"Биология. Порядок в живой природе", Вахрушев А.А., Бурский О.В., Раутиан А.С., Родионова Е.И.
Химические связи удерживают атомы вместе и определяют, какими свойствами обладают молекулы и вещества. Атомы образуют связи, потому что так их внешние электронные слои становятся устойчивее. В ковалентной связи атомы используют общую электронную пару, в ионной один атом передаёт электрон другому, а водородная связь возникает между частично заряженными участками молекул. В живых организмах особенно важны сочетания прочных ковалентных и более слабых водородных связей: они помогают строить молекулы и сохранять их форму.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химическая связь — взаимодействие атомов, удерживающее их вместе в молекуле или кристалле. Иными словами, связь не даёт атомам просто разлететься по отдельности. Благодаря связям существуют молекулы воды, белки и другие вещества.
Валентные электроны — электроны внешнего электронного слоя, участвующие в образовании химических связей. Именно они взаимодействуют с электронами других атомов. Зная об этих электронах, можно понять, сколько и каких связей способен образовать атом.
Ковалентная связь возникает за счёт общей электронной пары: электроны принадлежат сразу двум связанным атомам. Если пара распределена почти равномерно, связь неполярная; если смещена к одному атому — полярная. Это различие помогает объяснить свойства молекул и их взаимодействие с водой.
Ионная связь — притяжение противоположно заряженных ионов, возникающих, когда электрон переходит от одного атома к другому. Атом, отдавший электрон, становится положительным ионом, а принявший — отрицательным. Такое понятие нужно, чтобы отличать ионное соединение от молекулы с общей электронной парой.
Водородная связь — слабое притяжение между атомом водорода одной молекулы или её части и электроотрицательным атомом другой. Она возникает между участками, имеющими частичные заряды, а не из-за перехода электрона. Такие связи помогают удерживать форму крупных биологических молекул.
Атомы вступают в связи не случайно: связь помогает сделать их внешние электронные слои устойчивее. Для этого атомы могут делиться электронами или передавать их друг другу. В результате образуется более устойчивое соединение, а свойства вещества зависят от того, каким способом атомы удерживаются вместе.
При ковалентной связи каждый из двух атомов предоставляет электрон для общей пары, которая притягивается к обоим ядрам. Если атомы одинаковые или близкие по способности притягивать электроны, пара распределяется почти равномерно, и связь называют неполярной. Если один атом притягивает электроны сильнее, пара смещается к нему: на нём появляется небольшой отрицательный заряд, а на другом — небольшой положительный. Так возникает полярная ковалентная связь, хотя электроны остаются общими.
Ионная связь начинается с перехода электрона: атом, отдавший его, становится положительно заряженным, а принявший — отрицательно заряженным. Разноимённые заряды притягиваются, поэтому ионы образуют устойчивое соединение. В отличие от ковалентной связи, здесь нет общей пары, которой совместно владеют два атома. В воде многие ионные вещества распадаются на отдельные ионы, взаимодействующие с полярными молекулами воды.
В молекуле воды кислород сильнее притягивает общие электронные пары, чем водород. Электроны смещаются к кислороду, поэтому он получает частичный отрицательный заряд, а атомы водорода — частичный положительный. Молекула в целом остаётся нейтральной, но её заряды распределены неравномерно, то есть она полярна. Положительно заряженный участок одной молекулы притягивается к отрицательному участку соседней — так образуется водородная связь.
Свойства живых веществ определяются не одной связью, а сочетанием связей разной прочности. Ковалентные связи формируют прочную основу молекул, а более слабые водородные помогают удерживать их пространственную форму и могут разрываться при изменении условий. Вода благодаря полярности взаимодействует с ионами и другими полярными веществами, а водородные связи влияют на её свойства. В белках и нуклеиновых кислотах сочетание прочных и слабых связей помогает одновременно сохранять структуру и менять её при необходимости.
| Свойство | Ковалентная неполярная | Ковалентная полярная | Ионная | Водородная |
|---|---|---|---|---|
| Как образуется | Общая электронная пара распределена почти равномерно | Общая электронная пара смещена к одному из атомов | Электрон переходит от одного атома к другому, затем ионы притягиваются | Притяжение частично заряженных участков молекул |
| Относительная прочность | Обычно прочная | Обычно прочная | Сильное притяжение в кристалле; в воде взаимодействие ослабляется | Отдельная связь слабее ковалентной |
| Примеры веществ или структур | Связи между атомами в O₂ | Связи O–H в молекуле воды | Ионы в кристалле поваренной соли | Связи между молекулами воды и между цепями ДНК |
| Роль в живой природе | Удерживает атомы в молекулах, например в кислороде | Формирует молекулы и распределение зарядов в них | Обеспечивает взаимодействие ионов и их участие в клеточных процессах | Помогает стабилизировать структуры воды, белков и нуклеиновых кислот |
| Что происходит при растворении в воде | Обычно молекулы остаются целыми | Полярные молекулы могут взаимодействовать с водой | Многие вещества распадаются на ионы | Связи могут перестраиваться при взаимодействии с водой |
Сначала сравнивай способ образования связи: общая пара, переход электрона или притяжение частичных зарядов. Затем учитывай прочность и то, что происходит с веществом в воде. В таблице приведены общие закономерности: поведение конкретного вещества зависит от его строения и условий.
