Kimyoviy bogʻlanishlar

Tirik mavjudodlar atomlardan tashkil topgan, lekin aksariyat hollarda ushbu atomlar bir oʻzi alohida harakatlanmaydi. Balki, ular odatda boshqa atomlar (yoki atomlar guruhlari) bilan oʻzaro aloqaga kirishadi.

Masalan, atomlar kuchli bogʻlanishlar orqali molekulalar yoki kristallarni hosil qilishi mumkin. Yoki ular boshqa atomlar bilan toʻqnashish yoki urilish orqali vaqtincha (beqaror), kuchsiz bogʻ hosil qilishi mumkin. Molekulalarni bir-biriga bogʻlaydigan kuchli aloqalar ham, vaqtinchalik bogʻlanishlarni hosil qiladigan kuchsizroq aloqalar ham tanamizdagi kimyoviy jarayonlar hamda hayot bardavomligi uchun juda muhimdir.

Nega kimyoviy bogʻlanishlar hosil boʻladi? Asosiy javob shundaki, atomlar oʻzlari erisha oladigan eng barqaror (eng kam energiyali) holatga oʻtishga harakat qiladilar. Koʻp atomlar ularning valent qobigʻi elektronlar bilan toʻlganda yoki ular oktet qoidasiga (sakkizta valent elektronlarga ega boʻlish orqali) mos kelganida barqaror boʻla oladilar. Agar atomlar bunday tartibga ega boʻlmasa, ular bogʻlanishlar orqali elektronlarni olish, yoʻqotish yoki berish yoʻli bilan barqaror boʻlishga “intiladilar”.

Baʼzi atomlar barcha elektronlarini (yoki bir nechta elektronlarini) olish yoki yoʻqotish orqali barqaror boʻladi. Ular shunday qilganlarida atomlar ionlar yoki zaryadlangan zarrachalarni hosil qiladi. Elektron olish yoki yoʻqotish atomga toʻliq tashqi elektron qobigʻini berishi va uni energetik jihatdan yanada barqaror qilishi mumkin.

Ionlar ikki xil turda boʻladilar. Kationlar bu elektronlarni yoʻqotish natijasida hosil boʻlgan musbat zaryadli ionlardir. Masalan, natriy atomi elektronini yoʻqotib, natriy kationiga ($\text{Na}^+$start text, N, a, end text, start superscript, plus, end superscript) aylanadi. Manfiy zaryadlangan ionlar elektronni olish natijasida hosil boʻladi va anionlar deb ataladi. Anionlar element nomiga “-id” qoʻshimchasi qoʻshilib nomlanadi: masalan, xlor anioni ($\text{Cl}^-$start text, C, l, end text, start superscript, minus, end superscript) xlorid deb nomlanadi.

Bir atom elektronini yoʻqotib, boshqa atom xuddi oʻsha elektronga ega boʻlsa, ushbu jarayon elektron koʻchib oʻtish jarayoni deyiladi. Natriy va xlor atomlari elektronning koʻchib oʻtishiga misol boʻla oladi.

Natriyning (Na) tashqi qobigʻida faqat bitta elektron bor, shu sababli natriy tashqi qobigʻini toʻldirish uchun yettita elektron topishidan koʻra, oʻsha bitta elektronini berib yuborishi osonroq (energiya jihatidan qulayroq)dir. Shuning uchun natriy bitta elektronini yoʻqotib, Na$^+$start superscript, plus, end superscript koʻrinishini hosil qilishga intiladi.

Xlor (Cl) esa tashqi qobigʻida yettita elektronga ega. Bunday holatda xlorga bitta elektron olish, yettitasini yoʻqotishga qaraganda osonroqdir, shuning uchun u bitta elektronni egallab, Cl$^-$start superscript, minus, end superscript koʻrinishiga oʻtishga intiladi.

Natriy va xlor birlashganda, natriy oʻzining qobigʻini boʻshatish uchun bitta elektronini berib yuboradi va xlor bu elektronni oʻz qobigʻini toʻldirish uchun qabul qiladi. Endilikda ikkala ion ham oktet qoidasiga mos tushadi va ular toʻliq tashqi qobiqqa ega boʻladi. Elektronlar soni protonlar soniga teng boʻlmagani sababli endilikda har bir atom iondir va +1 (Na$^+$start superscript, plus, end superscript) yoki –1 (Cl$^-$start superscript, minus, end superscript) zaryadiga ega.

