرة؟

من الممكن أن يكون وجود عدم التناسق في الجزيئات العضوية قد تجلى عندما كان النظام المفتوح ، الذي سبق المحيط الحيوي ، في حالة حرجة للغاية من عدم التوازن.

لقد حدث انتقال تطوري مفاجئ ، وهو سمة مميزة للتنظيم الذاتي. مثال على هذه الحالة هو التجارب حيث تشبه جزيئات الماء الحمض النووي في الأنابيب النانوية. يمكن أن يحدث الانتقال من الجزيئات المتماثلة ذات الطبيعة غير الحية إلى الجزيئات الحيوية غير المتماثلة للطبيعة الحية في المرحلة الأولى من التطور الكيميائي ، مثل التنظيم الذاتي للمادة. أ. أثبت أنتونوف أن الماء هو أيضًا نظام مفتوح ويتبادل الطاقة والمواد مع البيئة (الأستاذ أنتونوف ، 1992).

يتم ملاحظة مثل هذه الظروف القاسية أثناء النشاط البركاني ، التصريفات في الغلاف الجوي للأرض الفتية. تتفاعل المياه المعدنية مع كربونات الكالسيوم ، وكذلك مياه البحر ، وهي طيف مناسب للحفاظ على الهياكل ذاتية التنظيم. يخلق تأثير Kirlian في ظروف المختبر تفريغًا انتقائيًا يسمح لك بمراقبة انبعاث الضوء بواسطة الذرات أو الجزيئات. تخلق تجارب ميلر أيضًا ظروفًا قاسية غير متوازنة مع تفريغ الغاز.

هالة كيرليان - لوحظ توهج التفريغ البلازمي على سطح الأشياء في مجال كهربائي متناوب بتردد عالٍ يتراوح بين 10 و 100 كيلو هرتز ، حيث ينشأ التوتر السطحي بين القطب والكائن قيد الدراسة من 5 إلى 30 كيلو فولت. يُلاحظ تأثير Kirlian مثل البرق أو التفريغ الساكن على أي كائنات بيولوجية وعضوية ، وكذلك على عينات غير عضوية ذات طبيعة مختلفة.

لتصور هالة Kirlian ، يتم تطبيق جهد متناوب عالي بتردد عالٍ على القطب - من 1 إلى 40 كيلوفولت عند 200-15000 هرتز. الكائن نفسه بمثابة القطب الآخر. يتم فصل كلا القطبين بواسطة عازل وطبقة رقيقة من الهواء ، حيث تخضع جزيئاتها للانفصال تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي بين القطب والجسم. في هذه الطبقة من الهواء ، الواقعة بين الجسم والقطب الكهربي ، تحدث ثلاث عمليات.

العملية الأولى هي تأين وتشكيل النيتروجين الذري.

العملية الثانية هي تأين جزيئات الهواء وتشكيل تيار أيوني - تفريغ إكليلي بين الجسم والقطب. شكل تاج الوهج وكثافته وما إلى ذلك. يتم تحديدها بواسطة الإشعاع الكهرومغناطيسي للجسم.

العملية الثالثة هي انتقال الإلكترونات من مستويات طاقة أقل إلى مستويات طاقة أعلى والعكس صحيح. مع هذا الانتقال للإلكترونات ، ينبعث كمية من الضوء. يعتمد حجم انتقال الإلكترون على المجال الكهرومغناطيسي الجوهري للكائن قيد الدراسة. لذلك ، في نقاط مختلفة من المجال المحيط بالجسم ، تتلقى الإلكترونات نبضات مختلفة ، أي القفز إلى مستويات مختلفة من الطاقة ، مما يؤدي إلى انبعاث كمات ضوئية ذات أطوال وطاقات مختلفة. يتم تسجيل هذا الأخير بالعين البشرية أو بالورق الفوتوغرافي الملون على هيئة ألوان مختلفة ، والتي ، حسب الكائن ، يمكن أن تلون التاج المتوهج بألوان مختلفة. تعطي هذه العمليات الثلاث في مجملها صورة عامة لتأثير كيرليان ، والذي يسمح لك بدراسة المجال الكهرومغناطيسي لجسم ما. وهكذا يرتبط تأثير كيرليان بالهالة الكهربائية الحيوية لجسم حي.

