структуру водневого зв'язку ми з вами розберемо на прикладі взаємодії молекул води між собою.

Молекула води є диполем. Це пояснюється тим, що атом водню, Пов'язаний з більш електронегативним елементом киснем, Які мають, відчуває недолік електронів і тому здатний взаємодіяти з атомом кисню іншої молекули води.

В результаті цього взаємодії виникає воднева зв'язок (Мал. 2.1):

2.1. Механізм утворення водневого зв'язку між молекулами води

Це пояснюється тим, що атом водню, Пов'язаний з більш електронегативним елементом, що має неподілену електронну пару (Азотом, киснем, фтором і ін.), Відчуває недолік електронів і тому здатний взаємодіяти з неподіленої парою електронів іншого електронегативного атома цієї ж або інший молекули.

В результаті також виникає воднева зв'язок, Яка графічно позначається трьома крапками (Мал.):

Мал. 2.2. Механізм утворення водневого зв'язку між протоном (Н . δ + ) І більш електронегативними атомами сірки (:S δ - ), Кисню (:O δ - ) і азоту (:N δ - )

Цей зв'язок значно слабкіше інших хімічних зв'язків ( енергія її утворення 10-40 кДж / моль), І, в основному, визначається електростатичним і донорно-акцепторні взаємодіями.

Воднева зв'язок може бути як внутрімолекулярної, так і міжмолекулярної.

2.1.4. гідрофобні взаємодії

Перш, ніж розглядати природу гідрофобної взаємодії, Необхідно ввести поняття « гідрофільних » і « гідрофобних » функціональних груп.

Групи, які можуть утворювати водневі зв'язки з молекулами води, називаються гідрофільними.

До цих груп відносяться полярні групи: аминогруппа (-NH 2 ) , карбоксильная(- COOH), карбонильная групи(- CHO) і сульфгідрильна група ( - SH).

Як правило, гідрофільні з'єднання добре розчинні в воді. !!! Це обумовлено тим, що полярні групи здатні утворювати водневі зв'язки з молекулами води .

поява таких зв'язків супроводжується виділенням енергії, Тому і виникає тенденція до максимальному збільшенню поверхні контакту заряджених груп і води ( Мал. 2.3):

Мал. 2.3. Механізм утворення гідрофобних і гідрофільних взаємодій

Молекули або частини молекул, нездатні утворювати водневі зв'язки з водою називаються гідрофобними групами.

До цих груп відносяться алкільні і ароматичні радикали, які неполярних і не несуть електричного заряду.

гідрофобні групи – погано або зовсім не розчинні в воді.

Це пояснюється тим, що атоми і групи атомів, Що входять до складу гідрофобних груп, є електронейтральнихі тому) не можуть утворювати водневих зв'язків з водою.

!!! Гідрофобні взаємодії виникають в результаті контакту між неполярними радикалами, нездатними розірвати водневі зв'язки між молекулами води.

В результаті цього молекули води витісняються на поверхню гідрофільних молекул ( Мал. 2.3).

2.1.5. Ван-дер-ваальсові взаємодії.

У молекулах існують також вельми слабкі і короткодействующие сили тяжіння між електрично нейтральними атомами і функціональними групами.

Це так звані ван дер Ваальсових взаємодії.

вони обумовлені електростатичним взаємодією між негативно зарядженими електронами одного атома і позитивно зарядженим ядром іншого атома.

Так як ядра атомів екрановані оточуючими їх власними електронами від ядер сусідніх атомів, то виникають між різними атомами ван-дер-ваальсові взаємодії вельми невеликі.

Всі ці типивзаємодій беруть участь в формуванні, підтримці і стабілізації просторової структури ( конформації) Білкових молекул ( Мал. 2.4):

Мал. 2.4. механізм утворення ковалентних зв'язків і слабких нековалентних взаємодій:1 - електро-статичні взаємодії;2 - водневі зв'язку;3 - гідрофобні взаємодії,4 - дисульфідні зв'язку

Сили, які сприяють формування просторової структури білків і утримують її в стабільному стані, Є дуже слабкими силами. Енергія цих сил на 2-3 порядки менше енергії ковалентних зв'язків. Вони діють між окремими атомами і групами атомів.

Однак, велика кількість атомів в молекулах біополімерів (білків), призводить до того, що сумарна енергія цих слабких взаємодій стає порівнянна з енергією ковалентних зв'язків.

Молекули води пов'язані між собою за допомогою водневих зв'язків, відстань між атомами кисню і водню одно 96 пм, а між двома водню - 150 пм. У твердому стані атом кисню бере участь в утворенні двох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води. При цьому окремі молекули H 2 O стикаються один з одним різнойменними полюсами. Таким чином, утворюються шари, в яких кожна молекула пов'язана з трьома молекулами свого шару і однією з сусіднього. В результаті, кристалічна структура льоду складається з шестигранних "трубок" з'єднаних між собою, як бджолині соти.