Umumiy holatda bir atomning elektron yoʻqotishi va boshqa bir atom tomonidan olinishi bir paytda sodir boʻlishi kerak: natriy atomi elektronini yoʻqotish uchun unga xlorga oʻxshagan mos qabul qilib oluvchi kerak boʻladi.

Ionli bogʻlanishlar qarama-qarshi zaryadli ionlar oʻrtasida hosil boʻlgan bogʻlanishlardir. Masalan, natriy xlorid yoki isteʼmol tuzini hosil qilish uchun musbat zaryadlangan natriy ionlari va manfiy zaryadlangan xlorid ionlari bir-birini oʻziga tortadi. Koʻplab ionli birikmalar kabi isteʼmol tuzi ham shunchaki bitta natriy va bitta xlorid ionidan tashkil topmaydi, balki u koʻplab takroran joylashgan, 3D koʻrinishidagi (kristall) shakllardan tashkil topgan.$^1$start superscript, 1, end superscript

Ayrim ionlar fiziologiyada elektrolitlar deb nomlanadi (jumladan, natriy, kaliy va kalsiy). Ushbu ionlar nerv impulslarini oʻtkazish, mushaklarning qisqarishi va suv balansi uchun zarurdir. Koʻplab sport ichimliklari va ozdiruvchi qoʻshimchalar jismoniy mashqlar paytida terlash orqali tanadan yoʻqotilganlarini oʻrnini bosish uchun ushbu ionlar bilan taʼminlaydi.

Atomlarning barqaror boʻlishining yana bir usuli bu (ularni butunlay egallash yoki yoʻqotishdan koʻra) elektronlarni almashish va shu tariqa kovalent bogʻlanishlar hosil qilishdir. Tirik organizmlar molekulalarida kovalent bogʻlanishlar ionli bogʻlanishlarga qaraganda koʻproq uchraydi.

Masalan, kovalent bogʻlanishlar tanamizdagi DNK va oqsillar singari uglerodga asoslangan organik molekulalar tuzilishining asosini tashkil qiladi. Kovalent bogʻlanishlar $\text H_2\text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text, $\text {CO}_2$start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript va $\text {O}_2$start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript kabi kichikroq noorganik molekulalarda ham uchraydi. Atomlar oʻrtasida bir, ikki yoki uch juft elektronlar taqsimlanishi mumkin. Natijada shunga mos ravishda bitta, qoʻsh yoki uchtalik bogʻlanishlar paydo boʻladi. Ikki atom oʻrtasida qancha koʻp elektronlar almashsa, ularning bogʻlanishi shunchalik kuchli boʻladi.

Kovalent bogʻlanishga misol tariqasida suvni olaylik. Suv molekulasi $\text H_2\text O$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text ikkita vodorod atomining bitta kislorod atomiga birikishidan iborat. Har bir vodorod kislorodga elektronini beradi va oʻz navbatida, kislorod ham elektronlaridan birini vodorodga beradi:

Almashingan elektronlar oʻz vaqtlarini vodorod va kislorod atomlarining valent qobiqlari oʻrtasida taqsimlab, har bir atomga toʻliq valent qobigʻiga erishishi uchun (H uchun ikkita, O uchun sakkizta) elektron almashiniladi. Bu suv molekulasini uning tarkibidagi atomlari birikishidan oldingi yagona holatiga qaraganda ancha barqaror qiladi.

Kovalent bogʻlarning ikkita asosiy turi mavjud: qutbli va qutbsiz. Qutbli kovalent bogʻlanishda elektronlarni atomlar teng ravishda taqsimlamaydi va bir atomga boshqasiga qaraganda koʻproq vaqt sarflaydi. Turli elementlarning atomlari oʻrtasida elektronlar teng taqsimlanmagani sababli molekulaning turli qismlarida biroz musbat (δ+) va biroz manfiy (δ–) zaryadlar paydo boʻladi.

