загрузка...
загрузка...
На головну

міжмолекулярної взаємодії

  1. II. Технологія індивідуального виховного взаємодії з дитиною
  2. III. Технологія педагогічної взаємодії з батьками школярів
  3. Interaction diagram (діаграма взаємодії)
  4. Аналіз взаємодії різних ринків на основі теорії загальної рівноваги
  5. Аналіз відомих реологічних методів опису взаємодії вібруючих робочих органів з порошковими середовищами
  6. Біолого-психологічні взаємодії і психічні розлади
  7. Вербальні засоби мовного взаємодії

терміном міжмолекулярні взаємодіїкористуються для опису всіх типів взаємодій між частинками, що призводять до утворення з них асоціатів з досить певною структурою. Можливість існування більшості речовин і в твердому і в рідкому стані однозначно свідчить про те, що між молекулами цих речовин

діють сили тяжіння, які прийнято називати міжмолекулярними зв'язками або взаємодіями. Дане поняття використовується і в тих випадках, коли йдеться про взаємодію з участю іонів, а також молекулярних і іонно-молекулярних асоціатів. Тому ці взаємодії в більш загальному вигляді можна називати "асоціативними взаємодіями". Іноді, особливо в молекулах біополімерів (білках, нуклеїнових кислотах і полисахаридах), спостерігається взаємодія, т. Е. Асоціація, між різними групами або атомами однієї молекули, яке, хоча і називається внутрімолекулярних, але за своєю природою аналогічно міжмолекулярним взаємодій.

Все міжмолекулярні взаємодії мають в основі електричну природу, згідно з якою різнойменні заряди притягуються, а однойменні відштовхуються. За рахунок міжмолекулярних зв'язків з окремих частинок утворюються асоціати, які частково або повністю руйнуються при переході речовини з твердого агрегатного стану в рідке або газоподібне. Залежно від природи взаємодіючих частинок розрізняють наступні типи міжмолекулярних (міжчасткових) взаємодій: іон-іонні, іон-діпол'ние, орієнтаційні (диполь-дипольні), індукційні (іон або диполь -індуцірованний диполь), дисперсійні (миттєвий диполь -індуцірованний миттєвий диполь), гідрофобні взаємодії і водневі зв'язку.

Іон-іонну взаємодіяхарактерно при наявності в системі протилежно заряджених іонів і спостерігається не тільки для речовин з іонним кристалічною решіткою, але також в білках і нуклеїнових кислотах. У білках іонізовані групи -NH3 + і -СОO- взаємодіють між собою. Карбоксильні групи -СОО- білків і фосфатні групи (RO)2POO- нуклеїнових кислот взаємодіють з катіонами металів.

В організмі (In vivo) молекули білків і нуклеїнових кислот завдяки іон-іонним взаємодій утворюють з біосубстратами асоціати різного стійкості. Крім того, ці взаємодії беруть участь в стабілізації певних конформаций біомолекул. Іон-іонні взаємодії молекул білків або нуклеїнових кислот з катіонами металів можуть призводити до виникнення ковалентних зв'язків з утворенням комплексних сполук різної стійкості (розд. 10.4). Тому енергія іон-іонних взаємодій коливається в широких межах: 160-460 кДж / моль (табл. 3.1).

Енергія іон-іонних взаємодій залежить від зарядів іонів 1 і е2) І відстані між їх центрами (R) за законом е1е2/ R, т. е. вона збільшується зі зростанням зарядів іонів і зменшенням їх радіусів. Тому сила взаємодії аніонів нуклеїнових кислот з катіонами Na +, К+, Mg2+, Са2+ максимальна в разі катіона магнію, що грає велику роль в активації нуклеїнових кислот в клітині.

