Ковалентний зв’язок між атомами в молекулах
Рис.
1.3. Структура молекул
метану та води. Показано пари електронів,
що відповідають ковалентним зв'язкам.
Стрілки символізують зсув електронної
щільності до атома оксигену.
Ковалентний (або хімічний) зв’язок – це єдина сила, що підтримує цілісність певної системи атомів, яка називається молекулою. Основою утворення ковалентного зв’язку є узагальнення електронів двох атомів – ефект, що описується у квантовій механіці. Результатом узагальнення є формування так званої молекулярної орбіталі, яка “належить“ двом атомам одночасно і на якій може знаходитись не більше двох електронів (принцип заборони Паулі (Wolfgang Pauli)). Наприклад, на зовнішньому електронному шарі атома карбону знаходиться 4 електрони (рис. 1.3), максимально цей шар може містити 8 електронів. Він “доповнюється” електронами чотирьох атомів гідрогену (по одному електрону на кожному атомі), і в результаті утворюється молекула метану. Аналогічно, доповнення зовнішнього шару оксигену за рахунок двох атомів гідрогену призводить до утворення молекули води (рис. 1.3). Між двома атомами, в залежності від їх природи, можливо також формування двох (іноді й трьох) молекулярних орбіталей (по два електрони на кожній), тобто утворення подвійного ковалентного зв’язку. Головні властивості ковалентного зв’язку:
Ковалентний зв’язок є дуже міцним. Інакше кажучи, кожна молекула (про це говорить сам факт її існування) знаходиться у досить глибокій “потенційній ямі” – мінімумі вільної енергії.
Кожен атом містить певну кількість електронів, що можуть бути узагальненими з іншими атомами (або “вакансій” для електронів на зовнішньому шарі). Тобто кожен атом може утворити лише певну кількість ковалентних зв’язків – має певну валентність. (Наприклад, валентність карбону дорівнює 4, оксигену – 2, гідрогену – 1, див. рис. 1.3)
Ковалентний зв’язок характеризується певною геометрією. По-перше, кожен зв’язок має конкретну довжину (зазвичай 1-2 Å). По-друге, електронні щільності різних атомів у молекулі взаємодіють між собою, і в результаті кожен зв’язок певним чином орієнтований у просторі відносно суміжних зв’язків. Типові значення валентних кутів (кутів між зв’язками, що йдуть від одного атома) становлять близько 120° чи 109°.
Слід також зауважити, що ступінь узагальнення електронної пари між двома атомами залежить від природи цих атомів. Наприклад, у випадку зв’язку С–Н електронна щільність розподілена приблизно рівномірно між двома атомами. Такий зв’язок називають неполяризованим. У випадку зв’язку О–Н, внаслідок високої електронегативності оксигену (здатності відтягувати на себе електронну щільність), електронна пара зсунута до цього атома (поляризований зв’язок, показано стрілочками на рис. 1.3). У результаті в молекулі води на оксигені виникає парціальний негативний (приблизно –2/3 від заряду електрона), а на кожному гідрогені позитивний (+1/3) заряд. Іншим важливим для біополімерів прикладом електронегативного атому є азот.