Πληροφορίες

2.16: Χημικός δεσμός - Βιολογία

2.16: Χημικός δεσμός - Βιολογία


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Στόχοι μάθησης

Ορίστε τον κανόνα της οκτάδας και τον ρόλο του στους χημικούς δεσμούς

Δεν έχουν όλα τα στοιχεία αρκετά ηλεκτρόνια για να γεμίσουν τα εξωτερικά κελύφη τους, αλλά ένα άτομο είναι στο πιο σταθερό του όταν γεμίσουν όλες οι θέσεις ηλεκτρονίων στο εξωτερικό περίβλημα. Εξαιτίας αυτών των κενών στα εξωτερικά κελύφη, βλέπουμε τον σχηματισμό χημικών δεσμών ή αλληλεπιδράσεις μεταξύ δύο ή περισσότερων ίδιων ή διαφορετικών στοιχείων που έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μορίων. Για να επιτευχθεί μεγαλύτερη σταθερότητα, τα άτομα θα τείνουν να γεμίζουν πλήρως το εξωτερικό τους κέλυφος και θα συνδέονται με άλλα στοιχεία για να επιτύχουν αυτόν τον στόχο μοιράζοντας ηλεκτρόνια, δεχόμενοι ηλεκτρόνια από άλλο άτομο ή δωρίζοντας ηλεκτρόνια σε άλλο άτομο. Επειδή τα εξωτερικά κελύφη των στοιχείων με χαμηλό ατομικό αριθμό (μέχρι ασβέστιο, με ατομικό αριθμό 20) μπορούν να χωρέσουν οκτώ ηλεκτρόνια, αυτό αναφέρεται ως κανόνας οκτάδας. Ένα στοιχείο μπορεί να δωρίσει, να δεχθεί ή να μοιραστεί ηλεκτρόνια με άλλα στοιχεία για να γεμίσει το εξωτερικό του περίβλημα και να ικανοποιήσει τον κανόνα της οκτάδας.

Ένα πρώιμο μοντέλο του ατόμου αναπτύχθηκε το 1913 από τον Δανό επιστήμονα Niels Bohr (1885–1962). Το μοντέλο Bohr δείχνει το άτομο ως έναν κεντρικό πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, με τα ηλεκτρόνια σε κυκλικά κελύφη ηλεκτρονίων σε συγκεκριμένες αποστάσεις από τον πυρήνα, παρόμοια με τους πλανήτες που περιφέρονται γύρω από τον ήλιο. Κάθε φλοιό ηλεκτρονίων έχει διαφορετικό ενεργειακό επίπεδο, με τα κελύφη που βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα να είναι χαμηλότερα σε ενέργεια από εκείνα που βρίσκονται πιο μακριά από τον πυρήνα. Κατά σύμβαση, σε κάθε φλοιό αποδίδεται ένας αριθμός και το σύμβολο n—για παράδειγμα, το κέλυφος ηλεκτρονίων που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα ονομάζεται 1n. Για να κινηθεί μεταξύ των φλοιών, ένα ηλεκτρόνιο πρέπει να απορροφήσει ή να απελευθερώσει μια ποσότητα ενέργειας που αντιστοιχεί ακριβώς στη διαφορά ενέργειας μεταξύ των φλοιών. Για παράδειγμα, εάν ένα ηλεκτρόνιο απορροφά ενέργεια από ένα φωτόνιο, μπορεί να διεγερθεί και να μετακινηθεί σε ένα κέλυφος υψηλότερης ενέργειας. Αντίθετα, όταν ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο πέφτει πίσω σε ένα κέλυφος χαμηλότερης ενέργειας, θα απελευθερώσει ενέργεια, συχνά με τη μορφή θερμότητας.

Μοντέλο Bohr ενός ατόμου, που δείχνει τα επίπεδα ενέργειας ως ομόκεντρους κύκλους που περιβάλλουν τον πυρήνα. Πρέπει να προστεθεί ενέργεια για να μετακινηθεί ένα ηλεκτρόνιο προς τα έξω σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο και ενέργεια απελευθερώνεται όταν ένα ηλεκτρόνιο πέφτει από ένα υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο σε ένα πιο κοντινό. Πίστωση εικόνας: τροποποιήθηκε από το OpenStax Biology

Τα άτομα, όπως και άλλα πράγματα που διέπονται από τους νόμους της φυσικής, τείνουν να παίρνουν τη χαμηλότερη ενεργειακή, πιο σταθερή διαμόρφωση που μπορούν. Έτσι, τα ηλεκτρονιακά κελύφη ενός ατόμου κατοικούνται από μέσα προς τα έξω, με τα ηλεκτρόνια να γεμίζουν τα κελύφη χαμηλής ενέργειας πιο κοντά στον πυρήνα πριν μετακινηθούν στα κελύφη υψηλότερης ενέργειας πιο έξω. Το κέλυφος που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα, 1n, μπορεί να χωρέσει δύο ηλεκτρόνια, ενώ το επόμενο κέλυφος, 2n, μπορεί να χωρέσει οκτώ και το τρίτο κέλυφος, 3n, μπορεί να χωρέσει έως και δεκαοκτώ.

Ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο εξώτατο κέλυφος ενός συγκεκριμένου ατόμου καθορίζει την αντιδραστικότητα ή την τάση του να σχηματίζει χημικούς δεσμούς με άλλα άτομα. Αυτό το πιο εξωτερικό κέλυφος είναι γνωστό ως το κέλυφος σθένους, και τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε αυτό ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Σε γενικές γραμμές, τα άτομα είναι πιο σταθερά, λιγότερο αντιδραστικά, όταν το εξώτερο κέλυφος ηλεκτρονίων τους είναι γεμάτο. Τα περισσότερα από τα σημαντικά στη βιολογία στοιχεία χρειάζονται οκτώ ηλεκτρόνια στο εξωτερικό τους περίβλημα για να είναι σταθερά και αυτός ο εμπειρικός κανόνας είναι γνωστός ως κανόνας οκτάδας. Μερικά άτομα μπορούν να είναι σταθερά με μια οκτάδα, παρόλο που το κέλυφος σθένους τους είναι το 3n κέλυφος, το οποίο μπορεί να χωρέσει έως και 18 ηλεκτρόνια. Θα διερευνήσουμε τον λόγο για αυτό όταν θα συζητήσουμε τα τροχιακά ηλεκτρονίων παρακάτω.

Παραδείγματα μερικών ουδέτερων ατόμων και οι διαμορφώσεις ηλεκτρονίων τους παρουσιάζονται παρακάτω. Σε αυτόν τον πίνακα, μπορείτε να δείτε ότι το ήλιο έχει ένα φλοιό πλήρους σθένους, με δύο ηλεκτρόνια στο πρώτο και μοναδικό, 1n, φλοιό του. Ομοίως, το νέον έχει ένα πλήρες εξωτερικό κέλυφος 2n που περιέχει οκτώ ηλεκτρόνια. Αυτές οι διαμορφώσεις ηλεκτρονίων καθιστούν το ήλιο και το νέον πολύ σταθερά. Αν και το αργό δεν έχει τεχνικά πλήρες εξωτερικό περίβλημα, αφού το 3n κέλυφος μπορεί να χωρέσει έως και δεκαοκτώ ηλεκτρόνια, είναι σταθερό όπως το νέο και το ήλιο επειδή έχει οκτώ ηλεκτρόνια στο 3n κέλυφος και έτσι ικανοποιεί τον κανόνα της οκτάδας. Αντίθετα, το χλώριο έχει μόνο επτά ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του περίβλημα, ενώ το νάτριο έχει μόνο ένα. Αυτά τα μοτίβα δεν γεμίζουν το εξωτερικό περίβλημα ούτε ικανοποιούν τον κανόνα της οκτάδας, καθιστώντας το χλώριο και το νάτριο αντιδραστικά, ανυπόμονα να αποκτήσουν ή να χάσουν ηλεκτρόνια για να φτάσουν σε μια πιο σταθερή διαμόρφωση.

Διαγράμματα Bohr διαφόρων στοιχείων Πίστωση εικόνας: OpenStax Biology

Διαμορφώσεις ηλεκτρονίων και περιοδικός πίνακας

Τα στοιχεία τοποθετούνται με τη σειρά στον περιοδικό πίνακα με βάση τον ατομικό τους αριθμό, πόσα πρωτόνια έχουν. Σε ένα ουδέτερο άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων θα είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων, έτσι μπορούμε εύκολα να προσδιορίσουμε τον αριθμό ηλεκτρονίων από τον ατομικό αριθμό. Επιπλέον, η θέση ενός στοιχείου στον περιοδικό πίνακα - η στήλη ή η ομάδα του και η σειρά ή η περίοδος του - παρέχει χρήσιμες πληροφορίες για το πώς είναι διατεταγμένα αυτά τα ηλεκτρόνια.

Αν λάβουμε υπόψη μόνο τις τρεις πρώτες σειρές του πίνακα, οι οποίες περιλαμβάνουν τα κύρια στοιχεία που είναι σημαντικά για τη ζωή, κάθε σειρά αντιστοιχεί στο γέμισμα ενός διαφορετικού κελύφους ηλεκτρονίων: ήλιο και υδρογόνο τοποθετούν τα ηλεκτρόνια τους στο 1n κέλυφος, ενώ τα στοιχεία της δεύτερης σειράς όπως Ο Li αρχίζει να γεμίζει το 2n κέλυφος και τα στοιχεία τρίτης σειράς όπως το Na συνεχίζουν με το 3n κέλυφος. Ομοίως, ο αριθμός στήλης ενός στοιχείου δίνει πληροφορίες για τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους και την αντιδραστικότητα του. Γενικά, ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους είναι ο ίδιος μέσα σε μια στήλη και αυξάνεται από αριστερά προς τα δεξιά μέσα σε μια σειρά. Τα στοιχεία της ομάδας 1 έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο σθένους και τα στοιχεία της ομάδας 18 έχουν οκτώ, εκτός από το ήλιο, το οποίο έχει συνολικά μόνο δύο ηλεκτρόνια. Έτσι, ο αριθμός ομάδας είναι ένας καλός προγνωστικός δείκτης για το πόσο αντιδραστικό θα είναι κάθε στοιχείο:

  • Το ήλιο (He), το νέο (Ne) και το αργό (Ar), ως στοιχεία της ομάδας 18, έχουν εξωτερικά κελύφη ηλεκτρονίων που είναι γεμάτα ή ικανοποιούν τον κανόνα της οκτάδας. Αυτό τα καθιστά εξαιρετικά σταθερά ως μεμονωμένα άτομα. Λόγω της μη αντιδραστικότητάς τους, ονομάζονται το αδρανή αέρια ή ευγενή αέρια.
  • Το υδρογόνο (H), το λίθιο (Li) και το νάτριο (Na), ως στοιχεία της ομάδας 1, έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική τους στιβάδα. Είναι ασταθή ως μεμονωμένα άτομα, αλλά μπορούν να γίνουν σταθερά χάνοντας ή μοιράζονται το ένα ηλεκτρόνιο σθένους τους. Εάν αυτά τα στοιχεία χάσουν πλήρως ένα ηλεκτρόνιο -όπως κάνουν συνήθως το Li και το Na- γίνονται θετικά φορτισμένα ιόντα: Li+, Na+.
  • Το φθόριο (F) και το χλώριο (Cl), ως στοιχεία της ομάδας 17, έχουν επτά ηλεκτρόνια στα εξωτερικά κελύφη τους. Τείνουν να επιτυγχάνουν μια σταθερή οκτάδα παίρνοντας ένα ηλεκτρόνιο από άλλα άτομα, μετατρέποντας αρνητικά φορτισμένα ιόντα: F και Cl.
  • Ο άνθρακας (C), ως στοιχείο της ομάδας 14, έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του περίβλημα. Ο άνθρακας συνήθως μοιράζεται ηλεκτρόνια για να επιτύχει ένα πλήρες κέλυφος σθένους, σχηματίζοντας δεσμούς με πολλά άλλα άτομα.

Έτσι, οι στήλες του περιοδικού πίνακα αντικατοπτρίζουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων που βρίσκονται στο κέλυφος σθένους κάθε στοιχείου, το οποίο με τη σειρά του καθορίζει πώς θα αντιδράσει το στοιχείο.


Δες το βίντεο: Δεσμοί υδρογόνου (Φεβρουάριος 2023).