מִבְנֶה קשר מימן ננתח איתך דוגמה אינטראקציות מולקולות מים בינן לבין עצמן.

מולקולת המים היא דיפול... הסיבה לכך היא האטום מֵימָןקשור ליותר אלקטרונית אֵלֵמֶנט חַמצָןלאחר שחוויתי חִסָרוֹן אלקטרונים ולכן מסוגל לתקשר עם אטום חמצן של מולקולת מים אחרת.

כתוצאה אינטראקציות מתעורר קשר מימן (דמות: 2.1):

2.1. מנגנון היווצרות קשרי מימן בין מולקולות מים

זה מוסבר על ידי אטום מימןקשור ליותר אלקטרונית אלמנט שיש זוג אלקטרונים לא משותף (חנקן, חמצן, פלואור וכו '), חוויות חִסָרוֹן אלקטרונים ולכן הוא מסוגל לתקשר עם לא משותף זוג אלקטרונים אטום אלקטרוני שלילי אחר זֶה אוֹ אַחֵר מולקולות.

זה גם גורם ל מֵימָן חיבור, שמצוין גרפית שלוש נקודות (דמות):

דמות: 2.2. מנגנון היווצרות קשר מימן בין פרוטון (Н . δ + ) ועוד אטומי גופרית אלקטרוניים (:ס δ - ), חמצן (:או δ - ) וחנקן (:נ δ - )

החיבור הזה הוא משמעותי חלש יותר קשרים כימיים אחרים ( אֵנֶרְגִיָה ההשכלה שלה 10-40 kJ / mol), והיא נקבעת בעיקר על ידי אינטראקציות אלקטרוסטטיות ומקבלות תורמים.

קשר המימן יכול להיות כמו תוך מולקולריתו בין-מולקולרית.

2.1.4. אינטראקציות הידרופוביות

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

קבוצות שיכולות ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים נקראות הידרופילי.

קבוצות אלה כוללות קוֹטבִי קבוצות: קבוצת אמינו (-NH 2 ) , קרבוקסיל(- COOH), קבוצת קרבוניל(- CHO) ו סולפהידריל קבוצה ( - ש).

בְּדֶרֶך כְּלַל, הידרופילי חיבורים טובים מָסִיס במים. !!! זאת בשל העובדה שקבוצות קוטביות מסוגלות ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים .

הִתהַוּוּת קישורים כאלה מלווים ב שחרור אנרגיה, לכן, יש נטייה מקסימום משטח מגע קבוצות טעונות ומים ( דמות: 2.3):

דמות: 2.3. מנגנון היווצרות אינטראקציות הידרופוביות והידרופיליות

נקראים מולקולות או חלקי מולקולות שאינם מסוגלים ליצור קשרים מימן עם מים קבוצות הידרופוביות.

קבוצות אלה כוללות אלקיל ו אֲרוֹמָתִי רדיקלים ש לא קוטבי ו אל תסחב מטען חשמלי.

קבוצות הידרופוביות – בצורה גרועה או לא בכלל מָסִיס במים.

זה מוסבר על ידי אטומים ו קבוצות אטומיםכלול ב הידרופובי קבוצות הן ניטרלי חשמליולכן) לא יכול טופס קשרי מימן עם מים.

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

כתוצאה מולקולות מים עקורים ל משטח מולקולות הידרופיליות ( דמות: 2.3).

2.1.5. אינטראקציות עם ואן דר וואלס.

במולקולות יש גם מאוד כוחות משיכה חלשים וטווח קצר בין אטומים ניטרליים חשמלית לקבוצות פונקציונליות.

אלה מה שנקרא אינטראקציות של ואן דר וואלס.

הם עתידים להגיע אינטראקציה אלקטרוסטטית בין אלקטרונים טעונים שלילית אחד אטום וגרעין טעון חיובי אַחֵר אָטוֹם.

מאז גרעיני האטומים מוּגָן שלהם אלקטרונים מגרעיני האטומים הסמוכים, ואז נובעים בין אטומים שונים ואן דר ואלס אינטראקציות מאוד קָטָן.

