Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5â6 1 - Vilniaus universitetas

More documents

Recommendations

Info

Kovalentinës cheminës jungtys Organogeniniai elementai priklauso ryškiausiø „dielektrikø“ grupei, kuriø atomai sudaro viengubas, dvigubas ir net trigubas chemines jungtis su kaimyniniais atomais. Kiekvienoje cheminëje jungtyje yra viena pagrindinë σ tipo jungtis, o antroji ar treèioji jungtys yra π tipo. Pagrindinë σ tipo cheminë jungtis tarp dviejø atomø susidaro, kai abu atomai pateikia po vienà valentinæ orbitalæ (ar ið jø sudarytø dviejø hibridiniø AO), kurios yra nukreiptos viena á kità. Ið ðiø orbitaliø gaunamos riðanèioji ir ardanèioji jungties orbitalës, ir pastaroji jø turi bûti laisva, be elektronø. Riðanèioji orbitalë yra lokalizuota tarp abiejø atomø branduoliø ir pagal Pauli principà ji yra uþpildyta dviem elektronais su prieðingais sukiniais, kuriø po vienà pateikia kiekvienas atomas. Kadangi σ tipo cheminë jungtis susidaro ið dviejø VAO (ar hibridiniø AO) ir kiekvienas atomas pateikia po vienà elektronà, tai kiekvienoje valentiškai aktyvioje orbitalëje turi bûti tik po vienà elektronà. Ið to išeina, kad atomas gali sudaryti tiek cheminiø jungèiø ir jo toks valentingumas, kiek valentiniame sluoksnyje yra orbitaliø, kurioms galima priskirti po vienà elektronà. Periodo pradþioje valentinëse orbitalëse bûna (ar galima iðskirstyti) po vienà elektronà ir atomø valentingumai bei sudaromø cheminiø jungèiø skaièiai didëja, kol visose VAO yra po vienà VE. Periodo vidurinis atomas turi didþiausià valentingumà ir sudaro daugiausia cheminiø jungèiø. Antrajame ir treèiajame perioduose, kuriø VAO yra keturios (s, p x , p y , p z ), didþiausià valentingumà, lygø keturiems, turi anglies ir silicio atomai. Kituose periodo atomuose á VAO jau reikia áterpti po antrà elektronà, todël jos tampa valentiškai neaktyvios ir atomø valentingumai bei sudaromø cheminiø jungèiø skaièiai maþëja. Tad azotas ir fosforas yra trivalenèiai, deguonis ir siera – dvivalenèiai, floras, chloras ir kiti halogenai – vienvalenèiai. Paskutinis periodo atomas-elementas, kurio visos VAO uþpildytos, nesudaro cheminiø jungèiø, yra inertinës dujos (helis, neonas, argonas, ...), susidedanèios ið atskirø atomø. Kad iðlaikytø abu neutralius atomus vienà prie kito, σ tipo kovalentinës jungties abiejø atomø du elektronai turi bûti atiduoti „bendram naudojimui“, t.y. turi atsirasti tarp branduoliø riðanèioje orbitalëje (2 pav.). Tada atstumai tarp elektronø ir kiekvieno branduolio yra maþesni nei atstumas tarp branduoliø ir elektronai branduolius traukia stipriau nei branduoliai vienas kità stumia. Tai ir lemia cheminës jungties susidarymà. Kadangi apibendrinami elektronai priklauso valentiniam sluoksniui, tai kuo maþesni atomai sudaro kovalentinæ cheminæ jungtá, tuo maþesni atstumai yra tarp apibendrintø elektronø ir branduoliø, tuo stipriau jie vieni kitus traukia ir tuo stipresnës yra cheminës jungtys. Taigi su atomo dydþiais koreliuoja cheminiø jungèiø stiprumas ir ilgis. Todël antrojo periodo C, N ir O atomø sudaromos σ tipo cheminës jungtys yra trumpesnës (2a pieš.) ir stipresnës nei treèiojo ir tolesniø periodø cheminës jungtys (2b pieð.). Ið èia išplaukia, kad stabiliausios molekulës yra