Химични връзки

Живите организми са изградени от атоми, но в повечето случаи тези атоми не се носят наоколо самостоятелно. Вместо това те обикновено взаимодействат с други атоми (или групи от атоми).

Например атомите може да са свързани от здрави връзки и организирани в молекули или кристали. Или може да образуват временни слаби връзки с други атоми, с които се сблъскват или допират. И силните връзки, които задържат молекулите заедно, и слабите връзки, които създават временни свързвания, са жизнено важни за химичните процеси в телата ни и за съществуването на самия живот.

Защо се образуват химични връзки? Основният отговор е, че атомите се опитват да достигнат най-стабилното (с ниска енергия) състояние, което могат. Много атоми стават стабилни, когато техният валентен слой е запълнен с електрони или когато е изпълнено октетното правило (като имат осем валентни електрона). Ако атомите нямат такова електронна конфигурация, те ще "искат" да я постигнат, като привлекат, отдадат или споделят електрони чрез химични връзки.

Някои атоми стават по-стабилни, когато получат или изгубят цял електрон (или няколко електрона). Когато направят това, атомите образуват йони, или заредени частици. Привличането или отдаването на електрон може да позволи на един атом да запълни най-външния си електронен слой и да стане енергийно по-стабилен.

Йоните са два вида. Катионите са положителни йони, образувани при отдаване на електрони. Например един натриев атом отдава електрон и се превръща в натриев катион, ${\text{Na}}^{+}$‍. Отрицателните йони се образуват при привличане на електрон и се наричат аниони. Анионите се наименуват с използването на наставката "-ид": например анионът на хлора (${\text{Cl}}^{-}$‍) се нарича хлориден анион.

Когато един атом загуби един електрон, а друг атом получи този електрон, процесът се нарича трансфер на електрони (електронен трансфер). Натриевите и хлорните атоми са добър пример за електронен трансфер.

Натрият (Na) има само един електрон във външния си електронен слой, така че е по-лесно (по-добре от енергийна гледна точка) натрият да отдаде този един електрон, отколкото да намери още седем електрона, за да запълни най-външния си слой. Поради това натрият по принцип отдава единия си електрон, образувайки Na${}^{+}$‍.

Хлорът (Cl), от друга страна, има седем електрона в най-външния си слой. В този случай е по-лесно хлорът да приеме един електрон, отколкото да изгуби седем, така че по принцип той приема един електрон и става Cl${}^{-}$‍.

Когато натрият и хлорът се свържат, натрият ще отдаде единия си електрон, за да изпразни най-външния си електронен слой, а хлорът ще приеме този електрон, за да запълни своя слой. И двата йона сега изпълняват октетното правило и имат запълнен най-външен слой. Понеже броят електрони вече не е равен на броя протони, всеки атом сега е йон и има +1 (Na${}^{+}$‍) или –1 (Cl${}^{-}$‍) заряд.

В общия случай отдаването на електрон от един атом и получаването на електрон от друг атом трябва да се случи по едно и също време: за да може един натриев атом да отдаде своя електрон, трябва да има подходящ получател като един хлорен атом.

Йонните връзки са връзки, образувани между йони с противоположни заряди. Например положително заредени натриеви йони и отрицателно заредени хлорни йони се привличат взаимно, за да създадат натриев хлорид, или трапезна сол. Трапезната сол, както много други йонни съединения, не се състои от само един натриев и един хлорен йон; вместо това тя съдържа много йони, подредени в повтарящ се предвидим 3D модел (кристал).${}^1$‍

Определени йони се наричат електролити във физиологията (включително натрият, калият и калцият). Тези йони са необходими за провеждането на нервните импулси, съкращенията на мускулите и водния баланс. Много спортни напитки и хранителни добавки съдържат тези йони, за да заместят тези, изгубени от тялото чрез потене по време на тренировка.

Друг начин атомите да станат по-стабилни е като споделят електрони (а не напълно да ги получават или губят), формирайки т.нар. ковалентни връзки. Ковалентните връзки се срещат по-често от йонните връзки в молекулите на живите организми.

Например ковалентните връзки са ключови за структурата на базираните на въглерода органични съедниения като нашето ДНК и протеини. Ковалентните връзки се срещат и в по-малки неорганични молекули като ${\text{H}}_2\text{O}$‍, ${\text{CO}}_2$‍ и ${\text{O}}_2$‍. Една, две или три двойки електрони може да бъдат споделени между атомите, при което се образуват съответно единични, двойни или тройни връзки. Колкото повече електрони са споделени между два атома, толкова по-силно са свързани.

Като пример за ковалентно свързване нека разгледаме водата. Една водна молекула, ${\text{H}}_2\text{O}$‍, се състои от два водородни атома, свързани с един кислороден атом. Всеки водороден атом споделя един електрон с кислорода и кислородът споделя един от електроните си с всеки водороден атом:

Споделените електрони се разпределят между валентните слоеве на водородните и кислородните атоми и в тази ситуация изглежда, че всеки атом има пълен валентен слой (два електрона за Н, осем за О). Това прави водната молекула много по-стабилна, отколкото съставните ѝ атоми биха били поотделно.

