Structura legătură de hidrogen vom analiza împreună cu dumneavoastră un exemplu interacțiuni molecule de apă între ele.

Molecula de apă este dipol... Acest lucru se datorează faptului că atomul hidrogenasociat cu mai multe electronegativ element oxigenavând experiență dezavantaj electroni și, prin urmare, capabil a interactiona cu un atom de oxigen al altei molecule de apă.

Ca rezultat interacțiuni apare legătură de hidrogen (Figura: 2.1):

2.1. Mecanismul formării legăturilor de hidrogen între moleculele de apă

Acest lucru se explică prin atom de hidrogenasociat cu mai multe electronegativ un element având pereche de electroni nepartajati (azot, oxigen, fluor etc.), experiențe dezavantaj electroni și, prin urmare, este capabil să interacționeze cu nepartajat o pereche de electroni un alt atom electronegativ acest sau alte molecule.

De asemenea, rezultă hidrogen conexiune, care este indicat grafic trei puncte (Figura):

Figura: 2.2. Mecanismul de formare a unei legături de hidrogen între un proton (Н . δ + ) și mai mulți atomi de sulf electronegativi (:S δ - ), oxigen (:O δ - ) și azot (:N δ - )

Această conexiune este semnificativă mai slab alte legături chimice ( energie educația ei 10-40 kJ / mol), și este determinată în principal de interacțiunile electrostatice și donator-acceptor.

Legătura de hidrogen poate fi asemănătoare intramolecularși intermolecular.

2.1.4. Interacțiuni hidrofobe

Înainte de a lua în considerare natura interacțiune hidrofobă, este necesar să se introducă conceptul „ hidrofil " și " hidrofob " funcţional grupuri.

Se numesc grupuri care pot forma legături de hidrogen cu moleculele de apă hidrofil.

Aceste grupuri includ polar grupuri: grupa amino (-NH 2 ) , carboxil(- COOH), gruparea carbonil(- CHO) și sulfhidril Grup ( - SH).

Obișnuit, hidrofil conexiunile sunt bune solubil in apa. !!! Acest lucru se datorează faptului că grupurile polare sunt capabile să formeze legături de hidrogen cu moleculele de apă .

Apariția astfel de legături sunt însoțite de eliberarea de energie, prin urmare, există o tendință de a maximizarea suprafeței de contact grupuri încărcate și apă ( Figura: 2.3):

Figura: 2.3. Mecanismul de formare a interacțiunilor hidrofobe și hidrofile

Se numesc molecule sau părți de molecule care nu pot forma legături de hidrogen cu apa grupuri hidrofobe.

Aceste grupuri includ alchil și aromat radicali care nepolare și nu purta incarcare electrica.

Grupuri hidrofobe – prost sau deloc solubil in apa.

Acest lucru se explică prin atomi și grupuri de atomiinclus în hidrofob grupurile sunt neutru din punct de vedere electricprin urmare) nu poti formă legături de hidrogen cu apă.

!!! Interacțiunile hidrofobe rezultă din contactul dintre radicalii nepolari care nu pot rupe legăturile de hidrogen dintre moleculele de apă.

Ca rezultat molecule de apă strămutat de suprafaţă molecule hidrofile ( Figura: 2.3).

2.1.5. Interacțiunile Van der Waals.

În molecule, există și foarte forțe de atracție slabe și de rază scurtă între atomii neutri electric și grupurile funcționale.

Acestea sunt așa-numitele interacțiunile van der Waals.

Sunt datorate interacțiunea electrostatică între electroni încărcați negativ unu atom și un nucleu încărcat pozitiv un alt atom.

Întrucât nucleele atomilor protejat propriile lor electroni din nucleii atomilor vecini, care apar apoi între diferiți atomi van der Waals interacțiuni foarte mic.

Toate acestea tipuri de interacțiuni ia parte la formatia, mentine și stabilizare structura spațială ( conformații) molecule proteice ( Figura: 2.4):

Figura: 2.4. Mecanism de formare legaturi covalente și interacțiuni non-covalente slabe:1 - interacțiuni electro-statice;2 - legături de hidrogen;3 - interacțiuni hidrofobe,4 - legături disulfurice

Forțe care contribuie formarea structurii spațiale a proteinelor și menținerea acesteia într-o stare stabilăsunt foarte slabi forțelor... Energia acestor forțe continuă 2-3 mai mică decât energia legăturilor covalente. Aceștia acționează între atomi individuali și grupuri de atomi.

Cu toate acestea, numărul mare de atomi din moleculele biopolimerilor (proteinelor) duce la faptul că energia totală a acestor interacțiuni slabe devine comparabilă cu energia legăturilor covalente.

Moleculele de apă sunt legate prin legături de hidrogen, distanța dintre atomii de oxigen și hidrogen este de 96 pm, iar între doi hidrogeni - 150 pm. În stare solidă, atomul de oxigen participă la formarea a două legături de hidrogen cu moleculele de apă învecinate. În acest caz, moleculele individuale de H 2 O sunt în contact între ele cu poli opuși. Astfel, se formează straturi în care fiecare moleculă este asociată cu trei molecule ale stratului său și una dintre cea adiacentă. Ca rezultat, structura cristalină a gheții este formată din „tuburi” hexagonale interconectate ca un fagure de miere.