Іон-дипольномувзаємодія.Цей вид взаємодії спостерігається між іоном і полярної молекулою або полярної групою, що володіють постійним дипольним моментом. Коли іон взаємодіє з диполем, то до нього притягується полюс диполя, що несе заряд, протилежний за знаком заряду іона (табл. 3.1). Енергія іон-дипольних взаємодій залежить від заряду іона (e1), Дипольного моменту постійного диполя (  ) І відстані між центром іона і серединою диполя (г) згідно із законом e1  / r2- Іон-дипольні сили грають особливо важливу роль у водних розчинах електролітів: дисоціація молекул електролітів на іони забезпечується взаємодією утворюються іонів з полярними молекулами води, т. Е. Їх гідратацією (розд. 6.1). При цьому в разі таких катіонів "металів життя", як Mg2+ і Са2+, Утворюються досить стійкі гідрати, наприклад [Са (Н20) б]2+, Які розглядаються як Аквакомплекси (розд. 10.2). Отже, іон-дипольна взаємодія, так само як і іон-іонну, може призводити до виникнення ковалентного зв'язку між реагують частками. Саме ці два види взаємодій часто лежать в основі утворення асоціатів: фермент - кофермент, фермент - субстрат і антиген - антитіло, що грають важливу роль в життєдіяльності організмів.

Речовини, що мають іонну кристалічну решітку, що складається з однозарядних іонів, за рідкісним винятком, легко розчиняються у воді, так як енергія гідратації цих іонів вище енергії кристалічної решітки. Навпаки, багатозарядні іони в кристалічній решітці часто взаємодіють один з одним настільки сильно, що енергія решітки вище енергії гідратації. Тому такі солі, як CaC03, BaS04, А1Р04, Практично нерозчинні у воді.

Орієнтаційні взаємодія.Цей вид взаємодії спостерігається між полярними молекулами, що володіють постійним дипольним моментом. Полярні молекули взаємно орієнтуються таким чином, що негативний полюс одного диполя розташовується поблизу позитивного полюса іншого диполя, що забезпечує їх взаємне притягання (табл. 3.1). В результаті орієнтаційної взаємодії диполі встановлюються в лінію різнойменними полюсами один до одного або орієнтуються антипараллельно.

Енергія орієнтаційної взаємодії двох диполів залежить від їх дипольних моментів (  1 і  ) І від відстані (r) між центрами диполів за законом  / r6. Отже, орієнтаційна взаємодія істотно тільки між полярними молекулами, що знаходяться в безпосередній близькості один до одного, причому енергія цієї взаємодії дуже сильно залежить від величини дипольного моменту. Так, температура кипіння органічних рідин з приблизно однаковою молекулярною масою сильно зростає при збільшенні дипольного моменту (табл. 3.2).

Таблиця 3.2

 
 

 Молекулярні маси, дипольні моменти і температури кипіння органічних сполук

 

 
 

 Орієнтаційні взаємодія значно слабкіше, ніж іон-дипольна (табл. 3.1).

Индукционное взаємодіяспостерігається між неполярной молекулою і іоном або молекулою з постійним диполем. Під дією електричного поля останніх електронне хмара неполярной молекули деформується, т. Е. В ній індукується диполь (табл. 3.1). Найбільш схильні до індукційному взаємодії легкополярізуемие неполярні молекули. Прикладом індукційного взаємодії є розчинність неполярних, але легко поляризованих молекул йоду I2 в воді і значне підвищення розчинності йоду в присутності аніону I внаслідок взаємодії I- + I2 = I3- з утворенням комплексного іона I3- (I2 - I-), який добре розчиняється в воді. В результаті індукційного взаємодії йод утворює комплекси характерного синього кольору з крохмалем або полівініловим спиртом, молекули яких містять багато полярних груп ОН (розд. 22.3).

Енергія індукційного взаємодії неполярной молекули з іоном змінюється за законом 1 / r4, А з диполем - за законом 1 / r6. Индукционное взаємодія зазвичай слабкіше орієнтаційної.

Дисперсійні взаємодії.Ця взаємодія миттєвий диполь - індукований миттєвий диполь. Воно є найслабшим з усіх видів міжмолекулярних взаємодій, але в той же час найбільш універсальним. У чистому вигляді проявляється при взаємодії неполярних молекул. Постійний рух електронів в молекулі, а також коливання ядер викликають появу в молекулі миттєвого диполя, під дією якого в сусідній молекулі індукується також миттєвий диполь (табл. 3.1). Флуктуації електронної щільності в молекулі або атомі відбуваються безперервно, а їх результуючим ефектом є слабке, але важливе за своїм значенням взаємне притягання цих частинок. Енергія дисперсійного взаємодії змінюється за законом 1 / r6.

