Biology for Majors I

Klasifikujte různé typy atomových vazeb

Když se atomy spojí, vytvoří prvky. Různé typy vazeb (iontové a kovalentní, polární a nepolární) mají vliv na prvky, které vytvářejí. Pochopení typů vazeb, které vytvářejí věci, nám může pomoci porozumět těmto věcem samotným.

Iontové vazby

Některé atomy jsou stabilnější, když získají nebo ztratí elektron (případně dva) a vytvoří ionty. Tím se zaplní jejich vnější elektronový obal a stanou se energeticky stabilnějšími. Protože počet elektronů se nerovná počtu protonů, má každý iont čistý náboj. Kationty jsou kladné ionty, které vznikají ztrátou elektronů. Záporné ionty vznikají získáním elektronů a nazývají se anionty. Anionty se označují tak, že se jejich název prvku změní a končí na „-id“: například aniont chloru se nazývá chlorid a aniont síry se nazývá sulfid.

Tento pohyb elektronů z jednoho prvku na druhý se označuje jako přenos elektronů. Jak ukazuje obrázek 1, sodík (Na) má ve svém vnějším elektronovém obalu pouze jeden elektron. K odevzdání tohoto jednoho elektronu potřebuje sodík méně energie než k přijetí dalších sedmi elektronů k zaplnění vnějšího obalu. Pokud sodík ztratí elektron, má nyní 11 protonů, 11 neutronů a pouze 10 elektronů, takže jeho celkový náboj je +1. Nyní se označuje jako sodný ion. Chlor (Cl) v nejnižším energetickém stavu (nazývaném základní stav) má ve vnější slupce sedm elektronů. Pro chlor je opět energeticky výhodnější získat jeden elektron než ztratit sedm. Proto má tendenci získat jeden elektron a vytvořit tak iont se 17 protony, 17 neutrony a 18 elektrony, což mu dává čistý záporný (-1) náboj. Nyní se označuje jako chloridový ion. V tomto příkladu odevzdá sodík svůj jeden elektron, aby vyprázdnil svůj obal, a chlor tento elektron přijme, aby zaplnil svůj obal. Oba ionty nyní splňují pravidlo oktetu a mají úplné vnější slupky. Protože počet elektronů již není roven počtu protonů, každý z nich je nyní iontem a má náboj +1 (sodný kationt) nebo -1 (chloridový aniont). Všimněte si, že tyto transakce mohou za normálních okolností probíhat pouze současně: aby atom sodíku ztratil elektron, musí být v přítomnosti vhodného příjemce, například atomu chloru.

Iontové vazby vznikají mezi ionty s opačnými náboji. Například kladně nabité ionty sodíku a záporně nabité ionty chloridu se spojují do krystalů chloridu sodného neboli kuchyňské soli a vytvářejí krystalickou molekulu s nulovým čistým nábojem.

Některé soli se ve fyziologii označují jako elektrolyty (včetně sodíku, draslíku a vápníku), ionty nezbytné pro vedení nervových impulsů, svalové kontrakce a vodní rovnováhu. Mnoho sportovních nápojů a doplňků stravy dodává tyto ionty, aby nahradily ionty ztracené z těla pocením při cvičení.

Kovalentní vazby

Dalším způsobem, jak lze splnit oktetové pravidlo, je sdílení elektronů mezi atomy za vzniku kovalentních vazeb. Tyto vazby jsou v molekulách živých organismů mnohem častější než vazby iontové. Kovalentní vazby se běžně vyskytují v organických molekulách na bázi uhlíku, jako je naše DNA a bílkoviny. Kovalentní vazby se vyskytují také v anorganických molekulách, jako jsou H2O, CO2 a O2. Může být sdílena jedna, dvě nebo tři dvojice elektronů, čímž vznikají jednoduché, dvojité a trojité vazby. Čím více kovalentních vazeb mezi dvěma atomy, tím pevnější je jejich spojení. Trojné vazby jsou tedy nejsilnější.

Síla různých úrovní kovalentních vazeb je jedním z hlavních důvodů, proč živé organismy obtížně získávají dusík pro použití při stavbě svých molekul, přestože molekulární dusík, N2, je nejhojnějším plynem v atmosféře. Molekulární dusík se skládá ze dvou navzájem trojitě vázaných atomů dusíku a stejně jako u všech molekul umožňuje sdílení těchto tří párů elektronů mezi oběma atomy dusíku zaplnění jejich vnějších elektronových obalů, díky čemuž je molekula stabilnější než jednotlivé atomy dusíku. Tato silná trojná vazba ztěžuje živým systémům rozdělení tohoto dusíku za účelem jeho využití jako složky bílkovin a DNA.

Tvorba molekul vody poskytuje příklad kovalentní vazby. Atomy vodíku a kyslíku, které se spojují do molekul vody, jsou vázány kovalentními vazbami. Elektron z vodíku rozděluje svůj čas mezi neúplný vnější obal atomů vodíku a neúplný vnější obal atomů kyslíku. K úplnému zaplnění vnější slupky kyslíku, který má ve své vnější slupce šest elektronů, ale který by byl stabilnější s osmi, jsou zapotřebí dva elektrony (jeden z každého atomu vodíku): odtud známý vzorec H2O. Elektrony jsou sdíleny mezi oběma prvky, aby se zaplnila vnější slupka každého z nich, čímž jsou oba prvky stabilnější.

