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主要内容

化学键

化学键把分子们聚集在一起,建立起的临时连接对生命至关重要。化学键有不同种类,包括共价键、离子键、氢键还有伦敦色散力。

介绍

生物是由原子组成的, 但在大多数情况下, 这些原子并不只是单独飘来飘去。相反, 它们通常与其他原子 (或一群原子) 发生相互作用。
例如,原子可以通过强键连接,形成分子或晶体。或者它们也可能会与它们碰到或擦过的其他原子形成暂时的弱键。把分子连接在一起的强键和产生暂时连接的弱键都对我们身体的化学和生命本身的存在都是必不可少的。
为什么要形成化学键?大致来说,原子正在试图达到它们所能达到的最稳定(最低能量)状态。当许多原子的 价电子层 充满电子或满足八隅体规则(有八个价电子)时,它们就会变得稳定。如果原子没有这种排列,它们将“想要”通过获得、失去或通过键共享电子来达到它。

离子和离子键

一些原子通过获得或失去一个完整的电子(或几个电子)而变得更加稳定。当这发生时,原子会形成离子,即带电粒子。电子的增加或减少可以给原子一个充满的最外电子层,使其在能量上更稳定。

形成离子

离子有两种类型。阳离子是由于失去电子而形成的正离子。例如,钠原子失去一个电子,变成钠离子,Na+。负离子通过获得电子形成,称为阴离子。阴离子的英文以“-ide”结尾:例如,氯的阴离子(Cl)被称为氯离子(chloride)。
一个原子失去一个电子,而另一个原子获得这个电子的过程被称为电子转移。钠和氯原子的形成提供了一个很好的电子转移的例子。
钠(Na)的最外电子层只有一个电子,因此钠贡献一个电子比再找到七个电子填充外层更容易(能量上更有利)。因此,钠倾向于失去它的一个电子,形成 Na+
氯(Cl)的最外电子层中有七个电子。在这种情况下,氯获得一个电子比失去七个更容易,所以它倾向于获得一个电子,变成 Cl
图片来源:OpenStax生物学。
当钠和氯结合时,钠会将它的一个电子捐出,排空电子层,而氯会接受这个电子来填充它的电子层。这两个离子都满足八隅体规则,并且有完整的最外电子层。因为电子的数量不再等于质子的数量,每个原子现在都是一个离子,各有一个+1(Na+)或 -1(Cl)的电荷。
一般来说,一个原子失去一个电子,另一个原子获得一个电子,这两个过程必须同时发生:为了使钠原子失去一个电子,它需要有一个合适的电子接受者,比如说氯原子。

形成离子键

离子键是电荷相反的离子之间形成的键。例如,带正电的钠离子和带负电的氯离子相互吸引,形成氯化钠(即食盐)。食盐和许多离子化合物一样,不只是由一个钠离子和一个氯离子组成;相反,它含有许多以重复的、可预测的三维模式(晶体)排列的离子。1
某些离子在生理学上称为电解质(包括钠、钾和钙)。这些离子是神经冲动传导、肌肉收缩和维持水平衡所必需的。许多运动饮料和膳食补充剂提供这些离子,来补充运动期间因出汗而从身体流失的离子。

共价键

原子变得更稳定的另一种方法是共享电子(而不是完全获得或失去它们),从而形成共价键。在生物体分子中,共价键比离子键更常见。
例如,共价键是碳基有机分子(如DNA和蛋白质)结构的关键。共价键也存在于较小的无机分子中,如 H2O, CO2,和O2等。原子之间可以共用一对、两对或三对电子,分别形成单键、双键或三键。两个原子共用的电子越多,它们的键就越强。
作为共价键的一个例子,我们来看看水。一个水分子 H2O,由两个氢原子结合在一个氧原子上构成。每一个氢提供一个电子与氧原子共享,氧原子对每一个氢原子拿出自己的一个电子共享:
图片来源:OpenStax生物学。
共有的电子把自己的时间分配给氢原子和氧原子的价电子层,这样让每个原子都拥有一个近似于完整的价电子层(完整对H来说是两个电子,对O来说是八个电子)。这使得水分子比组成它的原子更稳定。

极性共价键

共价键有两种基本类型:极性键和非极性键。在极性共价键中,原子不平等地共享电子,电子靠近一个原子的时间多于另一个原子的时间。由于电子在不同元素原子间的不均匀分布,分子的不同部分产生了微弱的正电荷(δ+)和微弱的负电荷(δ-)。
在水分子(上图)中,氧与氢之间的键是极性键。氧是一个比氢电负性更强的原子,这意味着它更能吸引共享电子,因此水的氧具有部分负电荷(具有高电子密度),而氢则具有部分正电荷(具有低电子密度)。
一般来说,一个键中两个原子的相对电负性——也就是它们“抢占”共享电子的倾向——将决定共价键是极性的还是非极性的。当一个元素的电负性明显高于另一个元素时,它们之间的键将是极性的,这意味着它的一端将带有微弱的正电荷,而另一端则带有微弱的负电荷。

非极性共价键

非极性共价键形成于同一元素的两个原子之间,或者当不同元素的原子或多或少平等地共享电子的时候。例如,氧分子(O2)的键是非极性的,因为电子在两个氧原子之间是平等共享的。
甲烷(CH4)是非极性共价键的另一个例子。碳的最外层有四个电子,还需要四个电子才能形成稳定的八电子层。它通过与四个氢原子共享电子来获得这些额外的电子,其中每个氢原子提供一个电子。反过来,每一个氢原子都需要一个额外的电子来填充它们的最外层电子层,这里是与碳共享电子的形式获得。虽然碳和氢不具有完全相同的电负性,但两者非常接近似,因此碳氢键被认为是非极性的。
图像修改自 OpenStax Biology.

氢键和伦敦色散力

共价键和离子键都是典型的强键。然而,在原子或分子之间也可以形成其他类型的临时键。生物学中常见的两种弱键是氢键和伦敦色散力。
我不是在夸张,但如果没有这两种键,我们已知的生命是不会存在的!例如,氢键赋予了水很多帮助维持生命的属性,并稳定了蛋白质和DNA的结构,这两种结构都是细胞的关键成分。

氢键

在含有氢的极性共价键(例如水分子中的O-H键)中,氢具有轻微的正电荷,这是因为键电子被更强烈地拉向另一种元素。由于这个轻微的正电荷,氢会被任何相邻的负电荷所吸引。这种相互作用称为氢键
氢键很常见,特别是水分子会形成了许多氢键。单独的氢键很弱,很容易断开,但许多氢键在一起可以形成很强的作用力。

伦敦色散力

像氢键一样,伦敦色散力是分子间的弱吸引力。然而,与氢键不同,它们可以发生在任何原子或分子之间,并且依靠电子暂时的分布不均而形成。
这是怎么形成的?由于电子是不断在运动的,有时在原子或分子的电子聚集在一起时,分子的一部分会产生部分负电荷(另一部分则产生部分正电荷)。如果一个电荷不平衡的分子非常接近另一个分子,它会在第二个分子中引起类似的电荷重新分布。两个分子的暂时正电荷和负电荷会相互吸引。2
氢键和伦敦色散力都是范德华力的例子,一个通用术语用来形容那些不涉及共价键或离子的分子间相互作用。3 有些教科书用“范德华力”一词来指代伦敦色散力,所以要确保你知道你的教科书或老师在用哪一个定义。

它们在细胞里是怎么工作的?

强键和弱键在我们细胞和身体的化学过程中都起着关键作用。例如,强大的共价键将构成一条DNA链的化学组成部分结合在一起。然而,较弱的氢键将DNA双螺旋的两条链结合在一起。这些弱键保持DNA的稳定,但也允许它在细胞复制和使用时较容易地断开。
一般来说,离子、水分子和极性分子之间的键会在细胞的水环境中不断形成和断裂。在这种情况下,不同类型的分子会通过微弱的电荷吸引而相互作用。例如,一个钠离子可能在某一时刻与水分子相互作用,在下一时刻与蛋白质的负电荷部分相互作用。
真正令人惊奇的是,我们的身体里正在进行着几十亿个这样的化学键相互作用——强与弱,稳定与暂时。它们将我们身体的各个部分连接在一起,让我们的身体不断运作!

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