Conform simulărilor pe computer, la un diametru al tubului de 1,35 nm și la o presiune de 40.000 de atmosfere, legăturile de hidrogen au fost îndoite, ducând la formarea unei spirale cu pereți dubli. Peretele interior al acestei structuri este de patru spirale, iar cel exterior este format din patru spirale duble, similar cu structura unei molecule de ADN.

Acest din urmă fapt lasă o amprentă nu numai asupra evoluției ideilor noastre despre apă, ci și asupra evoluției vieții timpurii și a moleculei de ADN în sine. Dacă presupunem că în era originii vieții, rocile de argilă criolită erau sub formă de nanotuburi, se pune întrebarea - ar putea apa sorbită în ele să servească drept bază structurală - o matrice pentru sinteza ADN și citirea informațiilor? Poate de aceea structura spirală a ADN-ului repetă structura spirală a apei din nanotuburi. Potrivit revistei New Scientist, acum colegii noștri străini trebuie să confirme existența unor astfel de macromolecule de apă în condiții experimentale reale folosind spectroscopie în infraroșu și spectroscopie de împrăștiere a neutronilor.

Astfel de studii asupra nanocristalelor de gheață au fost efectuate în 2007 de Mikaelides de la Centrul de Nanotehnologie din Londra și Morgenstern de la Universitate. Leibniz în Hanovra (Fig. 36). Au răcit vaporii de apă deasupra suprafeței unei plăci metalice la o temperatură de 5 grade Kelvin. În curând, folosind un microscop de scanare cu tunel, un hexamer (șase molecule de apă interconectate), cel mai mic fulg de zăpadă, a fost observat pe placă. Acesta este cel mai mic grup de gheață posibil. Oamenii de știință au observat, de asemenea, grupuri care conțin șapte, opt și nouă molecule.

Orez . 36. Imagine a hexamerului de apă, obținută folosind un microscop de scanare cu tunel. Hexamerul are aproximativ 1 nm în diametru. Foto London Centre for Nanotechnology

Dezvoltarea tehnologiei care a făcut posibilă obținerea unei imagini a hexamerului de apă este o realizare științifică importantă în sine. Pentru observare, a fost necesar să reducem curentul sondei la minimum, ceea ce a făcut posibilă protejarea legăturilor slabe dintre moleculele individuale de apă de distrugere datorită procesului de observare. În plus, în lucrare au fost utilizate abordări teoretice ale mecanicii cuantice. O abordare integrată a produs rezultate impresionante.

Spre deosebire de gheață de cristal, unde energia de legare este aceeași între toate moleculele de apă, în nanoclustere există o alternanță de legături puternice și slabe (și distanțe corespunzătoare) între molecule individuale. S-au obținut rezultate importante și asupra capacității moleculelor de apă de a distribui legături de hidrogen și de a le lega de suprafața metalică.

Analizele teoretice ale lui Oparin, experimentele lui Miller, Fox și altele demonstrează incontestabil că în natură moleculele organice pot fi structurate din cele anorganice. Principala sursă de energie din experimentele lor este căldura. În natură, aceasta este radiația solară și energia magmatică. O altă concluzie foarte semnificativă este că originea vieții poate apărea într-un mediu alcalin. În toate cazurile, se observă autoorganizarea vieții.

În secolul al XIX-lea. Pastior a atras atenția asupra faptului că, în natura neînsuflețită, moleculele sunt simetrice. Și în natura vie, există o asimetrie în oglindă a moleculelor. Proteinele sunt compuse din aminoacizi levorotatori. Această proprietate este determinată de rotația moleculei planului de polarizare a luminii. Cum să explic fenomenul?

Este posibil ca prezența asimetriei în moleculele organice să se manifeste atunci când sistemul deschis, care a precedat biosfera, se afla într-o stare critică extrem de neechilibrată.

A avut loc o tranziție evolutivă bruscă, care este o trăsătură caracteristică a autoorganizării. Un exemplu al acestei stări este experimentele în care moleculele de apă seamănă cu ADN-ul din nanotuburi. Trecerea de la molecule simetrice de natură neînsuflețită la biomolecule asimetrice de natură vie ar putea avea loc în stadiul inițial al evoluției chimice, ca autoorganizare a materiei. Prof. Antonov a dovedit că apa este și un sistem deschis și schimbă energia și materia cu mediul (prof. Antonov, 1992).

Astfel de condiții extreme sunt observate în timpul activității vulcanice, descărcărilor în atmosfera tânărului Pământ. Apa minerală care interacționează cu carbonatul de calciu, precum și apa de mare, reprezintă un spectru favorabil pentru conservarea structurilor auto-organizate. Efectul Kirlian în condiții de laborator creează o descărcare selectivă care vă permite să observați emisia de lumină de către atomi sau molecule. Experimentele lui Miller creează, de asemenea, condiții extreme de neechilibru cu o descărcare de gaz.