Дисперсійні взаємодії зазвичай тим сильніше, чим більше розміри атомів і молекул з тієї причини, що зовнішні електрони в них утримуються менш міцно. Це сприяє появі більш сильних миттєвих диполів. Так, за рахунок дисперсійних взаємодій газоподібні речовини, молекули яких неполярні, переходять в рідкий і твердий стан тільки при дуже низьких температурах:

 
 

 У разі довгих лінійних молекул може виникати багато миттєвих диполів в кожній точці дотику з сусідньої молекулою. Тому в ряду лінійних алканів загальної формули CnН2n+2 у міру збільшення nзакономерно підвищуються їх температури плавлення і кипіння (рис. 3.1).

Температура кипіння алканів з розгалуженою ланцюгом завжди нижче, ніж прямоцепочечних. Так, температури кипіння н-гептану та його розгалуженого ізомери 2,2,3-тріметілбутана рівні відповідно +98 і +81 ° С. Це пояснюється більшою компактністю, а отже, меншою поверхнею молекули в останньому випадку.

 
 

 Орієнтаційні, індукційні і дисперсійні взаємодії між нейтральними частинками прийнято в цілому називати вандерваальсовимі силами тяжіння, так як уявлення про них вперше було введено голландським вченим Я. Д. Вандер-Ваальса. Найбільш важливою і відмітною рисою цих сил є універсальність, так як вони діють між будь-якими нейтральними частинками без винятку. Ці взаємодії проявляються на відстанях 400-600 пм, і їх енергія сильно зменшується зі збільшенням цієї відстані. Крім того, їм не властива насичуваності.

Мал. 3.1. залежність температурплавлення і кипіння лінійних вуглеводнів CnН2n+2 від довжини вуглецевого ланцюга (л)

Водневий зв'язок.Специфічною різновидом міжмолекулярних взаємодій є воднева зв'язок. Уже з назви цієї зв'язку ясно, що в її освіті приймає участь входить до складу молекули атом водню. Ця залежність виникає в тих випадках, коли атом водню пов'язаний ко-валентної зв'язком з сильно електронегативний атомом, що створює частковий позитивний заряд на атомі водню. Тому воднева зв'язок характерна для сполук, що містять сільнополярних ковалентні зв'язки: Н-F; О-Н; N-Н. Водневий зв'язок виникає між атомом водню однієї молекули, що несе частковий позитивний заряд -  , І електронегативним атомом іншої молекули, що несе частковий негативний заряд і містить неподеленную електронну пару:  ,. Воднева зв'язок схематично зображується пунктиром:  (Табл. 3.1).

Розглянемо освіту водневої зв'язку на конкретному прикладі. У молекулі води зв'язку 0-Н сильно полярні, при цьому на атомах водню є частковий позитивний заряд +, А на атомі кисню - негативний заряд  і, крім того, у нього є дві неподіленого електронні пари. Це сприяє утворенню молекулою води чотирьох водневих зв'язків з сусідніми молекулами води. При цьому кожна молекула води в двох водневих зв'язках виступає донором двох своїх атомів водню, які несуть частковий позитивний заряд, а в двох інших - донором двох неподіленого електронних пар свого атома кисню. В результаті молекули води утворюють міжмолекулярні асоціати, що володіють тривимірної сітчастої структурою. За рахунок
 
 

 водневого зв'язку відбувається межмолекулярная асоціація фтороводорода, аміаку,
 
 

 спиртів, карбонових кислот:

 

 

Наявність водневих зв'язків відбивається на фізичні властивості речовин (температури плавлення і кипіння, в'язкість, щільність, розчинність). Саме водневими зв'язками пояснюються аномалії у властивостях води: високі температури плавлення і кипіння, велика щільність і в'язкість, здатність утворювати кристалогідрати.

Енергія водневого зв'язку (10-40 кДж / моль) менше, ніж ковалентного, іонної або металевої, але більше, ніж енергія вандерваальсова взаємодій. Відповідно до електронегативні елементів найбільш сильні водневі зв'язки утворюються за участю атома фтору, слабші - за участю атома кисню, ще більш слабкі - за участю атома азоту. Довжина водневої зв'язку  , Яка визначається як відстань між атомами X і Y, становить 220-350 пм.