Згідно з даними комп'ютерного моделювання, при діаметрі трубки в 1,35 нм і тиску в 40000 атмосфер водневі зв'язку скривилися, привівши до утворення спіралі з подвійною стінкою. Внутрішня стінка цієї структури є скрученої в четвер спіраллю, а зовнішня складається з чотирьох подвійних спіралей, схожих на структуру молекули ДНК.

Останній факт накладає відбиток не тільки на еволюцію наших уявлень про воду, а й еволюцію раннього життя і самої молекули ДНК. Якщо припустити, що в епоху зародження життя кріолітние глинисті породи мали форму нанотрубок, виникає питання - чи не могла вода, сорбированная в них служити структурною основою - матрицею для синтезу ДНК і зчитування інформації? Можливо, тому спіральна структура ДНК повторює спіральну структуру води в нанотрубках. Як повідомляє журнал New Scientist, тепер нашим закордонним колегам належить підтвердити існування таких макромолекул води в реальних експериментальних умовах з використанням інфрачервоної спектроскопії і спектроскопії нейтронного розсіювання.

Такі дослідження нанокристалів льоду були проведені в 2007 році Мікаелідес з Центру нанотехнологій в Лондоні і Моргенштерн з університету ім. Лейбніца в Ганновері (рис. 36). Вони охолоджували водяна пара над поверхнею металевої пластини, що знаходиться при температурі 5 градусів Кельвіна. Незабаром за допомогою скануючого тунельного мікроскопа на пластині вдалося спостерігати гексамерів (шість з'єднаних між собою молекул води) - найменшу сніжинку. Це найменший з можливих кластерів льоду. Вчені спостерігали також кластери, що містять сім, вісім і дев'ять молекул.

Мал . 36. Зображення гексамерів води, отримане за допомогою скануючого тунельного мікроскопа Розмір гексамерів в поперечнику - близько 1 нм. Фото London Centre for Nanotechnology

Розробка технології, що дозволила отримати зображення гексамерів води - саме по собі важливе наукове досягнення. Для спостереження довелося скоротити зондує ток до мінімуму, що і дозволило вберегти слабкі зв'язки між окремими молекулами води від руйнування внаслідок процесу спостереження. Крім цього, в роботі були використані теоретичні підходи квантової механіки. Комплексний підхід дав вражаючі результати.

На відміну від кристалічного льоду, Де між усіма молекулами води енергія зв'язку однакова, в нанокластер є чергування сильних і слабких зв'язків (і відповідних відстаней) між окремими молекулами. Отримано також важливі результати про здатність молекул води до розподілу водневих зв'язків і до їх зв'язку з поверхнею металу.

Теоретичні аналізи Опаріна, експерименти Міллера, Фокса і ін. Безперечно доводять, що в природі можуть структуруватися органічні молекули з неорганічних. Головним джерелом енергії в їх експериментах є тепло. У природі це сонячна радіація і енергія магми. Інший дуже істотний висновок - це, що зародження життя може статися в лужному середовищі. У всіх випадках спостерігається самоорганізація живого.

У XIX ст. Пастьор звернув увагу, що в неживій природі молекули є симетричними. А в живій природі спостерігається дзеркальна асиметрія молекул. Білки складаються з левовращающіх амінокислот. Дана властивість визначається обертанням молекулою площини поляризації світла. Як пояснити феномен?

Можливо, наявність асиметрії в органічних молекулах проявилося, коли відкрита система, предшествувающая біосфері, перебувала у вкрай нерівноважному критичному стані.

Стався стрибкоподібний еволюційний перехід, що є характерною особливістю самоорганізації. Прикладом такого стану є експерименти, де водні молекули нагадують ДНК в нанотруб. Перехід з симетричних молекул неживої природи до асиметричним біомолекул живий міг статися на початковому етапі хімічної еволюції, як самоорганізація матерії. Проф. Антонов довів, що вода теж є відкритою системою і обмінюється енергією і речовиною з навколишнім середовищем (проф. Антонов, 1992).

Такі екстремальні умови спостерігаються при вулканічної діяльності, розрядах в атмосфері молодої Землі. Мінеральна вода, взаімодействуюшая з карбонатом кальцію, а також морська вода, є сприятливим спектром для збереження самоорганізованих структур. Ефект Кирліана в лабораторних умовах створює селективний розряд, що дозволяє спостерігати випромінювання світла атомами або молекулами. При експериментах Міллера також створюються нерівноважні екстремальні умови з газовим розрядом.

