Biology for Majors I

Klasyfikuj różne typy wiązań atomowych

Gdy atomy łączą się ze sobą, tworzą pierwiastki. Różne rodzaje wiązań (jonowe i kowalencyjne, polarne i niepolarne) mają wpływ na elementy, które tworzą. Zrozumienie typów wiązań, które tworzą rzeczy może pomóc nam zrozumieć te rzeczy same w sobie.

Wiązania jonowe

Niektóre atomy są bardziej stabilne, gdy zyskują lub tracą elektron (lub ewentualnie dwa) i tworzą jony. To wypełnia ich najbardziej zewnętrzną powłokę elektronową i czyni je energetycznie bardziej stabilnymi. Ponieważ liczba elektronów nie jest równa liczbie protonów, każdy jon ma ładunek netto. Kationy są jonami dodatnimi, które powstają poprzez utratę elektronów. Jony ujemne powstają poprzez zyskanie elektronów i nazywane są anionami. Aniony są oznaczane przez ich nazwy elementarne są zmieniane, aby zakończyć się w „-ide”: anion chloru jest nazywany chlorek, a anion siarki jest nazywany siarczek, na przykład.

Ten ruch elektronów z jednego elementu do drugiego jest określany jako przeniesienie elektronu. Jak ilustruje rysunek 1, sód (Na) ma tylko jeden elektron w swojej zewnętrznej powłoce elektronowej. Oddanie tego jednego elektronu przez sód wymaga mniej energii niż przyjęcie siedmiu dodatkowych elektronów, aby wypełnić zewnętrzną powłokę. Jeśli sód straci elektron, ma teraz 11 protonów, 11 neutronów i tylko 10 elektronów, co daje mu ładunek ogólny +1. Jest on teraz określany jako jon sodowy. Chlor (Cl) w swoim najniższym stanie energetycznym (zwanym stanem podstawowym) posiada siedem elektronów w swojej zewnętrznej powłoce. Ponownie, bardziej efektywne energetycznie dla chloru jest uzyskanie jednego elektronu niż utrata siedmiu. Dlatego, ma on tendencję do zyskiwania elektronu, tworząc jon z 17 protonami, 17 neutronami i 18 elektronami, dając mu ładunek ujemny netto (-1). Jest on teraz określany jako jon chlorkowy. W tym przykładzie, sód odda swój jeden elektron, aby opróżnić swoją powłokę, a chlor przyjmie ten elektron, aby wypełnić swoją powłokę. Oba jony spełniają teraz regułę oktetu i mają kompletne skrajne powłoki. Ponieważ liczba elektronów nie jest już równa liczbie protonów, każdy z nich jest teraz jonem i posiada ładunek +1 (kation sodu) lub -1 (anion chloru). Zauważ, że te transakcje mogą normalnie odbywać się tylko jednocześnie: aby atom sodu stracił elektron, musi być w obecności odpowiedniego odbiorcy, takiego jak atom chloru.

Wiązania jonowe tworzą się między jonami o przeciwnych ładunkach. Na przykład, dodatnio naładowane jony sodu i ujemnie naładowane jony chlorkowe łączą się ze sobą, tworząc kryształy chlorku sodu lub soli kuchennej, tworząc krystaliczną cząsteczkę o zerowym ładunku netto.

Niektóre sole są określane w fizjologii jako elektrolity (w tym sód, potas i wapń), jony niezbędne do przewodzenia impulsów nerwowych, skurczów mięśni i równowagi wodnej. Wiele napojów sportowych i suplementów diety dostarcza tych jonów w celu zastąpienia tych utraconych z organizmu poprzez pocenie się podczas ćwiczeń.