sudarytos ið antrojo periodo paskutiniøjø anglies, azoto, deguonies atomø (ir floro), t.y. jos stabilesnës nei molekulës, sudarytos ið treèiojo ir tolimesniø periodø atomø (taip pat ir ið antrojo periodo pirmos pusës atomø). Prie ðiø stipriausias σ jungtis sudaranèiø organogeniniø atomø reikia priskirti ir pirmojo periodo vandenilio atomà, nes dël jo maþo dydþio sudaroma σ jungtis yra trumpa ir todël priklauso stipriausiø jungèiø grupei. Taigi ið visø periodinës sistemos atomø stipriausias σ chemines jungtis sudaro organogeniniai anglies, azoto, deguonies (ir floro) ir vandenilio atomai. a b 2 pav. σ tipo cheminë jungtis, stipri tarp antrojo (a) ir silpnesnë tarp treèiojo ar tolimesnio (b) periodø atomø. Kaip matyti, atstumai tarp elektronø ir branduoliø yra daug maþesni nei tarp branduoliø, todël elektronai branduolius traukia daug stipriau, nei branduoliai vienas kità stumia Bet ir to paties periodo atomø, taigi ir organogenø, sudaromø cheminiø jungèiø stiprumai yra skirtingi, nes jungèiø stiprumas priklauso ne tik nuo valentiniø elektronø atstumo nuo branduolio, bet ir nuo tarpusavio stûmos tarp branduoliø ir tarp abiejø atomø elektronø. Tad trumpëjant cheminës jungties ilgiui didëja ne tik apibendrintø elektronø ir branduoliø trauka, bet didëja ir stûma tarp branduoliø ir tarp abiejø atomø likusiø elektronø. Pirmøjø periodø traukos ir stûmos sàveikø optimalus balansas pasiekiamas periodo viduryje, todël ið organogenø stipriausias chemines jungtis sudaro anglies atomai. Kad ðiø atomø σ cheminës jungtys yra tvirèiausios, rodo tai, kad kieèiausios medþiagos yra sudarytos iš anglies (þr. straipsnelio pabaigà ). Taèiau organogeniniai atomai gali sudaryti dvigubas ir net trigubas chemines a stabili b nestabili 3 pav. Stabili antrojo periodo π tipo cheminë jungtis (a) ir nestabilios treèiojo ar tolimesniø periodø π tipo cheminës jungtys (b). Kadangi elektronai negali priartëti prie branduolius jungianèios tiesës, tai joje atstumai tarp elektronø ir branduoliø yra didesni nei σ jungtyje ir elektronai branduolius traukia silpniau. Todël π jungtys yra silpnesnës ir susidaro tik tarp daugumos antrojo ir treèiojo periodø paskutiniøjø atomø jungtis, kai šalia σ tipo cheminës jungties susidaro viena (ar net dvi) π tipo cheminë jungtis. Kadangi π tipo jungtá sudaranèios VAO yra nukreiptos ne link kito atomo, o statmenai atomus jungianèios tiesës, tai jos abu elektronai negali priartëti prie jungianèios branduolius tiesës. Todël elektronai π jungtyje yra labiau nutolæ nuo branduoliø nei σ jungtyje ir daug silpniau traukia branduolius (3 pav.). Kuo maþesnis yra atomas, tuo stipresnæ π tipo jungtá jis sudaro ir todël antrojo periodo organogeniniai atomai sudaro stabilias π tipo jungtis (3 a pav.), tuo tarpu treèiojo periodo paskutiniø atomø π elektronai, bûdami gerokai toliau nuo branduolio (3b pav.), jau sudaro daug silpnesnes π jungtis, o tolimesniø periodø atomai praktiðkai jø jau nebesudaro. Treèiojo periodo silicio atomas, nors yra panaðus á anglá, bet kadangi π jungtis yra silpnesnë, tai jam naudingiau vietoj dvigubos jungties sudaryti dvi σ jungtis, todël silicis paprastai yra susijungæs su keturiais kaimyniniais atomais. Tolimesni treèiojo periodo fosforo ir ypaè sieros atomai, bûdami