يؤدي وجود أزواج وحيدة من ذرات الأكسجين وذرات الهيدروجين موجبة الشحنة في جزيئات H 2 O إلى تفاعل خاص جدًا بين الجزيئات ، يُسمى HYDROGEN BOND (انظر الشكل). على عكس كل الأنواع المألوفة لدينا بالفعل رابطة كيميائية هذه الرابطة بين الجزيئات.

تنشأ الرابطة الهيدروجينية (في الشكل يُشار إليها بخط منقط) من تفاعل ذرة هيدروجين مستنفدة للإلكترون لجزيء ماء مع زوج إلكترون وحيد من ذرة أكسجين لجزيء ماء آخر.

الرابطة الهيدروجينية حالة خاصة روابط بين الجزيئات... يعتقد أن سببها الرئيسي هو القوى الكهروستاتيكية. لحدوث رابطة هيدروجينية ، من الضروري أن يحتوي الجزيء على ذرة هيدروجين واحدة أو أكثر مرتبطة بذرات صغيرة ولكنها كهربية ، على سبيل المثال: O ، N ، F. من المهم أن تكون هذه الذرات الكهربية وحيدة أزواج إلكترونية... لذلك ، تعتبر روابط الهيدروجين مميزة لمواد مثل الماء H 2 O ، الأمونيا NH 3 ، فلوريد الهيدروجين HF. على سبيل المثال ، جزيئات HF مرتبطة بروابط هيدروجينية ، والتي تظهر في الشكل بخطوط متقطعة:

روابط هيدروجينية أقل متانة بحوالي 20 مرة من التساهمية ، لكنها هي التي تجعل الماء سائلًا أو ثلجًا (وليس غازًا) في الظروف العادية. يتم تدمير الروابط الهيدروجينية فقط عندما يتحول الماء السائل إلى بخار.

عند درجات حرارة أعلى من 0 درجة مئوية (ولكن أقل من نقطة الغليان) ، لم يعد الماء يحتوي على مثل هذا التركيب الجزيئي المنظم ، كما هو موضح في الشكل. لذلك ، في الماء السائل ، ترتبط الجزيئات معًا فقط في مجاميع منفصلة من عدة جزيئات. يمكن أن تتحرك هذه الركام بحرية بجانب بعضها البعض ، وتشكل سائلًا متنقلًا. ولكن مع انخفاض درجة الحرارة ، يصبح الترتيب أكثر فأكثر ، وتصبح الركام أكبر وأكبر. أخيرًا ، يتشكل الجليد ، والذي له بالضبط الهيكل المرتب الموضح في الشكل.

الموضوع: الفئات الأساسية للمركبات غير العضوية. تصنيف المواد غير العضوية

خطة المحاضرة:

1. الفئات الرئيسية للمركبات غير العضوية.
2. أسس. الخواص الكيميائية.
3. أكاسيد. أنواعها ، الخواص الكيميائية.
4. الأحماض. التصنيف وخصائصها الكيميائية.
5. ملح. التصنيف وخصائصها الكيميائية.

مواد بسيطة... تتكون الجزيئات من ذرات من نوع واحد (ذرات عنصر واحد). في التفاعلات الكيميائية لا يمكن أن تتحلل لتكوين مواد أخرى.

مواد معقدة (أو مركبات كيميائية). تتكون الجزيئات من أنواع مختلفة من الذرات (ذرات مختلفة العناصر الكيميائية). في التفاعلات الكيميائية ، تتحلل لتشكل عدة مواد أخرى.

لا يوجد فاصل حاد بين المعادن واللافلزات لأن هناك مواد بسيطةتظهر خصائص مزدوجة.