Има два основни вида ковалентни връзки: полярни и неполярни. В една полярна ковалентни връзка електроните биват неравномерно споделени от атомите и прекарват повече време близо до единия от атомите, отколкото до другия. Поради неравномерното разпределение на електроните между атомите на различните елементи, в различни части на молекулата се развиват леко положителни (δ+) и леко отрицателни (δ–) заряди.

В една водна молекула (по-горе) връзката, която свързва кислородния атом с всеки водороден атом, е полярна връзка. Кислородът е много по-електроотрицателен атом, отколкото водорода, което означава, че привлича споделените електрони много по-силно, така че кислородът в молекулата на водата има частичен отрицателен заряд (има висока електронна плътност), докато водородите носят частично положителни заряди (имат ниска електронна плътност).

Като цяло относителната електроотрицателност на два атома в една връзка – тоест тяхната склонност да "привличат" споделени електрони – определя дали една ковалентна връзка е полярна, или е неполярна. Когато единият елемент е значително по-електроотрицателен от другия, връзката между тях ще е полярна, което означава, че единият ѝ край ще има слабо положителен заряд, а другият – слабо отрицателен заряд.

Неполярни ковалентни връзки се образуват между два атома на един и същи елемент или между атоми на различни елементи, които споделят електрони повече или по-малко равномерно. Например молекулата на кислорода (${\text{O}}_2$‍) е неполярна, понеже електроните са равномерно споделени между двата кислородни атома.

Друг пример за неполярна ковалентна връзка е молекулата на метана (${\text{CH}}_4$‍). Въгледорът има четири електрона в най-външния си електронен слой и се нуждае от още четири, за да постигне стабилен октет. Той получава това, споделяйки електрони с четири водородни атома, всеки от които предлага по един електрон. И обратно, всеки от водородните атоми се нуждае от един допълнителен електрон, за да запълни своя най-външен електронен слой, което те получават във формата на споделени електрони от въглерода. Въпреки че електроотрацателностите на въглерода и водорода не са равни, те са доста близки, така че въглерод-водородните връзки се смятат за неполярни.

Ковалентните и йонните връзки обикновено се считат за силни връзки. Въпреки това други видове по-преходни връзки също могат да се образуват между атоми или молекули. Два вида слаби връзки, често срещани в биологията, са водородните връзки и дисперсионните сили.

Да не сме прекалено драматични, но без тези два вида връзки, животът, както го познаваме, няма да съществува! Например на водородните връзки се дължат много от животоподдържащите свойства на водата и стабилизират структурите на протеините и ДНК, които са ключови съставки на клетките.

В една полярна ковалентна връзка, която съдържа водород (например О-Н връзка в една водна молекула), водородът ще има леко положителен заряд, понеже електроните на връзката са привлечени по-силно от другия елемент. Поради този леко положителен заряд водородът се привлича от всякакви съседни отрицателни заряди. Това взаимодействие се нарича водородна връзка.

Водородните връзки се срещат често и по-специално водните молекули образуват много такива. Отделните водородни връзки са слаби и лесно могат да се разкъсат, но много водородни връзки в едно могат да са много силни.

Както водородните връзки, дисперсионните сили (на Лондон) са слаби привличания между молекули. Но за разлика от водородните връзки те могат да се получат между атоми или молекули от всеки вид и зависят от временните дисбаланси в разпределението на електроните.

Как работи това? Понеже електроните са постоянно в движение, ще има моменти, когато електроните на един атом или молекула са скупчени заедно, създавайки частично отрицателен заряд в една част на молекулата (и частично положителен заряд в друга част). Ако молекула с такъв дисбаланс на заряда е много близо до друга молекула, тя може да се окаже в близост с подобно преразпределение на заряда във втората молекула и временните положителни и отрицателни заряди на двете молекули ще се привлекат взаимно.${}^2$‍

Водородните връзки и дисперсионните сили на Лондон са примери за сили на Ван дер Ваалс, общ термин за междумолекулни взаимодействия, които не включват ковалентни връзки или йони.${}^3$‍ Някои учебници използват термина "сили на Ван дер Ваалс" само за дисперсионните сили, така че провери какво определение се използва в учебника ти или от учителя ти.

И силните, и слабите връзки играят важна роля в химичните процеси, протичащи в клетките и телата ни. Например силните ковалентни връзки задържат в едно химичните градивни блокове, които изграждат една верига ДНК. Но по-слабите водородни връзки задържат в едно двете вериги на двойната спирала на ДНК. Тези слаби връзки поддържат ДНК стабилна, но също позволяват тя да бъде "отворена" за копиране и използване от клетката.

По-общо казано, връзките между йони, водни молекули и полярни молекули постоянно се образуват и разделят във водната среда на една клетка. При тези обстоятелства молекулите от различни видове могат и ще взаимодействат помежду си чрез слаби връзки, основани на заряда. Например един Na${}^{+}$‍ йон може да взаимодейства с една водна молекула в един момент и с отрицателно заредената част на един протеин в следващия момент.

Наистина е удивително да си представим, че милиарди химични връзки – силни и слаби, стабилни и временни – съществуват в телата ни точно сега, задържайки ни в едно цяло!