Условие: определить тип связи между атомами кислорода и объяснить распределение электронов. Нужно выяснить, одинаково ли атомы притягивают общую электронную пару. Сравнение свойств атомов здесь надёжнее, чем попытка судить о связи только по формуле молекулы.
Ответ: между атомами кислорода в O₂ — ковалентная неполярная связь. Электроны общей пары не смещены к одному из атомов.
Условие: определить тип связей в молекуле H₂O и объяснить притяжение молекул воды друг к другу. Здесь важно отдельно рассмотреть связи внутри молекулы и взаимодействия между разными молекулами. Одно и то же слово «связь» может обозначать эти разные взаимодействия, но их нельзя смешивать.
Ответ: в H₂O есть полярные ковалентные связи O–H, а между молекулами воды образуются водородные связи. Они не заменяют ковалентные связи внутри молекулы.
Условие: объяснить, как водородные связи поддерживают двойную спираль ДНК и почему их разрыв не разрушает нуклеотиды. Для решения нужно рассмотреть строение ДНК как двух цепей и сравнить связи между цепями со связями внутри каждой цепи. Важно также не считать все связи в молекуле одинаковыми по прочности.
Ответ: водородные связи стабилизируют пару цепей ДНК, а ковалентные связи сохраняют нуклеотиды в каждой цепи. Поэтому разъединение цепей не означает разрушения самих нуклеотидов.
Ошибка: считать ионную связь общей электронной парой. Её часто путают с ковалентной, потому что обе связывают атомы в вещество. При ионной связи электрон сначала переходит от одного атома к другому, а затем притягиваются образовавшиеся ионы. Проверь себя: если электроны общие — связь ковалентная, если произошёл переход электрона — ионная.
Ошибка: называть водородной любую связь с участием водорода. Название может навести на мысль, что речь идёт о любой связи атома водорода. Но водородная связь — это притяжение частично заряженных участков, обычно между молекулами или частями одной крупной молекулы. Проверь, есть ли такие частичные заряды и речь ли идёт именно о притяжении, а не о связи атомов внутри молекулы.
Ошибка: считать полярную ковалентную связь в воде ионной. Это происходит потому, что электронная пара в связи O–H смещена к кислороду. Однако смещение не означает полного перехода электронов: пара остаётся общей. Проверь себя: при ковалентной связи электроны используются совместно, а при ионной один атом передаёт электрон другому.
Ошибка: считать водородные связи прочнее ковалентных. Их множество действительно может заметно укрепить структуру, например двойную спираль ДНК. Но отдельная водородная связь слабее ковалентной, поэтому такую структуру можно разъединить без разрыва прочных связей внутри цепей. Проверь, сравниваешь ли ты одну связь с одной или учитываешь суммарный эффект большого числа взаимодействий.
Для понимания темы нужны знания о строении атома и электронных оболочках, а также о заряде ионов. Эти представления помогают разбираться, как образуются связи и почему вещества ведут себя по-разному. Позже они пригодятся при изучении воды, белков, ДНК и РНК, клеточных мембран и взаимодействий веществ в клетке. Связь с химией позволяет объяснить растворимость, кислотно-щелочные свойства и зависимость биологических процессов от среды.
Почему атомы вообще образуют химические связи?
При образовании связи атомы могут достичь более устойчивого состояния внешнего электронного слоя. Поэтому соединение атомов энергетически выгоднее, чем их раздельное существование в определённых условиях.
Чем полярная ковалентная связь отличается от ионной?
В полярной ковалентной связи атомы совместно используют электронную пару, но она смещена к одному из них. При ионной связи электрон переходит от одного атома к другому, и затем противоположно заряженные ионы притягиваются.
Почему вода растворяет многие вещества?
Молекулы воды полярны: у них есть участки с небольшими положительным и отрицательным зарядами. Эти участки взаимодействуют с ионами и полярными молекулами, помогая им отделяться друг от друга и распределяться в воде.
Как слабые водородные связи могут удерживать структуру ДНК?
Между двумя цепями ДНК образуется много водородных связей, и вместе они стабилизируют двойную спираль. Каждая из них слабее ковалентных связей внутри цепей, поэтому цепи можно разделить, не разрушая состав нуклеотидов.
Можно ли разорвать химическую связь без разрушения вещества?
Разрыв связи меняет структуру вещества, но не всегда уничтожает его полностью. Например, при разделении цепей ДНК разрываются водородные связи между ними, а ковалентные связи внутри каждой цепи сохраняются.
§ 6. Химические связи решают всё