Кірліановая аура - полум'яне світіння електричного розряду спостерігається на поверхні предметів, що знаходяться в змінному електричному полі високої частоти 10-100 кГц, при якому виникає поверхневий натяг між електродом і досліджуваним об'єктом від 5 до 30 кВ. Ефект Кирліана спостерігається подібно до блискавок або електростатичного розряду на будь-яких біологічних, органічних об'єктах, а також на неорганічних зразках різного характеру.

Для візуалізації Кірліановой аури на електрод подається висока змінна напруга з високою частотою - від 1 до 40 кіловольт при 200-15000 Герц. Іншим електродом служить сам об'єкт. Обидва електроди розділені ізолятором і тонким шаром повітря, молекули якого піддаються дисоціації під дією сильного магнітного поля, що виникає між електродом і об'єктом. У цьому шарі повітря, що знаходиться між об'єктом і електродом, відбувається три процесу.

Перший процес полягає в іонізації і освіті атомарного азоту.

Другий процес - іонізація молекул повітря і освіти іонного струму - коронного розряду між об'єктом і електродом. Форма корони світіння, її щільність і т.п. визначаються власним електромагнітним випромінюванням об'єкта.

Третій процес - перехід електронів з нижчих на вищі енергетичні рівні і назад. При цьому переході електронів відбувається випромінювання кванта світла. Величина переходу електрона залежить від власного електромагнітного поля досліджуваного об'єкта. Тому в різних точках поля об'єкту має, електрони отримують різні імпульси, тобто перескакують на різні енергетичні рівні, що призводить до випускання квантів світла різної довжини і енергії. Останні реєструються людським оком або кольоровий фотопапір в якості різних кольорів, які в залежності від об'єкта можуть фарбувати корону світіння в різні кольори. Ці три процеси в своїй сукупності дають загальну картину кирлиан-ефекту, який дозволяє вивчати електромагнітне поле об'єкта. Ефект Кирліана, таким чином, пов'язаний з біоелектричної аурою живого об'єкта.

Наявність в молекулах H 2 O неподіленого електронних пар у атомів кисню і позитивно заряджених атомів водню призводить до абсолютно особливому взаємодії між молекулами, званому ВОДНЕВОЇ ЗВ'ЯЗКОМ (див. Малюнок). На відміну від всіх уже знайомих нам видів хімічного зв'язку цей зв'язок - межмолекулярная.

Воднева зв'язок (на малюнку вона позначена пунктиром) виникає при взаємодії збідненого електронами атома водню однієї молекули води з неподіленої електронної парою атома кисню іншої молекули води.

Водневий зв'язок є окремим випадком межмолекулярих зв'язків. Вважається, що вона обумовлена \u200b\u200bв основному електростатичними силами. Для виникнення водневого зв'язку потрібно, щоб в молекулі був один або кілька атомів водню, пов'язаних з невеликими, але електронегативними атомами, наприклад: O, N, F. Важливо, щоб у цих електронегативний атомів були неподіленого електронні пари. Тому водневі зв'язку характерні для таких речовин, як вода H 2 O, аміак NH 3, фтороводород HF. Наприклад, молекули HF пов'язані між собою водневими зв'язками, які на малюнку показані пунктирними лініями:

водневі зв'язку приблизно в 20 разів менше міцні, ніж ковалентні, але саме вони змушують воду бути рідиною або льодом (а не газом) в звичайних умовах. Водневі зв'язки руйнуються тільки тоді, коли рідка вода переходить в пар.

При температурах вище 0 ° С (але нижче температури кипіння) вода вже не має таку впорядковану міжмолекулярної структуру, як показано на малюнку. Тому в рідкій воді молекули пов'язані між собою лише в окремі агрегати з декількох молекул. Ці агрегати можуть вільно рухатися поруч один з одним, утворюючи рухливу рідина. Але при зниженні температури впорядкованість стає все більше і більше, а агрегати - все більшими. Нарешті, утворюється лід, який має саме таку впорядковану структуру, яка показана на малюнку.

Тема: ОСНОВНІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СОЕДИНЕНИЙ. КЛАСИФІКАЦІЯ НЕОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН

План лекції:

1. Основні класи неорганічних сполук.
2. Основи. Хімічні властивості.
3. Оксиди. Їх види, хімічні властивості.
4. Кислоти. Класифікація і їх хімічні властивості.
5. Солі. Класифікація і їх хімічні властивості.

прості речовини. Молекули складаються з атомів одного виду (атомів одного елемента). У хімічних реакціях не можуть розкладатися з утворенням інших речовин.

складні речовини (Або хімічні сполуки). Молекули складаються з атомів різного виду (атомів різних хімічних елементів). У хімічних реакціях розкладаються з утворенням декількох інших речовин.

Різкого розмежування між металами і неметалами немає, тому що є прості речовини, Що проявляють подвійні властивості.