Wiązania kowalencyjne

Innym sposobem, w jaki reguła oktetu może być spełniona jest dzielenie elektronów pomiędzy atomami w celu utworzenia wiązań kowalencyjnych. Wiązania te są znacznie bardziej powszechne niż wiązania jonowe w cząsteczkach organizmów żywych. Wiązania kowalencyjne są powszechnie spotykane w cząsteczkach organicznych opartych na węglu, takich jak nasze DNA i białka. Wiązania kowalencyjne występują również w cząsteczkach nieorganicznych, takich jak H2O, CO2 i O2. Jedna, dwie lub trzy pary elektronów mogą być współdzielone, tworząc odpowiednio wiązania pojedyncze, podwójne i potrójne. Im więcej wiązań kowalencyjnych pomiędzy dwoma atomami, tym silniejsze jest ich połączenie. Tak więc, potrójne wiązania są najsilniejsze.

Siła różnych poziomów wiązania kowalencyjnego jest jednym z głównych powodów organizmy żywe mają trudny czas w nabywaniu azotu do użytku w konstruowaniu ich cząsteczek, nawet jeśli azot cząsteczkowy, N2, jest najbardziej obfite gazu w atmosferze. Azot cząsteczkowy składa się z dwóch atomów azotu potrójnie połączonych ze sobą i, jak w przypadku wszystkich cząsteczek, dzielenie tych trzech par elektronów pomiędzy dwoma atomami azotu pozwala na wypełnienie ich zewnętrznych powłok elektronowych, dzięki czemu cząsteczka jest bardziej stabilna niż poszczególne atomy azotu. Ten silny potrójne wiązanie sprawia, że trudne dla żywych systemów do rozbicia tego azotu w celu wykorzystania go jako składniki białek i DNA.

Formowanie cząsteczek wody stanowi przykład wiązania kowalencyjnego. Atomy wodoru i tlenu, które łączą się, aby utworzyć cząsteczki wody są związane razem przez wiązania kowalencyjne. Elektron z wodoru dzieli swój czas pomiędzy niekompletną zewnętrzną powłokę atomów wodoru i niekompletną zewnętrzną powłokę atomów tlenu. Aby całkowicie wypełnić zewnętrzną powłokę tlenu, który posiada sześć elektronów w swojej zewnętrznej powłoce, ale który byłby bardziej stabilny z ośmioma, potrzebne są dwa elektrony (po jednym z każdego atomu wodoru): stąd dobrze znany wzór H2O. Elektrony są dzielone między dwa elementy, aby wypełnić zewnętrzną powłokę każdego z nich, dzięki czemu oba elementy są bardziej stabilne.

Biegunowe wiązania kowalencyjne

Są dwa rodzaje wiązań kowalencyjnych: biegunowe i niepolarne. W polarnym wiązaniu kowalencyjnym, pokazanym na Rysunku 2, elektrony są nierówno podzielone między atomy i są bardziej przyciągane do jednego jądra niż do drugiego. Z powodu nierównego podziału elektronów pomiędzy atomy różnych pierwiastków, powstaje lekko dodatni (δ+) lub lekko ujemny (δ-) ładunek. Ten częściowy ładunek jest ważną właściwością wody i stanowi o wielu jego characteristics.

Woda jest cząsteczką polarną, z atomów wodoru nabywa częściowy ładunek dodatni i tlenu częściowy ładunek ujemny. Dzieje się tak dlatego, że jądro atomu tlenu jest bardziej atrakcyjna dla elektronów atomów wodoru niż jądro wodoru jest do tlenu elektronów. Tak więc tlen ma wyższą elektroujemność niż wodór i wspólne elektrony spędzają więcej czasu w pobliżu jądra tlenu niż w pobliżu jądra atomów wodoru, dając atomom tlenu i wodoru nieznacznie ujemne i dodatnie ładunki, odpowiednio. Innym sposobem powiedzenia tego jest to, że prawdopodobieństwo znalezienia współdzielonego elektronu w pobliżu jądra tlenu jest większe niż znalezienie go w pobliżu jądra wodoru. Tak czy inaczej, względna elektronegatywność atomu przyczynia się do powstawania ładunków cząstkowych, gdy jeden element jest znacznie bardziej elektronegatywny od drugiego, a ładunki generowane przez te polarne wiązania mogą być następnie wykorzystane do tworzenia wiązań wodorowych opartych na przyciąganiu przeciwnych ładunków cząstkowych. (Wiązania wodorowe, które są szczegółowo omówione poniżej, są słabymi wiązaniami pomiędzy lekko dodatnio naładowanymi atomami wodoru a lekko ujemnie naładowanymi atomami w innych cząsteczkach). Ponieważ makromolekuły często mają atomy w nich, które różnią się pod względem elektroujemności, wiązania polarne są często obecne w cząsteczkach organicznych.

