Skip to main content
Global

5.7: קשרים קוולנטיים

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208386

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    במקרה של אינטראקציות של ואן דר ואלס, האטומים והמולקולות המעורבים שומרים על אחיזתם באלקטרונים שלהם, הם נשארים מובחנים ונפרדים. עם זאת, ישנם מקרים בהם אטומים באים "לחלוק" את האלקטרונים זה של זה. שיתוף זה כולל זוגות אלקטרונים, אחד מכל אטום. כאשר זוגות אלקטרונים משותפים, האטומים מפסיקים להיות מובחנים בכך שהאלקטרונים המשותפים שלהם אינם מוגבלים עוד זה או אחר. למעשה, מכיוון שלא ניתן להבחין אפילו באלקטרון אחד בתיאוריה מכל אלקטרון אחר, הם הופכים לחלק ממערכת האלקטרונים של המולקולה 156. שיתוף זה של אלקטרונים מייצר מה שמכונה קשר קוולנטי. קשרים קוולנטיים חזקים פי 20 עד 50 מאינטראקציות ואן דר ואלס. מה בדיוק זה אומר? בעיקרון, דרוש הרבה יותר אנרגיה כדי לשבור את הקשרים הללו. בעוד שצורת האטומים הקשורה במולקולה תמיד יציבה יותר מהצורה הבלתי מוגבלת, ייתכן שהיא לא יציבה מספיק כדי לעמוד באנרגיה המועברת באמצעות התנגשויות עם מולקולות שכנות. קשרים שונים בין אטומים שונים בהקשרים מולקולריים שונים נבדלים זה מזה מבחינת יציבות הקשר; אנרגיית הקשר מתייחסת לאנרגיה הדרושה לשבירת קשר מסוים. מולקולה יציבה אם אנרגיות הקשר הקשורות לאטומים קשורים בתוך המולקולה מספיק ירך כדי לשרוד את האנרגיה המועברת למולקולה באמצעות התנגשויות עם מולקולות שכנות או ספיגת אנרגיה (אור).

    כאשר אטומים יוצרים קשר קוולנטי, משטחי ואן דר ואלס האישיים שלהם מתמזגים כדי לייצר משטח מולקולרי חדש של ואן דר ואלס. ישנן מספר דרכים לצייר מולקולות, אך תצוגת פני השטח של מילוי החלל או ואן דר ואלס היא המציאותית ביותר (לפחות למטרותינו). אמנם מציאותי זה יכול להיות גם מבלבל, מכיוון שהוא מטשטש את המבנה המולקולרי הבסיסי, כלומר כיצד האטומים במולקולה קשורים זה לזה. ניתן לראות זאת במערך הייצוגים הזה של המולקולה הפשוטה 2-מתילפרופן 157. ככל שהמולקולות גדלות, כפי שקורה במולקולות רבות בעלות חשיבות ביולוגית, זה יכול להיות בלתי אפשרי להעריך את הארגון הבסיסי שלהן על סמך ייצוג פני השטח של ואן דר ואלס.

    מכיוון שהם יוצרים ישות יציבה חדשה, אין זה מפתיע (אולי) שתכונותיה של מולקולה נבדלות למדי, אם כי בהחלט מושפעות מתכונות האטומים מהם הם מורכבים. לקירוב מסדר ראשון, תכונות המולקולה מבוססות על צורתה, המוכתבת על ידי האופן שבו האטומים השונים עםjn המולקולה מחוברים זה לזה. גיאומטריות אלו מוטלות על ידי התכונות המכניות הקוונטיות של כל אטום ו (במיוחד ככל שהמולקולות גדלות, כפי שהן עושות לעתים קרובות כל כך במערכות ביולוגיות) האינטראקציות בין חלקים שונים של המולקולה. אטומים מסוימים, המשותפים למערכות ביולוגיות, כגון מימן (H), יכולים ליצור קשר קוולנטי יחיד בלבד. אחרים יכולים ליצור שני קשרים (חמצן (O) וגופרית (S)), שלושה (חנקן (N)), ארבעה (פחמן (C)) או חמישה (זרחן (P)).

    בנוסף למולקולות קטנות יותר, מערכות ביולוגיות מכילות מספר סוגים שונים של מולקולות גדולות במיוחד, המורכבות מאלפי אטומים; אלה ידועים בשם מקרומולקולות. מקרומולקולות כאלה אינן נוקשות; לעתים קרובות הן יכולות להתקפל על עצמן ולהוביל לאינטראקציות תוך מולקולריות. יש גם אינטראקציות בין מולקולות. החוזק והספציפיות של אינטראקציות אלה יכולים להשתנות באופן דרמטי ואפילו לשינויים קטנים במבנה המולקולרי יכולות להיות השפעות דרמטיות.

    מולקולות ואינטראקציות מולקולריות הן דינמיות. התנגשויות עם מולקולות אחרות יכולות להוביל לחלקים של מולקולה המסתובבים סביב קשר יחיד 158. נוכחותו של קשר כפול מגבילה תנועות מסוג זה; סיבוב סביב קשר כפול דורש מה שמסתכם בשבירה ואז רפורמה באחד מהקשרים. בנוסף, ואם שלטת בכימיה כלשהי אתה כבר יודע זאת, לעתים קרובות לא נכון להתייחס לקשרים כישויות מובחנות, מבודדות זו מזו וסביבתן. קשרים סמוכים יכולים לקיים אינטראקציה ויוצרים מה שמכונה מבני תהודה המתנהגים כתערובות של קשרים בודדים וכפולים. שוב זה מגביל סיבוב חופשי סביב ציר הקשר ופועל להגבלת הגיאומטריה המולקולרית. כפי שנראה בהמשך עם הקשר הפפטיד, המתרחש בין אטום פחמן (C) לאטום חנקן (N) בשרשרת הפוליפפטיד, הוא דוגמה למבנה תהודה כזה. באופן דומה, מבני הטבעת המצויים ב"בסיסים "השונים הקיימים בחומצות גרעין מייצרים מבנים שטוחים שיכולים לארוז אחד את השני. המורכבות הגיאומטרית השונות הללו משתלבות כדי להפוך את חיזוי המבנה התלת מימדי של מולקולה מסוימת לקשה יותר ויותר ככל שגודלה גדל.

    תורמים וייחוסים