maþesni (ypatingais atvejais ir chloro atomas), dar sudaro ir π tipo jungtis. Polinë ir nepolinë, joninë ir metalinë jungtys Taèiau gyvybei yra svarbu ne tik cheminës jungties stiprumas, bet ir jos poliðkumas, nes polinës ir nepolinës cheminës jungtys skiriasi tiek cheminiu aktyvumu, tiek ir tarpmolekulinëmis (bei vidumolekulinëmis) sàveikomis. Polinë cheminë jungtis susidaro tarp skirtingø dydþiø atomø, kai maþesnis atomas stipriau traukia valen- 34 Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5–6
tinius elektronus nei didesnis ir abu jungties elektronai yra pasislinkæ link maþesniojo. Atomas, prie kurio pasislenka elektronai, ágyja neigiamà krûvá –δ, o atomas, nuo kurio atitraukiami elektronai, ágyja teigiamà krûvá +δ, ir cheminë jungtis A –δ – B +δ tampa poline. Kaip matëme, maþiausi yra antrojo periodo paskutiniai atomai, todël prie jø labiausiai pasislenka abu jungties elektronai, jie turi didþiausius neigiamus krûvius ir sudaro labiausiai polines jungtis su kitokiais atomais. Polinës jungtys yra ir tarp skirtingø organogeniniø atomø O –δ – H +δ , N –δ –H +δ , C +δ –N –δ , C +δ –O –δ . Tuo tarpu treèiojo ir tolimesniø periodø atomø sudaromos jungtys yra daug maþiau polinës (tik halogenai Cl , Br , J sudaro labiau polines jungtis). Nepolinës jungtys susidaro tarp vienodø ar panašias jonizacijos energijas turinèiø atomø, kai abu jungties elektronai lokalizuojasi ties jungties viduriu. Labai svarbi gyvybei nepolinë jungtis yra tarp anglies ir vandenilio atomø –C–H, nes jø VE yra traukiami prie branduoliø panaðia jëga. Nepolinës jungtys yra ir tarp anglies –C–C– ar kitø vienodø atomø. Kuo didesnis atomø dydþiø skirtumas, tuo didesnis δ, tuo didesnis jungties poliškumas. Kai šis skirtumas tampa labai didelis, abu σ jungties elektronai atsiduria prie maþesnio atomo, turinèio didelá efektyvø branduolio krûvá ir daug stipriau traukianèio elektronus. Tada δ tampa beveik lygus elektrono krûviui (δ ~ 1), ir jungtis tampa jonine A – B + . Joninës jungtys susidaro tarp periodinës sistemos deðiniojo virðutinio kampo maþø atomø, ypaè halogenø, ir metalø atomø. Metalai, bûdami teigiamø jonø ðaltinis gyvuose organizmuose, dalyvauja susidarant daugeliui labai svarbiø gyvybiniø procesø ir struktûrø. Á baltymø ar kitø makromolekuliø sudëtá metalai áeina kaip atskiri teigiami jonai, kurie sudaro metalo kompleksiná junginá su baltymo (chlorofilo, hemoglobino ir daugelio kitø) keliomis atomø grupëmis ir taip suformuoja fermento aktyvø centrà , kuriame vykdoma specifinë cheminë reakcija. Organogeniniø atomø iðskirtinumas ir jø molekuliø gausa bei ávairovë Kaip matyti, organogeniniai antrojo periodo anglies C, azoto N ir deguonies O atomai, esantys periodinës sistemos virðuje, deðiniajame kampe, iðsiskiria ið kitø atomø daugeliu savybiø. Pirmiausia jø sudaromos σ jungtys yra stipresnës uþ kitø to paties periodo ir tolimesniø periodø atomø ir todël jø sudarytos molekulës yra stipresnës ir daþnai stabilesnës. Be to, šalia σ jungties jie gali sudaryti papildomai antrà (ar ir treèià) π jungtis, kurios yra chemiškai ir optiškai (fotosintezë) aktyvesnës. Molekulës (ar jø dalys), sudarytos tik σ jungtimis sujungtais atomais, yra erdvinës trimatës, o turinèios π jungèiø grandinëles ar uþdarø þiedø