Aura Kirlian - strălucirea plasmatică a unei descărcări electrice este observată pe suprafața obiectelor într-un câmp electric alternativ de înaltă frecvență de 10-100 kHz, la care tensiunea superficială apare între electrod și obiectul studiat de la 5 la 30 kV. Efectul Kirlian este observat ca fulgerul sau descărcarea statică asupra oricăror obiecte biologice, organice, precum și pe probe anorganice de natură diversă.

Pentru a vizualiza aura Kirlian, o tensiune alternativă ridicată cu o frecvență ridicată este aplicată electrodului - de la 1 la 40 kilovolți la 200-15000 Hz. Obiectul în sine servește ca celălalt electrod. Ambii electrozi sunt separați de un izolator și un strat subțire de aer, ale cărui molecule sunt disociate sub influența unui câmp magnetic puternic între electrod și obiect. Trei procese au loc în acest strat de aer între obiect și electrod.

Primul proces este ionizarea și formarea azotului atomic.

Al doilea proces este ionizarea moleculelor de aer și formarea unui curent de ioni - o descărcare coronală între obiect și electrod. Forma coroanei strălucitoare, densitatea acesteia etc. sunt determinate de radiația electromagnetică a obiectului.

Al treilea proces este tranziția electronilor de la niveluri de energie mai mici la nivele superioare și invers. Cu această tranziție de electroni, se emite o cuantă de lumină. Mărimea tranziției electronice depinde de câmpul electromagnetic intrinsec al obiectului studiat. Prin urmare, în diferite puncte ale câmpului care înconjoară obiectul, electronii primesc impulsuri diferite, adică săriți la diferite niveluri de energie, ceea ce duce la emisia de cuante de lumină de diferite lungimi și energii. Acestea din urmă sunt înregistrate cu ochiul uman sau hârtia fotografică colorată ca culori diferite, care, în funcție de obiect, pot colora coroana strălucitoare în diferite culori. Aceste trei procese în totalitatea lor oferă o imagine generală a efectului Kirlian, care vă permite să studiați câmpul electromagnetic al unui obiect. Efectul Kirlian este asociat astfel cu aura bioelectrică a unui obiect viu.

Prezența în moleculele de H2O a perechilor de electroni solitari la atomii de oxigen și la atomii de hidrogen încărcați pozitiv duce la o interacțiune foarte specială între molecule, numită LIGĂ DE HIDROGEN (vezi figura). Spre deosebire de toate speciile deja familiare pentru noi legătură chimică această legătură este intermoleculară.

O legătură de hidrogen (în figură este indicată printr-o linie punctată) apare din interacțiunea unui atom de hidrogen epuizat de electroni al unei molecule de apă cu o pereche de electroni singulari dintr-un atom de oxigen al unei alte molecule de apă.

Legătura de hidrogen este un caz special legături intermoleculare... Se crede că este cauzat în principal de forțe electrostatice. Pentru ca o legătură de hidrogen să apară, este necesar ca molecula să aibă unul sau mai mulți atomi de hidrogen asociați cu atomi mici, dar electronegativi, de exemplu: O, N, F. Este important ca acești atomi electronegativi să perechi electronice... Prin urmare, legăturile de hidrogen sunt caracteristice substanțelor precum apa H20, amoniacul NH3, fluorura de hidrogen HF. De exemplu, moleculele HF sunt legate prin legături de hidrogen, care sunt prezentate în figură cu linii punctate:

Legături de hidrogen de aproximativ 20 de ori mai puțin durabile decât covalente, dar ele sunt cele care fac ca apa să fie lichidă sau gheață (nu gazoasă) în condiții normale. Legăturile de hidrogen sunt distruse numai atunci când apa lichidă se transformă în abur.

La temperaturi peste 0 ° C (dar sub punctul de fierbere), apa nu mai are o astfel de structură intermoleculară ordonată, așa cum se arată în figură. Prin urmare, în apa lichidă, moleculele sunt legate între ele numai în agregate separate de mai multe molecule. Aceste agregate se pot mișca liber unul lângă celălalt, formând un lichid mobil. Dar odată cu scăderea temperaturii, ordinea devine din ce în ce mai mare, iar agregatele devin din ce în ce mai mari. În cele din urmă, se formează gheață, care are exact structura ordonată prezentată în figură.

Subiect: CLASELE DE BAZĂ A COMPUȘILOR INORGANICI. CLASIFICAREA SUBSTANȚELOR INORGANICE

Plan de curs:

1. Principalele clase de compuși anorganici.
2. Fundații. Proprietăți chimice.
3. Oxizi. Tipurile lor, proprietăți chimice.
4. Acizi. Clasificare și proprietățile lor chimice.
5. Sare. Clasificare și proprietățile lor chimice.

Substanțe simple... Moleculele sunt formate din atomi de un fel (atomi de un singur element). În reacțiile chimice nu se pot descompune pentru a forma alte substanțe.

Substanțe complexe (sau compuși chimici). Moleculele sunt alcătuite din diferite tipuri de atomi (atomi de diferite elemente chimice). În reacțiile chimice, acestea se descompun pentru a forma alte câteva substanțe.

Nu există o graniță ascuțită între metale și nemetale, deoarece există substanțe simplearătând proprietăți duale.