Polární kovalentní vazby

Existují dva typy kovalentních vazeb: polární a nepolární. V polární kovalentní vazbě, znázorněné na obrázku 2, jsou elektrony rozděleny mezi atomy nerovnoměrně a jsou přitahovány více k jednomu jádru než k druhému. V důsledku nerovnoměrného rozdělení elektronů mezi atomy různých prvků vzniká mírně kladný (δ+) nebo mírně záporný (δ-) náboj. Tento částečný náboj je důležitou vlastností vody a vysvětluje mnoho jejích vlastností.

Voda je polární molekula, přičemž atomy vodíku získávají částečný kladný náboj a atomy kyslíku částečný záporný náboj. K tomu dochází proto, že jádro atomu kyslíku je přitažlivější pro elektrony atomů vodíku než jádro vodíku pro elektrony kyslíku. Kyslík má tedy vyšší elektronegativitu než vodík a sdílené elektrony tráví více času v blízkosti jádra kyslíku než v blízkosti jádra atomů vodíku, takže atomy kyslíku mají mírně záporný, resp. kladný náboj. Jiný způsob vyjádření je, že pravděpodobnost nalezení sdíleného elektronu v blízkosti jádra kyslíku je větší než v blízkosti jádra vodíku. Ať tak či onak, relativní elektronegativita atomů přispívá ke vzniku částečných nábojů vždy, když je jeden prvek výrazně elektronegativnější než druhý, a náboje vzniklé těmito polárními vazbami pak mohou být využity pro vznik vodíkových vazeb na základě přitažlivosti opačných částečných nábojů. (Vodíkové vazby, které jsou podrobně popsány níže, jsou slabé vazby mezi mírně kladně nabitými atomy vodíku s mírně záporně nabitými atomy v jiných molekulách.) Protože makromolekuly v sobě často mají atomy, které se liší elektronegativitou, jsou v organických molekulách často přítomny polární vazby.

Nepolární kovalentní vazby

Nepolární kovalentní vazby vznikají mezi dvěma atomy stejného prvku nebo mezi různými prvky, které sdílejí elektrony rovným dílem. Například molekulární kyslík (O2) je nepolární, protože elektrony se rovnoměrně rozdělí mezi dva atomy kyslíku.

Dalším příkladem nepolární kovalentní vazby je metan (CH4), který je rovněž znázorněn na obrázku 2. Vazba je nepolární, protože se v ní elektrony rovnoměrně rozdělí mezi dva atomy kyslíku. Uhlík má ve své vnější slupce čtyři elektrony a k jejímu zaplnění potřebuje další čtyři. Tyto čtyři získá od čtyř atomů vodíku, přičemž každý atom poskytne jeden, čímž vznikne stabilní vnější slupka s osmi elektrony. Uhlík a vodík nemají stejnou elektronegativitu, ale jsou si podobné; vznikají tak nepolární vazby. Každý z atomů vodíku potřebuje jeden elektron pro svou vnější slupku, která je zaplněna, když obsahuje dva elektrony. Tyto prvky sdílejí elektrony rovnoměrně mezi atomy uhlíku a vodíku, čímž vzniká nepolární kovalentní molekula.

Vazby vodíku

Iontové a kovalentní vazby mezi prvky vyžadují k přerušení energii. Iontové vazby nejsou tak pevné jako kovalentní, což určuje jejich chování v biologických systémech. Ne všechny vazby jsou však iontové nebo kovalentní. Mezi molekulami mohou vznikat i slabší vazby. Dvě slabé vazby, které se často vyskytují, jsou vodíkové vazby a van der Waalsovy interakce. Bez těchto dvou typů vazeb by život, jak ho známe, neexistoval. Vodíkové vazby zajišťují mnoho kritických, život udržujících vlastností vody a také stabilizují strukturu bílkovin a DNA, stavebního kamene buněk.

Při vzniku polárních kovalentních vazeb obsahujících vodík má vodík v této vazbě mírně kladný náboj, protože elektron vodíku je silněji přitahován k druhému prvku a od vodíku se vzdaluje. Protože je vodík mírně kladný, bude přitahován sousedními zápornými náboji. Když k tomu dojde, vznikne slabá interakce mezi δ+ vodíku z jedné molekuly a nábojem δ- na elektronegativnějších atomech jiné molekuly, obvykle kyslíku nebo dusíku, nebo v rámci téže molekuly. Tato interakce se nazývá vodíková vazba. Tento typ vazby je běžný a pravidelně se vyskytuje mezi molekulami vody. Jednotlivé vodíkové vazby jsou slabé a snadno se přerušují; ve vodě a v organických polymerech se však vyskytují ve velmi velkém počtu a vytvářejí významnou kombinační sílu. Vodíkové vazby jsou také zodpovědné za zapínání dvojité šroubovice DNA.

Ověřte si své porozumění

Odpovězte na níže uvedené otázky, abyste zjistili, jak dobře rozumíte tématům probíraným v předchozí části. Tento krátký kvíz se nezapočítává do vašeho hodnocení v hodině a můžete jej opakovat neomezený početkrát.

Pomocí tohoto kvízu si můžete ověřit, jak jste porozuměli tématu, a rozhodnout se, zda (1) budete předchozí část studovat dále, nebo (2) přejdete k další části.

.