כל אלה סוגי אינטראקציות לקחת חלק ב הגיבוש, שמירה ו ייצוב מבנה מרחבי ( קונפורמיותמולקולות חלבון ( דמות: 2.4):

דמות: 2.4. מנגנון היווצרות קשרים קוולנטיים ואינטראקציות חלשות לא קוולנטיות:1 - אינטראקציות אלקטרוסטטיות;2 - קשרי מימן;3 - אינטראקציות הידרופוביות,4 - קשרים דיסולפידיים

כוחות שתורמים היווצרות המבנה המרחבי של חלבונים ושמירה על מצב יציבמאוד חלשים כוחות... האנרגיה של כוחות אלה הלאה 2-3 פחות מהאנרגיה של קשרים קוולנטיים. הם פועלים בין אטומים בודדים לקבוצות אטומים.

עם זאת, המספר העצום של האטומים במולקולות הביו-פולימרים (חלבונים) מוביל לעובדה שהאנרגיה הכוללת של אינטראקציות חלשות אלה הופכת להשוואה לאנרגיה של קשרים קוולנטיים.

מולקולות מים מקושרות על ידי קשרי מימן, המרחק בין אטומי חמצן למימן הוא 96 אחר הצהריים, ובין שני מימנים - 150 אחר הצהריים. במצב מוצק, אטום החמצן משתתף ביצירת שני קשרי מימן עם מולקולות מים שכנות. במקרה זה, מולקולות H 2 O בודדות נמצאות במגע אחת עם השנייה עם קטבים מנוגדים. לפיכך נוצרות שכבות בהן כל מולקולה קשורה לשלוש מולקולות של שכבתה ואחת מהסמוכה. כתוצאה מכך, מבנה הקריסטל של הקרח מורכב מ"צינורות "משושים המחוברים זה לזה כמו חלת דבש.

על פי סימולציות ממוחשבות, בקוטר צינור של 1.35 ננומטר ולחץ של 40,000 אטמוספרות, קשרי המימן התפתלו, וכתוצאה מכך נוצר סליל כפול דופן. הקיר הפנימי של מבנה זה הוא ארבע-סליל, והחיצוני מורכב מארבעה סלילים כפולים, בדומה למבנה של מולקולת DNA.

העובדה האחרונה משאירה חותם לא רק על התפתחות הרעיונות שלנו לגבי מים, אלא גם על התפתחות החיים המוקדמים ומולקולת ה- DNA עצמה. אם נניח שבעידן מקור החיים סלעי החימר הקריוליטים היו בצורת צינורות ננו, נשאלת השאלה - האם המים הספוגים בהם יכולים לשמש בסיס מבני - מטריצה \u200b\u200bלסינתזת DNA ולקריאת מידע? אולי זו הסיבה שמבנה הספירלה של ה- DNA חוזר על מבנה הספירלה של מים בצינורות הננו. על פי כתב העת New Scientist, כעת על עמיתינו הזרים לאשר את קיומם של מקרומולקולות מים כאלה בתנאי ניסוי אמיתיים באמצעות ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום וספקטרוסקופיית פיזור נויטרונים.

מחקרים כאלה על ננו-קריסטלים קרח בוצעו בשנת 2007 על ידי מיקאלידס מהמרכז לננוטכנולוגיה בלונדון ומורגנשטרן מהאוניברסיטה. לייבניץ בהנובר (איור 36). הם קיררו אדי מים מעל פני לוחית מתכת בטמפרטורה של 5 מעלות קלווין. עד מהרה, באמצעות מיקרוסקופ מנהרות סריקה נצפה על הלוח משושה (שש מולקולות מים מחוברות זו לזו), פתית השלג הקטן ביותר. זהו אשכול הקרח הקטן ביותר האפשרי. המדענים צפו גם באשכולות המכילים שבע, שמונה ותשע מולקולות.

אורז . 36. תמונה של משושה המים המתקבלת באמצעות מיקרוסקופ מנהור סריקה. המשושה הוא בקוטר של כ -1 ננומטר. צילום מרכז לונדון לננוטכנולוגיה

התפתחות הטכנולוגיה שאפשרה לקבל תמונה של הקסאמר המים היא הישג מדעי חשוב בפני עצמו. לצורך תצפית היה צורך להפחית את זרם החללית למינימום, מה שאפשר להגן על הקשרים החלשים בין מולקולות מים בודדות מפני הרס עקב תהליך התצפית. בנוסף, נעשה שימוש בגישות תיאורטיות של מכניקת הקוונטים בעבודה. גישה משולבת הניבה תוצאות מרשימות.