formas, yra plokðèios, ir tai suteikia joms papildomø struktûriniø savybiø (pavyzdþiui, DNR dvigubos spiralës susidarymui). Iš organogeniniø atomø savo molekuliø formos – geometrijos ir dydþio ávairove iðsiskiria anglies atomas, nes, bûdamas keturvalentis ir sudarydamas stabiliausias π tipo jungtis, gali turëti keturis, tris ar tik du cheminëmis jungtimis prijungtus kaimyninius atomus. Tai leidþia anglies atomo pagrindu su kitais organogeniniais atomais susidaryti tokiai daugybei ávairiausios struktûros ir ávairiausiø savybiø molekuliø, kad iðskiriama atskira chemijos ðaka – organinë chemija. Ypaè daug skirtingø molekuliø atsiranda dël anglies atomo gebëjimo sudaryti dideles molekules ir makromolekules. Á organogeninius atomus panaðûs treèiojo periodo silicio Si, fosforo P, sieros S atomai, bet jie yra didesni, jø sudaromos cheminës jungtys silpnesnës ir molekulës maþiau stabilios. Atskirai reikia aptarti silicá, kuris turëtø bûti panaðus á organogeninæ anglá, taèiau, bûdamas pastebimai didesnis, nesudaro stipriø π jungèiø ir todël vietoj dvigubø jungèiø visada jungiasi stipresnëmis viengubomis σ jungtimis su keturiais kaimyniniais atomais. Jungdamasis su deguonies atomais silicis sudaro ávairius silikatus, taip pat ir stiklus, kurie yra kietos ir chemiðkai labai inertinës medþiagos. Nors silikatuose silicio su deguonimi junginys paprastai vaizduojamas SiO 2 , bet iš tiesø tai nëra atskiros molekulës, o cheminëmis jungtimis sujungtos jø iðsiðakojusios grandinëlës. Tuo tarpu CO 2 yra atskira stabili molekulë, kurioje anglis su kiekvienu deguonies atomu sudaro dvigubà jungtá, ir ji yra pagrindinis anglies ðaltinis gyvybei. Tokios yra pagrindinës organogeniniø anglies, azoto, deguonies ir vandenilio atomø savybës, kurios juos skiria nuo kitø atomø. P.S. Reikia paþymëti dar vienà iðskirtinæ anglies savybæ – tai ið jos atomø sudarytø medþiagø kietumas, tvirtumas. Iki pastarojo meto buvo manoma, kad pati kieèiausia ir tvirèiausia medþiaga yra deimantas, sudarytas ið tetraedrinëmis kryptimis viengubomis cheminëmis jungtimis susijungusiø anglies atomø. Taèiau ðiemet fizikos Nobelio premija paskirta dviem Jungtinëje Karalystëje dirbantiems ir Rusijoje gavusiems fizikiná iðsilavinimà mokslininkams uþ grafeno plokðteliø atskyrimà ið grafito ir jø savybiø tyrimà. Pasirodë, kad grafeno plokðtelës yra dar kietesnës nei deimanto kristalai, nes grafeno plokðtelëse anglies atomai yra sujungti ne viengubomis σ cheminëmis jungtimis, kaip deimante, bet ir konjuguotomis π jungtimis, kaip benzolo þieduose, ir grafeno plokðtelës yra iðtisiniai sujungti ðeðiakampiai benzolo þiedai. Kitaip sakant, grafeno plokðtelëse anglies atomai yra sujungti ne viena chemine jungtimi, o „pusantros“ cheminës jungties (π jungtys yra silpnesnës nei σ jungtys) ir todël grafeno plokštelës yra kietesnës bei tvirtesnës nei deimanto. Nors grafità sudaro kieèiausiø grafeno plokðteliø makrosluoksnis, taèiau pats grafitas yra minkðta medþiaga. Taip yra todël, kad grafite grafeno plokðtelës yra sulipusios silpnomis dispersinëmis Londono sàveikomis ir tos plokðtelës lengvai slenka viena kitos atþvilgiu (panaðiai kaip slenka dvi drëgnos sulipusios stiklo plokðtelës). Tai ir sàlygoja grafito minkðtumà, nes raðant pieðtuku vienas grafeno plokðteliø sluoksnelis nuslysta nuo kitø ir sulûþinëja, o tie nuolauþø sluoksneliai stipriai prilimpa prie popieriaus nelygaus pavirðiaus, vëlgi dispersinëmis Londono sàveikomis. Bet egzistuoja ir dar viena ið anglies atomø sudaryta molekulë, kuri yra dar kietesnë ir tvirtesnë nei grafeno plokðtelë ir, þinoma, kietesnë nei deimantas. Tokiose kumulenais vadinamose molekulëse anglies atomai yra iðsidëstæ vienoje tiesëje ir sudaro grandinëlæ – siûlà, kurioje anglies atomai sudaro dvi nepriklausomas konjuguotø π jungèiø grandines, o ne vienà kaip grafene. Todël kumulenuose anglies atomai yra sujungti nebe „pusantros“ cheminës jungties, kaip grafene, bet jau bent „dviejø“ cheminiø jungèiø. Dël to kumuleninë grandinëlë yra tvirtesnë nei grafeno plokðtelë ar deimantas. Ið tokiø kumuleniniø grandiniø susukta virvë bûtø tvirèiausia ið visø kitø. Galima paþymëti vienà „paradoksà“, paremtà mûsø kasdiene buitine patirtimi. Paprastai manoma, kad kietos medþiagos yra sunkios. Taèiau ið anglies sudarytos tvirtosios medþiagos yra palyginti lengvos, nedaug sunkesnës uþ vandená. Taip yra dël to, kad medþiagos svoris (masë) labiausiai priklauso nuo jà sudaranèiø atomø branduoliø masës–svorio, kuriø kiekis tûryje priklauso nuo branduoliø atominio svorio ir atomø dydþiø. Tolimesniø periodø atomø dydþiai yra panaðûs, tik apie du kartus didesni nei anglies ir todël neturi didelës reikðmës medþiagø masei – svoriui. Tuo tarpu anglies atomo branduolio atominis svoris yra tik dvylika (12), o, pavyzdþiui, geleþies beveik penkis kartus didesnis (~56), sidabro – devynis kartus (~108), o aukso – daugiau kaip ðeðiolika kartø (~197). Tad ið šiø atomø sudarytos medþiagos yra daug sunkesnës nei sudarytos ið anglies, nors ir daug minkðtesnës. (Bus daugiau) Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5–6 35
Page 1 and 2: 2011 5-6 Mokslas ir gyvenimas 2011
Page 3 and 4: uosto direkcija”- 20 metø Á PAS
Page 5 and 6: direkcija”- 20 metø tiktø. Taè
Page 7 and 8: direkcija”- 20 metø 6 Povilas Si
Page 9 and 10: direkcija”- 20 metø pleèiasi ir
Page 11 and 12: ø. Be kelto per Atmatà, saloje bu
Page 13 and 14: Bruoþas Baltijos jûros istorijai
Page 15 and 16: svarbos nepraradusiems kalbotyros m
Page 17 and 18: savo raðte Kaunà pavadino „Þe
Page 19 and 20: Kol kas ingos ligos simptomus turim
Page 21 and 22: Karalius Mindaugas Skulptorius Vyta
Page 23 and 24: vardas skamba pingvinø sostinëje
Page 25 and 26: uosto direkcija”- 20 metø Su Ðv
Page 27 and 28: uosto direkcija”- 20 metø sprend
Page 29 and 30: uosto direkcija”- 20 metø rengin
Page 31 and 32: negili, vanduo ðiltas, normalaus d
Page 33: anogenai H Elementai iš pradþiø
Page 37 and 38: iðsikëlimà ið Kauno á Vilniø
Page 39 and 40: gamtininkø Virgilijus PAJARSKAS Mo
Page 41 and 42: vendinami šie uþdaviniai: tiriama
Page 43 and 44: Paaiðkëjo, kad Këdainiø rajono
Page 45 and 46: jie uþims maþai vietos. Svarbu ir
Page 47 and 48: Fizikos laboratorijose - atradimø
Page 49 and 50: miniatiûriniai, matuojami milimetr
Page 51 and 52: mø grupës nariai nuolatos vyksta

Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5â6 1 - Vilniaus universitetas

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?

Mokslas ir gyvenimas 2011 Nr. 5â6 1 - Vilniaus universitetas