Nonpolarne wiązania kowalencyjne

Niepolarne wiązania kowalencyjne tworzą się między dwoma atomami tego samego pierwiastka lub między różnymi pierwiastkami, które równo dzielą się elektronami. Na przykład, tlen cząsteczkowy (O2) jest niepolarny, ponieważ elektrony będą równo rozdzielone pomiędzy dwa atomy tlenu.

Innym przykładem niepolarnego wiązania kowalencyjnego jest metan (CH4), również pokazany na rysunku 2. Węgiel ma cztery elektrony w swojej najbardziej zewnętrznej powłoce i potrzebuje jeszcze czterech, aby ją wypełnić. Otrzymuje te cztery elektrony od czterech atomów wodoru, każdy atom dostarcza jeden, tworząc stabilną zewnętrzną powłokę ośmiu elektronów. Węgiel i wodór nie mają tej samej elektroujemności, ale są podobne; dlatego tworzą się wiązania niepolarne. Atomy wodoru potrzebują po jednym elektronie do swojej najbardziej zewnętrznej powłoki, która jest wypełniona, gdy zawiera dwa elektrony. Elementy te dzielą elektrony równo między węgle i atomy wodoru, tworząc niepolarną cząsteczkę kowalencyjną.

Wiązania wodorowe

Wiązania jonowe i kowalencyjne między elementami wymagają energii do przerwania. Wiązania jonowe nie są tak silne jak kowalencyjne, co determinuje ich zachowanie w układach biologicznych. Jednak nie wszystkie wiązania są wiązaniami jonowymi lub kowalencyjnymi. Między cząsteczkami mogą tworzyć się również słabsze wiązania. Dwa słabe wiązania, które często występują, to wiązania wodorowe i oddziaływania van der Waalsa. Bez tych dwóch rodzajów wiązań życie, jakie znamy, nie mogłoby istnieć. Wiązania wodorowe zapewniają wiele krytycznych, podtrzymujących życie właściwości wody, a także stabilizują struktury białek i DNA, budulec komórek.

Gdy polarne wiązania kowalencyjne zawierające wodór tworzą się, wodór w tym wiązaniu ma lekko dodatni ładunek, ponieważ elektron wodoru jest przyciągany silniej w kierunku innego elementu i z dala od wodoru. Ponieważ wodór jest lekko dodatni, będzie on przyciągany do sąsiednich ładunków ujemnych. Kiedy tak się dzieje, powstaje słabe oddziaływanie pomiędzy ładunkiem δ+ wodoru z jednej cząsteczki i ładunkiem δ- na bardziej elektronegatywnych atomach innej cząsteczki, zwykle tlenu lub azotu, lub w tej samej cząsteczce. To oddziaływanie nazywane jest wiązaniem wodorowym. Ten typ wiązania jest powszechny i występuje regularnie pomiędzy cząsteczkami wody. Pojedyncze wiązania wodorowe są słabe i łatwo ulegają rozerwaniu; jednakże występują one w bardzo dużej ilości w wodzie i polimerach organicznych, tworząc główną siłę w połączeniu. Wiązania wodorowe są również odpowiedzialne za zipping razem podwójnej helisy DNA.

Check Your Understanding

Odpowiedz na pytanie(a) poniżej, aby sprawdzić, jak dobrze rozumiesz tematy poruszone w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie wlicza się do oceny z zajęć i można go powtórzyć nieograniczoną liczbę razy.

Użyj tego quizu, aby sprawdzić swoje zrozumienie i zdecydować, czy (1) studiować dalej poprzednią sekcję, czy (2) przejść do następnej sekcji.

.