Химические связи

Химические связи объединяют атомы в тесные и более или менее стабильные взаимодействия. Образование и разрыв связей в химических реакциях - это то, что создает и преобразует вещества. Это постоянно происходит в каждой живой клетке и позволяет создавать большие молекулы и сложные органические структуры.

В этом разделе мы обсудим различные виды химических связей и другие виды взаимодействий.

Ковалентные связи

Самым сильным и стабильным взаимодействием между двумя атомами является ковалентная связь. Стремясь заполнить свои валентные оболочки, чтобы достичь состояния высокой стабильности, два атома могут обмениваться электронными парами, образуя прочную так называемую ковалентную связь.

В изображенном примере два атома водорода образуют связь, каждый из которых делится своим единственным электроном. Поскольку водород имеет только одну оболочку, которая (будучи самой внутренней) может вмещать до двух электронов, два атома заполнили таким образом свою валентную оболочку. Чистый водород обычно существует только в виде "H₂".

В биологии связи между водородом и углеродом встречаются повсеместно. Как правило, в образовании связей участвуют только валентные электроны, которых у углерода четыре во внешней оболочке. Будучи второй по счету внутренней оболочкой, он может удерживать до восьми электронов, поэтому для достижения наиболее стабильной конфигурации ему требуется еще четыре. Помимо одинарных связей, атомы могут образовывать и множественные (например, двойные и тройные) связи. В правой части рисунка показан наиболее распространенный способ изображения химических структур, где связи показаны в виде линий между символами элементов.

Скелетные формулы

Поскольку связи между водородом и углеродом так распространены в органических соединениях, мы часто используем упрощённый способ изображения структур молекул. Рисуются только те связи, которые углерод образует с другими атомами, кроме водорода, а атомы углерода подразумеваются в изгибах линий и на конечных точках без подписей. Связи с водородом полностью опускаются, поскольку число атомов водорода можно определить по количеству связей, которые атом углерода образует с другими атомами.

Типичные валентности

Для биолога наиболее полезно знать о ковалентных связях типичное число связей, которые образует в молекулах каждый из шести биологически наиболее важных элементов. Это число называется "валентностью", поскольку оно напрямую связано с количеством электронов в валентной оболочке атома, которое необходимо для получения стабильной конфигурации.

Ионные связи

При взаимодействии атомов некоторых элементов, например натрия (Na) и хлора (Cl), притяжение со стороны атома с высокой электроотрицательностью — в данном случае Cl — настолько велико, что он не делит единственный валентный электрон партнёра, а полностью забирает его. В результате атомы превращаются в заряженные ионы, удерживаемые электростатическим притяжением. Такое взаимодействие, называемое ионной связью, относительно слабое и составляет примерно 1/10 прочности ковалентной связи.

Водородные связи

В некоторых случаях электронное притяжение двух разных атомов ("электроотрицательность") сильно неравнозначно, но недостаточно для полного переноса электрона. Это приводит к полярности внутри молекулы из-за частичного заряда (∂⁺/∂⁻), например, в молекулах воды. Части разных (водородсодержащих) молекул с противоположными частичными зарядами могут образовывать так называемые водородные связи. Водородные связи относительно слабые, подобно ионным связям.

В следующем разделе мы узнаем, как изменяются взаимодействия в химических реакциях.