Водневі зв'язки можуть виникати не тільки між різними молекулами, але і всередині молекули, якщо в цій молекулі є протонодонорние (-ХН) і протоноакцепторние (: Y-) групи. Наприклад, в молекулі саліцилового альдегіду є внутримолекулярная воднева зв'язок між атомом водню гідроксильної групи і атомом кисню карбонільної групи. З'єднання з внутрішньомолекулярного водневого зв'язком, як правило, мають знижені температури плавлення і кипіння і меншу в'язкість в рідкому стані, так як їх молекули менше асоційовані з сусідніми молекулами.

Молекули білків, нуклеїнових кислот і полісахаридів містять багато протонодонорних  і протоно-акцепторних  груп, схильних до утворення безлічі водневих містків між окремими ділянками однієї молекули або між різними молекулами. В результаті макромолекули цих біополімерів набувають певну просторову структуру, що забезпечує їх біологічні функції (розд. 21.4, 22.3, 23.3). Розрив водневих зв'язків призводить до істотної зміни просторової структури макромолекул і їх біохімічних властивостей.

 
 

 Відносно низька енергія водневого зв'язку (в деяких випадках можна порівняти з енергією теплового руху) дозволяє їй легко руйнуватися і відновлюватися при звичайних умовах, що обумовлює ту величезну роль, яку відіграє цей зв'язок в біологічних системах. Майже всі біохімічні процеси на тих чи інших стадіях супроводжуються утворенням або руйнуванням водневих зв'язків.

Гідрофобні взаємодії.Цей вид взаємодії заснований не на тяжінні, а на відштовхуванні гідрофобними (неполярними) групами або неполярними молекулами близько розташованих полярних молекул води. В результаті дії цих сил відбувається виштовхування молекул води з простору між гідрофобними фрагментами, що сприяє їх дисперсионному взаємодії між собою і структурування сусідніх молекул води гідратної оболонки з формуванням в ній енергетично вигідною структури (розд. 6.1). Таким чином, гідрофобні взаємодії підвищують впорядкованість розташування частинок в системі, т. Е. Зменшують ентропію системи (розд. 4.3). Гідрофобні взаємодії грають важливу роль при формуванні мицелл поверхнево-активних речовин в розчинах і глобул з білків, а також у властивостях біологічних мембран і мембранних білків. На жаль, досить часто термін "гідрофобні взаємодії" використовують неправильно, так як намагаються відбити їм взаємне притягання неполярних (гідрофобних) груп між собою, яке в дійсності завжди має дисперсійний характер.

Отже, все міжмолекулярні взаємодії сприяють утворенню різних видів ассоциатов з взаємодіючих частинок. При цьому потрібно розуміти, що не тільки фізичні і хімічні властивості, але особливо біологічні і фізіологічні функції цих асоціатів можуть значно відрізнятися від властивостей утворили їх часток. Міжмолекулярні взаємодії лежать в основі процесів сорбції і десорбції (розд. 26.2), освіти і руйнування різних видів мицелл (розд. 27.2, 27.3), формування у водному середовищі певної просторової структури білків, нуклеїнових кислот і полісахаридів, а також аналогічних процесів, що протікають всередині міжклітинних мембран (розд. 27.7.1). Слабкі міжмолекулярні взаємодії з енергією менше 20 кДж / моль відповідальні за молекулярну гнучкість і молекулярне впізнавання, що реалізовується в ферментативном каталіз (розд. 5.6), а також в цілому ряді біологічних процесів, що проходять на молекулярному рівні. Крім того, міжмолекулярні взаємодії відповідальні за агрегатний стан речовини і його перетворення при зміні зовнішніх умов, чому присвячений наступний розділ.



Попередня   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99   100   101   102   103   104   Наступна

правило Гунда | ПЕРІОДИЧНИЙ ЗАКОН І ПЕРІОДИЧНА СИСТЕМА елементів Д. І. Менделєєва | ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМІВ ЕЛЕМЕНТІВ | ЕНЕРГІЯ ІОНІЗАЦІЇ | Спорідненість до електрона | Відносна ЕЛЕКТРОНЕГАТИВНІСТЬ | ковалентних зв'язків | МЕХАНІЗМИ ВИНИКНЕННЯ ковалентних зв'язків | ОСОБЛИВОСТІ ковалентних зв'язків | іонна зв'язок |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати