Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Направленные валентности атомов.

На основании анализа экспериментальных данных рзсский химик А. М. Бутлеров в 1861 г. ввел понятие о химической структуре молекулы, т. е. об опредолснном пространственном расположении атомов в молекуле. Квантовая механика дает простое объяснение направленных валентностей атомов с двумя и большим числом электронов.

Рассмотрим валентные состояния атомов, наиболее часто встречающихся в биомолекулах.

Атом азота в основном состоянии имеет конфигурацию Четыре электрона в состояниях спарены

и не участвуют в химических связях. Подоболочка имеет три разных координатных состояния: . Три валентных электрона атома азота занимают по одному эти состояния. Угловые распределения плотностей электронов в этих состояниях определяются квадратами волновых функций:

Направления, которых плотности зарядов электронов трех состояний (5.1) максимальны, составляют между собою прямые углы. Поэтому направления химических свяаей, образуемых электронами, находящимися в состояниях (5.1), также взаимно ортогональны. Действительно, молекула аммиака NH, имеет пирамидальное строение. Углы между направлениями связей имеют значения, равные 107° 18. Отклонение от значения 90° объясняется взаимным отталкиванием ядер водорода, лежащих в основании пирамиды. Связи в молекуле аммиака не являются чисто ковалентными, так как молекула обладает сравнительно большим электрическим дипольным моментом (приблизительно ).

Атом фосфора в основном состоянии имеет конфигурацию . Состояния его трех валентных электронов также характеризуются угловыми функциями (5.1). Поэтому три валентных направления взаимно ортогональны.

Электронные состояния в оболочке в атоме фосфора имеют энергии, мало отличающиеся от энергии состояния Поэтому атом фосфора, наряду с соединениями типа может образовать соединения переходя за счет энергии, выделяемой при образовании двух дополнительных связей, в электронное состояние с конфигурацией

Атомы кислорода и серы имеют соответственно электронные конфигурации Из четырех внешних электронов этих атомов, находящихся в трех p-состояниях, два обязательно спарены. Остающиеся два валентных электрона должны образовать химические связи под прямым углом. Действительно, в молекуле угол между химическими связями равен 104° 27, а в молекуле он равен 92° 12. Небольшое увеличение угла между связями от значения 90° обусловлено взаимодействием протонов в молекуле.

Атом кислорода обладает значительно большей электроотрицательностыо, чем атом водорода, поэтому электронные пары,

образующие связи О-Н, смещены к атому кислорода. В связи с этим молекула воды имеет большой электрический дипольный момент, равный Дипольный момент каждой связи равен

Нейтральные кислород и сера не проявляют в химических со единениях валентность, большую чем 2, так как для перевода электрона из состояний соответственно в ближайшие по энергии состояния нужна столь большая энергия, что она не компенсируется энергией образования двух дополнительных связей.

Ионизированные азот и кислород имеют сверх первой оболочки соответственно электронные конфигурации поэтому они могут проявлять валентности 4 и 3. Известны, например, устойчивые ионы . В четырехвалентном состоянии ион может образовать ионную связь и выступать в целом как пятивалентный. Таково, например, его состояние в соединениях и др. Наличие ионной связи в этих соединениях проявляется в большом значении электрического момента молекулы.

Атом углерода в свободном состоянии имеет конфигурацию которая соответствует двухвалентному атому. В химических соединениях и других он выступает как четырехвалентный. Такая валентность атома углерода в химических соединениях указанного типа связана с малой энергетической разностью состояний . В свободном атоме углерода она приблизительно равна 4,34 эВ. При образовании же, вследствие изменения электронной конфигурации, двух дополнительных связей выигрывается энергия примерно 8,62 эВ.

Из свойств симметрии молекулы следует, что все связи эквивалентны. Поэтому перестройка («гибридизация») внешней электронной оболочки атома С при образовании молекулы происходит так, что четыре его электрона по одному занимают состояния, угловые волновые функции которых имеют вид

где , а остальные функции определены выражением (5.1).

Функции (5.2) называют тетраэдральными орбитами, так как они характеризуют валентности, направленные от атома углерода к четырем вершинам тетраэдра, составляя угол 109° 28 между собой. Функции (5.2) характеризуют валентные состояния и атомов углерода при образовании кристалла алмаза.

При отмеченном выше переходе атома азота (в результате ионизации) в четырехвалентное состояние четыре его внешних электрона находятся в состояниях, соответствующих функциям (5.2). Однако такой переход в атоме азота может осуществляться не только в результате его предварительной ионизации, но и в процессе взаимодействия с протоном. Например, молекула аммиака при взаимодействии с протоном образует молекулу При образовании этой молекулы один электрон подоболочки как бы переходит к протону, оставшийся ион в молекуле NHS оказывается в четырехвалентном состоянии и дополнительно присоединяет образовавшийся атом водорода. Такую связь называют донорно-акцепторной, так как при образовании новой молекулы азот (донор) передал электрон протону (акцептору). Однако нельзя укаэать место этой связи в молекуле Все атомы водорода в ней равноправны, азот находится в валентном состоянии, определяемом функциями (5.2). Молекула не имеет электрического дипольного момента. Избыточный положительный заряд сосредоточен вблизи центра молекулы, имеющей тетраэдрическую структуру.

Донорами электронов, кроме азота, могут выступать кислород, фтор и некоторые другие атомы. Химики часто говорят, что донорно-акцепторная связь образуется за счет пары «неподеленных» электронов верхней -подоболочки донора. При образовании связи эти электроны перемещаются в пространство между донором и акцептором. Иногда донорно-акцепторная связь пространственно локализована. Такая локализация проявляется в наличии в молекуле электрического дипольного момента.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление