Связи между атомами

Выше мы описали электрически нейтральные атомы и привели их модели. Однако лишь немногие атомы существуют в природе поодиночке, поскольку у большинства элементов атомы химически нестабильны. На рис.

9.3 и 9.4 пространство вокруг ядра каждого атома разделено на несколько слоев, в каждом из которых находятся электроны. Такие слои называются электронными оболочками. Для того чтобы атом был стабильным, его внешняя оболочка должна быть «заполнена» определенным числом электронов; у водорода и гелия это число равно двум, а у других элементов, о которых мы здесь будем говорить,-восьми. (На рис. 9.2 видно, что у атома гелия действительно имеются два электрона; поэтому он стабилен и «инертен», существует в свободном виде и не вовлекается в те реакции, о которых мы будем говорить ниже.)
Атомы с незаполненными внешними электронными оболочками способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов, в результате которой внешняя электронная оболочка у каждого атома оказывается заполненной и атом становится более стабильным. (Атомные ядра не изменяются, так что после завершения реакции участвовавшие в ней атомы остаются атомами того же самого элемента, который вступил в реакцию.)
В живых организмах важную роль играют три типа связей:

Ионная связь, которая образуется, когда атом отдает другому атому один или несколько электронов, в результате чего каждый из атомов оказывается обладателем стабильного набора электронов. У атома натрия, например, на внешней оболочке имеется один электрон, но натрий более стабилен без этого внешнего электрона. Атому хлора, напротив, для большей стабильности внешней оболочки требуется еще один электрон; он может принять этот электрон от натрия (рис. 9.4). После того как электрон перейдет от атома натрия к атому хлора, число протонов у натрия будет на единицу больше, чем число электронов, так что его суммарный заряд станет равным + 1. Теперь это будет уже не атом, а ион натрия (заряженная частица). У хлора, получившего добавочный электрон, суммарный заряд будет равен — 1; такую частицу называют ионом хлора или хлорид-ионом. Ионы натрия и хлора, несущие противоположные заряды, притягиваются друг к другу и образуют кристаллы хлористого натрия-всем нам хорошо знакомую поваренную соль. Ковалентная связь, которая образуется, когда у двух атомов возникает обобществленная пара электронов - по одному электрону от каждого атома.

Так, два водородных атома, имеющие по одному электрону, могут обобществлять их, и тогда каждый из них будет иметь заполненную внешнюю оболочку с двумя электронами (рис. 9.5). Между двумя атомами могут быть поделены и две пары электронов; в таком случае образуется двойная ковалентная связь (рис. 9.6).
При возникновении между двумя атомами одного и того же элемента ковалентной связи эти атомы с равной силой притягивают обобществленную пару электронов, так что большую часть времени электроны находятся посередине между ними (рис. 9.5 и 9.6). Если же два атома принадлежат разным элементам, то один из них обычно притягивает электроны сильнее, чем другой, и обобществленные электроны по большей части находятся возле него. В силу этого распределение электрического заряда в такой ковалентной связи смещено, и связь называют полярной. В полярной связи один атом, по сути дела, частично утрачивает электрон и несет частичный положительный заряд, тогда как другой частично приобретает электрон и обладает частичным отрицательным зарядом (рис. 9.7).

Рис. 9.6. Двойная ковалентная связь между двумя атомами кислорода. Две пары электронов поделены между этими двумя атомами, благодаря чему каждый атом имеет заполненную внешнюю оболочку с восемью электронами.

В зависимости от их полярности связи между атомами можно расположить в непрерывный ряд, на одном конце которого находятся неполярные (электрически симметричные) ковалентные связи, а на другом конце-ионная связь, резко асимметричная, поскольку всеми участвующими в ее образовании электронами завладевает один атом.

Между этими двумя крайними точками находятся полярные ковалентные связи, в которых обобществленные электроны притягиваются обоими атомами, но с разной силой.

3. Водородная связь-это третий тип связи между атомами, играющий важную роль в живых организмах. В образовании этой связи участвует водородный атом, соединенный полярной ковалентной связью с каким-нибудь другим атомом (обычно-кислородом или азотом) таким образом, что водород несет частичный положительный заряд. Этот частичный положительный заряд притягивается третьим атомом (опять-таки, как правило, кислородом или азотом), несущим частичный отрицательный заряд; такое притяжение и называют водородной связью (рис. 9.8). В сравнении с ионной или ковалентной связью одиночная водородная связь-слабая связь, и поэтому она легко рвется, но множество таких связей способно породить силу, на которой в прямом смысле слова «держится» все живое.

9.3. Соединения и молекулы
Атомы каждого элемента могут присоединять к себе, терять или обобществлять лишь некоторое определенное число электронов. Поэтому типы связей, которые способен образовать данный атом, предсказуемы и число их ограниченно. Атом натрия, например, может, отдав один электрон, образовать ионную связь. Знакомясь с химией жизни, мы увидим, что атомы четырех самых распространенных в живом мире элементов образуют следующее число связей: углерод-4, азот-3, кислород-2 и водород-1.
Соединением называют вещество, в котором с помощью определенных связей атомы двух или нескольких различных элементов объединены в определенном соотношении. Соединение характеризуется определенным составом и определенным набором свойств, отличающихся от свойств элементов, из которых оно состоит. В этой главе мы уже встречались с некоторыми соединениями, когда упоминали о воде, окиси железа, хлористом натрии и хлористом водороде. Молекула-это мельчайшая частица какого-нибудь соединения, сохраняющая все свойства этого соединения подобно тому, как атом-это мельчайшая частица элемента, сохраняющая все его свойства. (Соединения с ионными связями, такие, как хлористый натрий, состоят, как принято считать, не из молекул, а из ионов.)
Для изображения химического состава соединений химики используют особую систему сокращений, в которой атомы различных элементов обозначаются одно- или двухбуквенными символами (см. табл. 9.1). Общая формула (брутто-формула) данного соединения показывает, какие атомы и в каком соотношении входят в его состав. Так, формула воды Н20 и, следовательно, каждая ее молекула состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). В поваренной соли, NaCl, на один ион натрия (его обозначают Na + , чтобы отметить его положительный заряд) приходится один ион хлора (С1 “). Молекулярный кислород, 02, состоит из двух кислородных атомов.
Структурные формулы более громоздки, чем брутто-формулы, но зато они дают нам представление о расположении атомов и связей, а не только об их природе и числе. Структурная формула воды, Н—О—Н, показывает, например, что каждый из двух ее водородных атомов присоединен к кислороду по отдельности; черточки между атомами обозначают здесь ковалентные связи. Если два каких-нибудь соединения содержат одинаковое число одних и тех же атомов, то различить их можно лишь по структурным формулам (рис. 9.9).
Рис. 9.9. Структурные формулы двух соединений, у которых брутто-формулы одинаковы (С2Н60). Этиловый спирт, называемый также этанолом, это тот спирт, который содержится в алкогольных напитках.

<< | >>

Источник: Кемп П., Арме К.. Введение в биологию. 1988

Еще по теме Связи между атомами:

- Биология индивидуального развития - Для внеклассного чтения - История биологии - Книги по биологии - Научно-популярная биология - Теория эволюции - Физиология животных -

- Биология - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -