– 25 –

Z

POPRZEDNIEGO WYKŁADU

•

buforem mo

ż

e by

ć

słaby kwas i sprz

ęż

ona z nim zasada w postaci soli tego kwasu lub słaba zasada

i sprz

ęż

ony z ni

ą

kwas w postaci soli tej zasady

•

pH roztworu buforowego okre

ś

la równanie

z którego wynika,

ż

e pH danego buforu zale

ż

y od stosunku st

ęż

e

ń

składników buforu („danego”

oznacza okre

ś

lon

ą

warto

ść

pK)

•

pojemno

ść

buforowa zale

ż

y od st

ęż

enia buforu i stosunku st

ęż

e

ń

składników buforu

W

YKŁAD

IV

C

I

Ś

NIENIE OSMOTYCZNE

,

ROZTWORY KOLOIDALNE

,

RÓWNOWAGA

G

IBBSA

-D

ONNANA

.

B

UDOWA ATOMU I CZ

Ą

STECZEK

Ci

ś

nienie osmotyczne

•

RT

C

Π

osm

=

•

zale

ż

y od temperatury oraz st

ęż

enia cz

ą

steczek osmotycznie czynnych

•

cz

ą

steczki osmotycznie czynne to cz

ą

steczki niezale

ż

nie poruszaj

ą

ce si

ę

w roztworze, czyli

cz

ą

steczki nieelektrolitów, jony oraz niezdysocjowane cz

ą

steczki elektrolitów

•

dla nieelektrolitów:

C

C

osm

=

, czyli

CRT

Π

=

•

dla elektrolitów mocnych:

iC

C

osm

=

, czyli

iCRT

Π

=

, gdzie: i jest liczb

ą

jonów powstałych w wyniku

dysocjacji jednej cz

ą

steczki elektrolitu mocnego

•

dla kwasów:

CRT

Π

=

(dotyczy to kwasów zarówno mocnych jak i słabych), poniewa

ż

powstaj

ą

cy w

wyniku dysocjacji jon H

3

O

+

nie jest osmotycznie czynny

Przykłady

•

nieelektrolity

St

ęż

enie molowe sacharozy wynosi

3

dm

mol

0,2

.

4,9atm

298

0,082

0,2

0,2RT

CRT

Π

=

⋅

⋅

=

=

=

298K)

T

,

mol

K

dm

atm

0,082

(R

3

=

⋅

⋅

=

lub

4953hPa

298

83,1

0,2

0,2RT

CRT

Π

=

⋅

⋅

=

=

=

298K)

T

,

mol

K

dm

hPa

83,1

(R

3

=

⋅

⋅

=

•

elektrolity mocne

St

ęż

enie molowe chlorku sodu wynosi

3

dm

mol

0,2

.

9,8atm

298

0,082

0,2

2

i0,2RT

iCRT

Π

=

⋅

⋅

⋅

=

=

=

298K)

T

,

mol

K

dm

atm

0,082

(R

3

=

⋅

⋅

=

lub

9906hPa

298

83,1

0,2

2

i0,2RT

iCRT

Π

=

⋅

⋅

⋅

=

=

=

298K)

T

,

mol

K

dm

hPa

83,1

(R

3

=

⋅

⋅

=

kwasu

soli

C

C

log

pK

pH

+

=

– 26 –

Jednomolowe roztwory nieelektrolitów (i

=

1) w T

=

0ºC (273K) wykazuj

ą

wzgl

ę

dem H

2

O ci

ś

nienie

osmotyczne równe 22690hPa (22,4atm).

3

dm

mol

1

C

1

i

=

=

Roztwory osmotyczne

•

izoosmotyczne – roztwory o identycznym ci

ś

nieniu osmotycznym z roztworem porównywanym

•

hiperosmotyczne – roztwory o wy

ż

szym ci

ś

nieniu osmotycznym ni

ż

roztwór porównywany

•

hipoosmotyczne – o ni

ż

szym ci

ś

nieniu osmotycznym ni

ż

roztwór porównywany

Przykłady

•

0,2M roztwór sacharozy jest roztworem o ni

ż

szym ci

ś

nieniu osmotycznym (hipoosmotyczny)

w stosunku do 0,2M roztworu NaCl

•

0,2M roztwór sacharozy jest roztworem o równym ci

ś

nieniu osmotycznym (izoosmotyczny)

w stosunku do 0,05M roztworu Na

3

PO

4

Ci

ś

nienie osmotyczne roztworów mo

ż

na ustali

ć

na podstawie pomiaru obni

ż

enia temperatury

krzepni

ę

cia lub podwy

ż

szenia temperatury wrzenia danego roztworu.

Błona półprzepuszczalna

•

błony półprzepuszczalne mog

ą

by

ć

przepuszczalne tylko dla cz

ą

steczek rozpuszczalnika (woda),

ale wyst

ę

puj

ą

równie

ż

błony, np. błona komórkowa, które oprócz cz

ą

steczek wody przepuszczaj

ą

tak

ż

e niektóre substancje w niej rozpuszczone, np. niskocz

ą

steczkowe substancje nieorganiczne i

organiczne (selektywna przepuszczalno

ść

)

Ci

ś

nienie osmotyczne

•

efektywne ci

ś

nienie osmotyczne zale

ż

y od st

ęż

enia zwi

ą

zku i przepuszczalno

ś

ci błony dla tego

zwi

ą

zku

•

je

ż

eli błony s

ą

przepuszczalne dla niektórych zwi

ą

zków niskocz

ą

steczkowych, ale zatrzymuj

ą

substancje wielkocz

ą

steczkowe, to niektóre zwi

ą

zki niskocz

ą

steczkowe dyfunduj

ą

nie powoduj

ą

c

ró

ż

nicy ci

ś

nie

ń

, inne zwi

ą

zki niskocz

ą

steczkowe i makrocz

ą

steczki, np. białko zachowuj

ą

si

ę

zgodnie z prawem osmozy

•

przepuszczalno

ść

błony jest czynnikiem decyduj

ą

cym o powstaniu ci

ś

nienia osmotycznego

•

erytrocyty otoczone s

ą

błon

ą

komórkow

ą

półprzepuszczaln

ą

w sposób selektywny (błona ta

przepuszcza wod

ę

, aniony, mocznik, glukoz

ę

i zatrzymuje jony K

+

i Na

+

)

•

je

ż

eli błona oddziela dwa roztwory izoosmotyczne (takie samo st

ęż

enie cz

ą

steczek osmotycznie

czynnych), przy czym oba roztwory zwieraj

ą

ró

ż

ne substancje, wzgl

ę

dem których błona ma ró

ż

n

ą

przepuszczalno

ść

, to mimo izoosmotyczno

ś

ci wyst

ą

pi napr

ęż

enie błony, czyli roztwory te nie b

ę

d

ą

izotoniczne

•

podział roztworów:

–

roztwór izotoniczny

–

roztwór hipertoniczny

–

roztwór hipotoniczny

•

roztwór izotoniczny wzgl

ę

dem surowicy jest 0,15M roztwór NaCl (0,9% NaCl) lub 0,3M roztwór

glukozy (5,4% glukoza)

•

plazmoliza – zjawisko obkurczania si

ę

krwinek, wskutek umieszczenia ich w roztworze

hipertonicznym

•

hemoliza – zjawisko p

ę

kania krwinek, w wyniku umieszczenia ich w roztworze hipotonicznym

→



mol

dm

hPa

22690

RT

Π

3

⋅

=

=

)

mol

dm

atm

(22,4

3

⋅

uwzgl

ę

dniaj

ą

nie tylko st

ęż

enie cz

ą

steczek osmotycznie czynnych,

ale ró

ż

n

ą

przepuszczalno

ść

błony dla tych cz

ą

steczek

– 27 –

Układy koloidalne

•

roztwory heterogeniczne, w których mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

ci

ą

gł

ą

faz

ę

rozpraszaj

ą

c

ą

(np. woda) oraz

nieci

ą

gł

ą

faz

ę

rozproszon

ą

o

ś

rednicy 1–500nm

–

roztwory rzeczywiste (homogeniczne)

–

roztwory koloidalne

–

zawiesiny (układy dwufazowe)

•

wykazuj

ą

efekt Tyndala (

ś

wiatło ulega rozproszeniu w roztworze koloidalnym)

•

roztwory koloidalne zale

ż

nie od st

ęż

enia i temperatury mog

ą

wyst

ę

powa

ć

w formie ciekłej jako zole

lub w formie elastycznego ciała stałego jako

ż

ele

•

prawie wszystkie tkanki organizmów

ż

ywych zwieraj

ą

składniki koloidalne w postaci

ż

elu, natomiast

płyny ustrojowe s

ą

zolami

•

cz

ą

steczki koloidów utrzymuj

ą

si

ę

w o

ś

rodku rozpraszaj

ą

cym dzi

ę

ki zaadsorbowaniu du

ż

ej ilo

ś

ci

jonów jednego rodzaju (ten sam ładunek) – koloidy liofobowe lub dzi

ę

ki otoczce hydratacyjnej –

koloidy liofilowe (np. cz

ą

steczki białka)

•

koagulacja – wypadanie z roztworu po utworzeniu agregatów

zol koagulat

•

wysalanie – koagulacja koloidów liofilowych (hydrofilowych) pod wpływem soli

Ci

ś

nienie osmotyczne a koloidy

•

ci

ś

nienie onkotyczne (koloido-osmotyczne) – ci

ś

nienie uwarunkowane obecno

ś

ci

ą

koloidów jest

bardzo małe, odgrywa ono jednak wa

ż

n

ą

rol

ę

w utrzymaniu okre

ś

lonej obj

ę

to

ś

ci kr

ąż

enia krwi i

wymianie cz

ą

steczek mi

ę

dzy płynem mi

ę

dzykomórkowym i osoczem

Równowaga Gibbsa-Donnana

•

wyst

ę

powanie nierównomiernego rozmieszczenia jonów, gdy w jednej z dwóch oddzielonych błon

ą

przestrzeni wodnych, znajduj

ą

si

ę

jony koloidalne nieprzechodz

ą

ce przez błon

ę

•

w organizmie spełniona jest zasada elektro-oboj

ę

tno

ś

ci: suma ładunków (+) jest równa sumie

ładunków (–)

•

zasada ta obowi

ą

zuje w przypadku układów s

ą

siaduj

ą

cych ze sob

ą

, które s

ą

oddzielone błonami

przepuszczalnymi dla jonów, a nieprzepuszczalnymi dla biopolimerów, np. białek (równie

ż

wyst

ę

puj

ą

cych w formie kationów i anionów)

•

oznacza to,

ż

e po stronie błony, gdzie s

ą

jony koloidalne niezdolne do przechodzenia przez błon

ę

,

st

ęż

enie jonów zdolnych do przechodzenia przez błon

ę

posiadaj

ą

cych ten sam znak co koloid jest

mniejsze, a st

ęż

enie jonów przeciwnego znaku b

ę

dzie wi

ę

ksze

Przykład

•

stan pocz

ą

tkowy

Na

+

2mM

B

–

2mM

Na

+

4mM

Cl

–

4mM

–

błona przepuszczalna dla niskocz

ą

steczkowych jonów

–

x

=

1,6 (je

ż

eli:

(1)

suma obu st

ęż

e

ń

ładunków (+) jest równa sumie st

ęż

e

ń

obu ładunków (–) po obu

stronach błony i

(2)

iloczyn st

ęż

e

ń

jonów przechodz

ą

cych przez błon

ę

jest taki sam po obu

stronach błony)

•

stan równowagi

Na

+

(2

+

x)mM

B

–

2mM

Cl

–

xmM

Na

+

x)

(4

−

mM

Cl

–

x)

(4

−

mM









→



koagulacja











←

peptyzacja

Na

+

3,6mM

B

–

2mM

Cl

–

1,6mM

Na

+

2,4mM

Cl

–

2,4mM

x

x

– 28 –

•

koloid niezdolny do przechodzenia przez błon

ę

zmienia rozkład st

ęż

e

ń

elektrolitów

•

konsekwencje równowagi Gibbsa-Donnana dla organizmu

ż

ywego:

–

skład elektrolitów przestrzeni

ś

ródmi

ąż

szowej ró

ż

ni si

ę

od składu elektrolitów w osoczu

–

mo

ż

liwe jest wchłanianie leków wyst

ę

puj

ą

cych w postaci jonów z jelita do osocza

–

st

ęż

enie kationów głównie H

3

O

+

jest wy

ż

sze w erytrocytach ni

ż

w osoczu, gdy

ż

st

ęż

enie białek

(polianionów) jest wy

ż

sze, st

ą

d pH w erytrocytach jest ni

ż

sze (7,19) ni

ż

w osoczu (7,4)

Pierwiastki w organizmie

ż

ywym

•

jest jako

ś

ciowo ró

ż

ny od składu chemicznego otaczaj

ą

cego

ś

rodowiska

pierwiastek

% wagowy w organizmie

% wagowy w litosferze

ż

elazo

0,004

5

w

ę

giel

20

0,09

azot

100x wi

ę

cej ni

ż

w litosferze

wodór

10x wi

ę

cej ni

ż

w litosferze

•

na mas

ę

ciała dorosłego człowieka składaj

ą

si

ę

rodzaj pierwiastków

% wagowy

biogenne

C H O N P Ca

ł

ą

cznie 99%

K Na S Cl Mg

ł

ą

cznie 0,9%

ś

ladowe

Fe Cu Zn Co B

Mo Mn Se I F

ł

ą

cznie 0,1%

Budowa atomów

•

znajomo

ść

budowy atomu, konfiguracji powłok elektronowych pozwala wnioskowa

ć

o

mo

ż

liwo

ś

ciach i sposobie ł

ą

czenia si

ę

atomów w cz

ą

steczki

•

zdolno

ść

atomów do ł

ą

czenia si

ę

za pomoc

ą

wi

ą

za

ń

chemicznych – stan energetyczny cz

ą

steczki

jest mniejszy od stanu energetycznego poszczególnych atomów

•

prowadzi do zmian, dzi

ę

ki którym atomy uzyskuj

ą

najtrwalsz

ą

konfiguracj

ę

elektronow

ą

:

–

oktetow

ą

s

2

p

6

–

dubletow

ą

s

2

•

powstawanie wi

ą

zania chemicznego polega na oddawaniu, przyjmowaniu lub uwspólnianiu

elektronów walencyjnych reaguj

ą

cych ze sob

ą

atomów

•

budow

ę

zwi

ą

zków chemicznych okre

ś

lamy podaj

ą

c długo

ść

i k

ą

t wi

ą

zania, kształt cz

ą

steczki,

energi

ę

wi

ą

zania, momenty magnetyczny i dipolowy wi

ą

za

ń

Wi

ą

zania w cz

ą

steczkach

•

jonowe

•

metaliczne

•

kowalencyjne

•

kowalencyjne spolaryzowane

•

koordynacyjne

Wi

ą

zanie jonowe

•

efekt oddziaływania atomów znacz

ą

co ró

ż

ni

ą

cych si

ę

elektroujemno

ś

ci

ą

•

nast

ę

puje całkowite przeniesienie elektronów z atomu pierwiastka elektrododatniego na atom

pierwiastka elektroujemnego

•

ka

ż

dy z atomów uzyskuje trwał

ą

konfiguracj

ę

oktetow

ą

(dubletow

ą

)

– 29 –

11

Na: 1s

2

2s

2

2p

6

3s

1

11

Na

+

: 1s

2

2s

2

2p

6

17

Cl: 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

5

17

Cl

–

: 1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

3p

6

H

O

H

O

C

O

Przykład – cz

ą

steczka NaCl

Wi

ą

zanie metaliczne

•

powstaje mi

ę

dzy dodatnio zjonizowanymi atomami metalu, tworz

ą

cymi g

ę

sto upakowan

ą

sie

ć

krystaliczn

ą

, a uwolnionymi w wyniku jonizacji elektronami walencyjnymi, które s

ą

zdelokalizowane

(nale

żą

jednocze

ś

nie do wszystkich atomów), poruszaj

ą

si

ę

swobodnie w całej sieci jako gaz

elektronowy

Wi

ą

zanie kowalencyjne

•

nazywane jest równie

ż

wi

ą

zaniem atomowym

•

powstaje mi

ę

dzy atomami pierwiastków o tej samej elektroujemno

ś

ci, w wyniku utworzenia wspólnej

pary elektronowej

•

np. Cl

2

, O

2

, H

2

•

wspólna para elektronów znajduje si

ę

w jednakowej odległo

ś

ci od j

ą

der obu atomów

Wi

ą

zanie kowalencyjne spolaryzowane

•

nazywane jest równie

ż

wi

ą

zaniem atomowym spolaryzowanym

•

powstaje mi

ę

dzy atomami pierwiastków o ró

ż

nej elektroujemno

ś

ci, w wyniku utworzenia wspólnej

pary elektronowej

•

wspólna para elektronowa jest silniej przyci

ą

gana przez jedno z j

ą

der

→



niesymetryczny

rozkład ładunków

=

polaryzacja (ładunek ujemny zag

ę

szcza si

ę

przy bardziej elektroujemnym

atomie)

•

ładunki, które powstaj

ą

na atomach cz

ą

steczki heteroj

ą

drowej nosz

ą

nazw

ę

ładunków cz

ą

stkowych

•

cz

ą

steczka ma charakter biegunowy – jest dipolem trwałym (z momentem dipolowym wynikaj

ą

cym

z jej budowy) lub przej

ś

ciowym (je

ś

li staje si

ę

polarna w wyniku oddziaływania z innymi

cz

ą

steczkami)

•

moment dipolowy jest miar

ą

polarno

ś

ci wi

ą

zania, ale brak momentu dipolowego w cz

ą

steczce

heteroj

ą

drowej nie

ś

wiadczy o braku polarno

ś

ci

Na moment dipolowy składaj

ą

si

ę

:

•

ró

ż

nica elektroujemno

ś

ci atomów tworz

ą

cych cz

ą

steczk

ę

•

asymetryczna budowa

Wi

ą

zanie koordynacyjne

•

nazywane równie

ż

semipolarnym lub donorowo-akceptorowym

•

jedno lub kilka wspólnych par elektronowych pochodzi od jednego atomu

•

ró

ż

ni si

ę

od wi

ą

zania kowalencyjnego sposobem powstania

•

wi

ą

zania te zaznaczmy strzałk

ą

od donora pary elektronowej do jej akceptora

•

wi

ą

zanie to wyst

ę

puje m.in. w jonach: H

3

O

+

, NH

4

+

oraz kwasach tlenowych

momenty dipolowe wi

ą

za

ń

si

ę

kompensuj

ą

→



cz

ą

steczka dwutlenku

w

ę

gla ma moment dipolowy równy 0 pomimo,

ż

e tlen i w

ę

giel ró

ż

ni

ą

si

ę

elektroujemno

ś

ci

ą

– 30 –

Teoria orbitali molekularnych

•

cz

ą

steczka jest układem j

ą

der atomowych, a nie oddzielnymi atomami

•

ka

ż

dy elektron pozostaje w polu działania kilku j

ą

der atomów i pozostałych elektronów

•

powstawaniu wi

ą

za

ń

chemicznych towarzyszy zwi

ę

kszenie g

ę

sto

ś

ci elektronowej mi

ę

dzy j

ą

drami

atomów tworz

ą

cych to wi

ą

zanie

•

orbitale molekularne – powstaj

ą

przez nakładanie si

ę

orbitali atomowych o porównywalnych

energiach i o odpowiedniej symetrii wzgl

ę

dem osi ł

ą

cz

ą

cej j

ą

dra atomów

•

przej

ś

ciu elektronów z orbitali atomowego na wi

ążą

cy orbital molekularny towarzyszy obni

ż

enie

energii (powstaje układ o wi

ę

kszej trwało

ś

ci)

•

kształt orbitalu molekularnego zale

ż

y od kształtu tworz

ą

cych do orbitali atomowych i od sposobu

przenikania si

ę

orbitali

•

pod wzgl

ę

dem symetrii mo

ż

na wyró

ż

ni

ć

:

–

orbital molekularny

σ

– osiowe (czołowe) nakładanie si

ę

orbitali atomowych

–

orbital molekularny

π

– boczne nakładanie si

ę

orbitali atomowych

Hybrydyzacja

•

zabieg matematyczny polegaj

ą

cy na tworzeniu nowych funkcji falowych dla centralnego atomu

cz

ą

steczki wieloatomowej

•

chmury elektronowe atomowych orbitali zhybrydyzowanych znajduj

ą

si

ę

w jak najwi

ę

kszej

odległo

ś

ci od siebie

•

prawdopodobie

ń

stwo napotkania elektronów w cz

ą

steczce wieloatomowej opisuj

ą

orbitale

molekularne, utworzone ze zhybrydyzowanych orbitali atomowych atomu centralnego z orbitalami
atomów s

ą

siednich (ligandów)

Cechy orbitali zhybrydyzowanych

•

s

ą

równocenne – maj

ą

tak

ą

sam

ą

energi

ę

i ten sam kształt

•

s

ą

inaczej zorientowane w przestrzeni i maj

ą

innych kształt ni

ż

wyj

ś

ciowe orbitale atomowe

•

s

ą

silniej ukierunkowane ni

ż

orbitale wyj

ś

ciowe – s

ą

zbudowane z dwóch nierównych cz

ęś

ci (kształt

obrotowej, niesymetrycznej ósemki)

•

ze wzgl

ę

du na wi

ę

ksze ukierunkowanie mog

ą

silniej nakłada

ć

si

ę

z innymi orbitalami i tworzy

ć

bardziej stabilne struktury

•

w przestrzeni s

ą

maksymalnie oddalone od siebie

rodzaj hybrydyzacji

orbital wyj

ś

ciowy

typ hybrydyzacji

(liczba orbitali)

k

ą

t

kształt cz

ą

steczki

dygonalny

s, p

sp (2)

180º

liniowy

trygonalny

s, p, p

sp

2

(3)

120º

trójk

ą

tny

tetraedryczny

s, p, p, p

sp

3

(4)

109,5º

czworo

ś

cienny foremny

–

indeksy przy symbolach orbitali zhybrydyzowanych podaj

ą

liczb

ę

orbitali jednego typu,

które uległy hybrydyzacji

Hybrydyzacja atomu w

ę

gla

•

w

ę

giel w stanie podstawowym

6

C: 1s

2

2s

2

2p

2

2



•

w

ę

giel w stanie wzbudzonym

rodzaj hybrydyzacji

konfiguracja elektronowa

zapis klatkowy

liczba i rodzaj orbitali

sp

3

6

C: 1s

2

2t

1

t

2

t

3

t

4

2

4 orbitale sp

3

– 31 –

sp

2

6

C: 1s

2

2t

1

t

2

t

3

p

1

2

3 orbitale sp

2

1 orbital p

sp

6

C: 1s

2

2t

1

t

2

p

1

p

2

2

2 orbitale sp

2 orbitale p

rodzaj

hybrydyzacji

nazwa systematyczna

przykładowego

zwi

ą

zku

wzór strukturalny

przykładowego

zwi

ą

zku

kształt cz

ą

steczki

przykładowego

zwi

ą

zku

k

ą

ty

hybrydyzacyjne

sp

3

etan

C

C

H

H

H

H

H

H

*

*

C

sp

2

eten

C

C

H

H

H

H

*

*

C

sp

etyn

H

C

C

H

*

*

C

Wi

ą

zanie w

ę

giel–w

ę

giel

C

C

C

C

C

C

wi

ą

zanie

σ

σ

π

σ

π

π

energia wi

ą

zania (kJ/mol)

348

607

833

długo

ść

wi

ą

zania (nm)

0,154

0,137

0,121

polarno

ść

wi

ą

zania C – H

najwi

ę

ksza

•

wraz z rosn

ą

c

ą

krotno

ś

ci

ą

wi

ą

zania, maleje jego długo

ść

i wzrasta energia

Hybrydyzacja atomu azotu i tlenu

N

H

H

H

NH

3

N: 4 orbitale sp

3

O

H

H

H

2

O

O: 4 orbitale sp

3

k

ą

t 107,3º

k

ą

t 104,5º

– 32 –

Hybrydyzacja

•

nie wszystkie orbitale zhybrydyzowane danego atomu musz

ą

uczestniczy

ć

w tworzeniu wi

ą

zania

chemicznego, np. NH

3

ma jedn

ą

woln

ą

par

ę

elektronow

ą

(jeden orbital zhybrydyzowany) a H

2

O a

ż

dwie wolne pary elektronowe (dwa orbitale zhybrydyzowane)

•

hybrydyzacji nie ulegaj

ą

orbitale atomowe, które tworz

ą

wi

ą

zania

π

Orbitale molekularne zdelokalizowane

•

wyst

ę

puj

ą

w cz

ą

steczkach z kilkoma wi

ą

zaniami

π

•

elektrony pozostaj

ą

w sferze oddziaływa

ń

kilku j

ą

der atomowych

•

delokalizacja elektronów powoduje obni

ż

enie energii układu

Przykłady

•

benzen

–

ka

ż

dy atom w

ę

gla ma hybrydyzacj

ę

sp

2

–

ka

ż

dy atom w

ę

gla ma jeden niezhybrydyzowany orbital p

–

niezhybrydyzowany orbital p

–

ka

ż

dy orbital p mo

ż

e tworzy

ć

wi

ą

zanie

π

z orbitalem p s

ą

siedniego atomu w

ę

gla

–

powstaje jeden zdelokalizowany orbital 6e

–

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

•

but-1,3-dien (1,3-butadien)

–

cz

ą

steczka płaska

–

jeden zdelokalizowany orbital molekularny

π

(4e

–

)

C

C

C

C

Oddziaływania mi

ę

dzycz

ą

steczkowe

•

słabe oddziaływania pomi

ę

dzy atomami nale

żą

cymi do oddzielnych cz

ą

steczek

–

siły van der Waalsa

–

wi

ą

zanie wodorowe

–

wi

ą

zanie hydrofobowe

•

porównanie trwało

ś

ci wi

ą

za

ń

chemicznych z oddziaływaniami mi

ę

dzycz

ą

steczkowymi

rodzaj oddziaływania

energia (kJ/mol)

wi

ą

zanie kowalencyjne

400 - 600

wi

ą

zanie jonowe / metaliczne

200 – 400

wi

ą

zania wodorowe

12 – 30

oddziaływanie hydrofobowe

< 10

siły van der Waalsa

0,4 – 4

lub

lub

sp

2

sp

2

sp

2

sp

2

– 33 –

Wi

ą

zanie wodorowe

•

powstaje pomi

ę

dzy atomem wodoru, który jest poł

ą

czony wi

ą

zaniem kowalencyjnym

spolaryzowanym z silnie elektroujemnym atomem w jednej cz

ą

steczce a silnie elektroujemnym

atomem w drugiej cz

ą

steczce

H

O

H

H

O

H

•

atom wodoru mo

ż

e tworzy

ć

wi

ą

zanie wodorowe tylko z silnie elektroujemnym atomem (F, O, N);

nigdy nie utworzy wi

ą

zania wodorowego z atomem w

ę

gla

•

moc wi

ą

zania wodorowego ro

ś

nie ze wzrostem elektroujemno

ś

ci atomu oraz maleje ze wzrostem

jego rozmiarów, np. H

2

S, HF – tworz

ą

wi

ą

zanie wodorowe, ale HCl nie tworzy

•

wiele wła

ś

ciwo

ś

ci wody: du

ż

e napi

ę

cie powierzchniowe, wysoka temperatura wrzenia, wynika z

obecno

ś

ci wi

ą

za

ń

wodorowych

•

wiele zwi

ą

zków organicznych posiadaj

ą

cych atomy wodoru, kowalencyjnie wi

ąż

e si

ę

z silnie

ujemnym atomem (N lub O); mog

ą

tworzy

ć

wi

ą

zania wodorowe z cz

ą

steczk

ą

wody lub pomi

ę

dzy

sob

ą

O

CH

3

H

O

CH

3

H

O

CH

3

H

O

H

H

C

CH

3

CH

3

O

metanol

wodny roztwór acetonu

(brak wi

ą

zania wodorowego w czystym acetonie)

•

wi

ą

zania wodorowe s

ą

słabe (

~

20kJ/mol)

•

łatwo mo

ż

na je rozerwa

ć

, ale łatwo si

ę

tworz

ą

, nawet w temperaturze pokojowej (lub 37ºC)

•

umo

ż

liwiaj

ą

powstawanie biologicznie wa

ż

nych struktur, tworzonych przez makrocz

ą

steczki typu

kwasy nukleinowe czy białka, ale mog

ą

by

ć

w niektórych zwi

ą

zkach łatwo modyfikowane przez

rozerwanie niektórych wi

ą

za

ń

wodorowych

Wi

ą

zania hydrofobowe

•

cz

ą

steczki zawieraj

ą

ce wi

ę

kszo

ść

wi

ą

za

ń

niepolarnych lub słabo spolaryzowanych nie przyci

ą

gaj

ą

cz

ą

steczek wody i nie d

ążą

do otaczani si

ę

nimi – s

ą

hydrofobowe

•

woda wymusza ł

ą

czenie si

ę

grup hydrofobowych; takie ł

ą

cznie si

ę

grup hydrofobowych okre

ś

la si

ę

jako oddziaływanie hydrofobowe (usuwanie cz

ą

steczek hydrofobowych poza faz

ę

wodn

ą

)

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

oddziaływania warstwowe

płaskich cz

ą

steczek

– 34 –

Siły van der Waalsa

•

atomy mo

ż

na traktowa

ć

jak kule o okre

ś

lonym promieniu – promie

ń

van der Waalsa

H

C

N

O

0,12nm

0,2nm

0,15nm

0,14nm

•

pomi

ę

dzy dwoma atomami nale

żą

cymi do s

ą

siednich cz

ą

steczek, które zbli

ż

yły si

ę

na odległo

ść

,

b

ę

d

ą

c

ą

sum

ą

ich promieni, powstaje słabe oddziaływanie wi

ążą

ce – siły van der Waalsa wynikaj

ą

ce

z fluktuacji ich ładunków elektrycznych (słabe oddziaływanie elektrostatyczne)

Do oddziaływa

ń

van der Waalsa zaliczamy:

•

efekt dyspersyjny – oddziaływanie typu dipol przej

ś

ciowy-dipol przej

ś

ciowy (chwilowa deformacja

powłok elektronowych nawet w apolarnych atomach)

•

efekt indukcyjny – oddziaływanie typu dipol trwały-dipol indukowany oraz jon-dipol indukowany

•

efekt orientacyjny – oddziaływanie typu dipol trwały-dipol trwały oraz jon-dipol trwały

Wszystkie typy oddziaływa

ń

van der Waalsa prowadz

ą

do wzajemnego przyci

ą

gania si

ę

jonów i dipoli

odpowiednio zorientowanych wzgl

ę

dem siebie w przestrzeni.

Oddziaływania mi

ę

dzycz

ą

steczkowe – podsumowanie

•

nietrwałe, przej

ś

ciowe

•

maj

ą

wpływ na wła

ś

ciwo

ś

ci fizyczne substancji: stan skupienia, temperatur

ę

topnienia i wrzenia,

lotno

ść

, rozpuszczalno

ść

•

wyst

ę

puj

ą

w du

ż

ych ilo

ś

ciach pomi

ę

dzy makrocz

ą

steczkami odgrywaj

ą

cymi istotn

ą

rol

ę

w utrzymaniu aktywno

ś

ci biologicznej kompleksów