בניגוד קרח קריסטל, כאשר אנרגיית הקישור זהה בין כל מולקולות המים, בננו-אשכולות קיימת החלפה של קשרים חזקים וחלשים (ומרחקים מקבילים) בין מולקולות בודדות. תוצאות חשובות הושגו גם ביכולתן של מולקולות מים להפיץ קשרי מימן ולקשר אותן עם משטח המתכת.

הניתוחים התיאורטיים של אופרין, הניסויים של מילר, פוקס ואחרים מוכיחים ללא עוררין שמולקולות אורגניות מאלה אורגניות יכולות להיות מובנות באופיין. מקור האנרגיה העיקרי בניסויים שלהם הוא חום. בטבע זו קרינת שמש ואנרגיית מגמה. מסקנה משמעותית נוספת היא שמקור החיים יכול להתרחש בסביבה אלקליין. בכל המקרים, הארגון העצמי של החיים נשמר.

במאה ה- XIX. פסטוריור הפנה את תשומת הלב לעובדה שבטבע הדומם מולקולות הן סימטריות. ובטבע החי ישנה אסימטריה של מראה של מולקולות. חלבונים מורכבים מחומצות אמינו ממצות. מאפיין זה נקבע על ידי סיבוב המולקולה של מישור הקיטוב של האור. איך להסביר את התופעה?

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

התחולל מעבר אבולוציוני פתאומי, שהוא מאפיין אופייני של ארגון עצמי. דוגמה למצב זה היא ניסויים שבהם מולקולות מים דומות ל- DNA בצינורות ננו. המעבר ממולקולות סימטריות בעלות טבע דומם לביומולקולות א-סימטריות של טבע חי יכול להתרחש בשלב הראשוני של האבולוציה הכימית, כארגון העצמי של החומר. פרופ ' אנטונוב הוכיח כי מים הם גם מערכת פתוחה ומחליפים אנרגיה וחומר עם הסביבה (פרופ 'אנטונוב, 1992).

תנאים קיצוניים כאלה נצפים במהלך פעילות וולקנית, פריקות באטמוספירה של כדור הארץ הצעיר. מים מינרליים האינטראקציה עם סידן פחמתי, כמו גם מי ים, הם ספקטרום חיובי לשימור מבנים המארגנים את עצמם. אפקט קיריליאן בתנאי מעבדה יוצר פריקה סלקטיבית המאפשרת לצפות בפליטת האור על ידי אטומים או מולקולות. הניסויים של מילר יוצרים גם תנאים קיצוניים שאינם בשיווי משקל עם פריקה של גז.

הילה קירליאן - זוהר הפלזמה של פריקה חשמלית נצפה על פני האובייקטים בשדה חשמלי מתחלף בתדירות גבוהה 10-100 קילוהרץ, כאשר מתח פני השטח נוצר בין האלקטרודה לאובייקט הנחקר בין 5 ל 30 קילו וולט. האפקט קירליאן נצפה כמו ברק או פריקה סטטית על כל חפץ ביולוגי, אורגני, כמו גם על דגימות אנאורגניות בעלות אופי שונה.

כדי לדמיין את ההילה הקירליאנית, מוחל על האלקטרודה מתח לסירוגין גבוה בתדירות גבוהה - מ -1 עד 40 קילו-וולט ב-200-15000 הרץ. האובייקט עצמו משמש כאלקטרודה השנייה. שתי האלקטרודות מופרדות על ידי מבודד ושכבת אוויר דקה, שהמולקולות שלה מתנתקות על ידי שדה מגנטי חזק בין האלקטרודה לאובייקט. בשכבת אוויר זו, הממוקמת בין האובייקט לאלקטרודה, מתרחשים שלושה תהליכים.

התהליך הראשון הוא יינון ויצירת חנקן אטומי.

התהליך השני הוא יינון מולקולות אוויר והיווצרות זרם יונים - פריקה של קורונה בין האובייקט לאלקטרודה. צורת כתר הזוהר, צפיפותו וכו '. נקבעים על ידי הקרינה האלקטרומגנטית של האובייקט עצמו.

התהליך השלישי הוא מעבר של אלקטרונים מרמות אנרגיה נמוכות לגבוהות יותר ולהיפך. עם מעבר אלקטרונים זה נפלט קוונט של אור. גודל המעבר האלקטרוני תלוי בשדה האלקטרומגנטי הפנימי של האובייקט הנחקר. לכן, בנקודות שונות של השדה הסובב את האובייקט, האלקטרונים מקבלים דחפים שונים, כלומר לקפוץ לרמות אנרגיה שונות, מה שמוביל לפליטת קוונטיות אור באורכים ואנרגיות שונות. אלה האחרונים מתועדים על ידי העין האנושית או על נייר הצילום הצבעוני כצבעים שונים, אשר, בהתאם לאובייקט, יכולים לצבוע את הכתר הזוהר בצבעים שונים. שלושת התהליכים הללו במלואם נותנים תמונה כללית של אפקט קיריליאן, המאפשר לך לחקור את השדה האלקטרומגנטי של אובייקט. אפקט קיריליאן קשור אפוא להילה הביו-אלקטרית של אובייקט חי.

הנוכחות במולקולות H 2 O של זוגות בודדים של אטומי חמצן ו אטומי מימן טעונים חיובית מובילה לאינטראקציה מיוחדת מאוד בין המולקולות, הנקראת HYDROGEN BOND (ראה איור). בניגוד לכל המינים שכבר מוכרים לנו קשר כימי הקשר הזה הוא בין-מולקולרי.

קשר מימן (באיור הוא מסומן בקו מנוקד) מתרחש כאשר אטום מימן מדולדל אלקטרונים של מולקולת מים אחת מתקשר עם צמד האלקטרונים הבודד של אטום חמצן של מולקולת מים אחרת.

קשר מימן הוא מקרה מיוחד קשרים בין מולקולריים... הוא האמין כי הוא נגרם בעיקר על ידי כוחות אלקטרוסטטיים. כדי שקשר מימן יתרחש, יש צורך שבמולקולה יהיו אטומי מימן אחד או יותר הקשורים לאטומים קטנים אך אלקטרוניים, למשל: O, N, F. חשוב כי אטומים אלקטרוניים אלה יהיו בודדים זוגות אלקטרוניים... לכן, קשרי מימן אופייניים לחומרים כמו מים H 2 O, אמוניה NH 3, מימן פלואוריד HF. לדוגמא, מולקולות HF מקושרות על ידי קשרי מימן, המוצגים באיור עם קווים מקווקווים:

קשרי מימן עמידים פחות מפי 20 מאשר קוולנטיים, אך הם אלו שהופכים מים לנוזלים או קרח (לא גז) בתנאים רגילים. קשרי מימן נהרסים רק כאשר מים נוזליים הופכים לאדים.

בטמפרטורות מעל 0 מעלות צלזיוס (אך מתחת לנקודת הרתיחה), למים כבר אין מבנה בין-מולקולרי מסודר כזה, כפי שמוצג באיור. לכן, במים נוזליים, מולקולות מקושרות יחד רק באגרגטים נפרדים של כמה מולקולות. אגרגטים אלה יכולים לנוע בחופשיות זה ליד זה וליצור נוזל נייד. אך עם ירידה בטמפרטורה, הסדר הופך ליותר ויותר, והאגרגטים הולכים וגדלים. לבסוף נוצר קרח, שיש לו בדיוק את המבנה המסודר המוצג באיור.

נושא: כיתות בסיסיות של תרכובות אורגניות. סיווג חומרים אורגניים

תוכנית הרצאות:

1. השיעורים העיקריים של תרכובות אנאורגניות.
2. יסודות. תכונות כימיות.
3. תחמוצות. הטיפוסים שלהם, תכונות כימיות.
4. חומצות. סיווג ותכונותיהם הכימיות.
5. מלח. סיווג ותכונותיהם הכימיות.

חומרים פשוטים... מולקולות מורכבות מאטומים מסוג אחד (אטומים של יסוד אחד). בתגובות כימיות הם לא יכולים להתפרק ליצירת חומרים אחרים.

חומרים מורכבים (או תרכובות כימיות). מולקולות מורכבות מסוגים שונים של אטומים (אטומים שונים יסודות כימיים). בתגובות כימיות הם מתפרקים ליצירת כמה חומרים אחרים.

אין גבול חד בין מתכות ללא מתכות, כי יש חומרים פשוטיםמראה תכונות כפולות.