Yuqorida koʻrsatilgan suv molekulasida kislorodni har bir vodorod bilan bogʻlaydigan bogʻ qutbli bogʻdir. Kislorod vodorodga qaraganda ancha koʻp elektromanfiy zaryadlangan atomdir, yaʼni almashilgan elektronlarni koʻproq oʻziga tortadi, shuning uhun suvdagi kislorod qisman manfiy zaryadga (yuqori elektron zichlikka) ega, vodorodlar esa qisman musbat zaryadga (quyi elektron zichlikka) ega.

Umuman olganda bogʻlanishdagi ikkita atomning nisbiy elektron manfiyligi, ularning almashgan elektronlarini “hammasini egallash”ga moyilligi kovalent bogʻning qutbli yoki qutbsiz ekanini belgilaydi. Qachonki bitta element ikkinchisidan sezilarli darajada koʻproq elektromanfiy boʻlsa, ular orasidagi bogʻlanish qutbli boʻladi, yaʼni uning bir uchi biroz musbat zaryadga, ikkinchisi esa biroz manfiy zaryadga ega boʻladi.

Qutbsiz kovalent bogʻlanish bir elementning ikki atomlari orasida yoki turli xil elementlarning biroz teng ravishda elektronlarini almashuvchi atomlari orasida hosil boʻladi. Masalan, molekulyar kislorod ($\text {O}_2$start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript) qutbsizdir, chunki elektronlar ikki kislorod atomi orasida teng almashgan.

Qutbsiz kovalent bogʻlanishga yana boshqa bir misol metanda ($\text {CH}_4$start text, C, H, end text, start subscript, 4, end subscript) uchraydi. Uglerodning tashqi qobigʻida toʻrtta elektron bor va u barqaror oktetga erishishi uchun yana toʻrtta elektron kerak. Ushbu holatga erishish uchun uglerod vodorodning toʻrtta atomi bilan elektron almashadi va ularning har biri bittadan elektron beradi. Oʻz-oʻzidan vodorod atomlarining har biri tashqi qobiqlarini toʻldirish uchun bittadan elektronga muhtoj, uni esa ugleroddan almashilgan elektron holatida qabul qiladi. Uglerod va vodorod bir xil elektron manfiylikka ega boʻlmasalar ham, ular bir-biriga biroz oʻxshash, shuning uchun uglerod bilan vodorod bogʻlanishi qutbsiz boʻladi.

Kovalent va ionli bogʻlanishlar ikkisi ham odatda kuchli bogʻlanish hisoblanadi. Ammo atomlar yoki molekulalar oʻrtasida boshqa vaqtinchalik sodir boʻladigan bogʻlar ham bor. Koʻpincha biologiyada kuzatiladigan kuchsiz bogʻlarning ikki xil turi bu vodorod bogʻlanish va London dispersiya kuchidir.

Juda mubolagʻa boʻlib tuyulsa ham, biroq bu ikki turdagi bogʻlanishlar boʻlmaganida edi, biz bilgan bu jayot mavjud boʻlmagan boʻlar edi. Masalan, vodorod bogʻlanishlar suvning tiriklik xususiyatini taʼminlab, hujayralar asosini tashkil qiluvchi oqsil va DNK tuzilishini barqarorlashtiradi.

Vodorodni oʻz ichiga oluvchi qutbli kovalent bogʻda (masalan, suv molekulasidagi O-H bogʻlanishi) vodorod biroz musbat zaryadga ega boʻladi, chunki bogʻ elektronlari boshqa elementlarga koʻproq tortiladi. Ushbu biroz musbat zaryad tufayli har qaysi qoʻshni manfiy zaryad vodorodni oʻziga tortadi. Ushbu oʻzaro taʼsir vodorod bogʻlanish deyiladi.

Vodorod bogʻlanish tabiatda, ayniqsa, suv molekulalarida koʻp uchraydi. Vodorodning alohida bogʻlari kuchsiz va oson uziluvchi boʻlib, bir nechta vodorod bogʻlari bilan juda kuchli boʻla oladi.

Vodorod bogʻlanish kabi London dispersiya kuchi molekulalar orasida sodir boʻluvchi kuchsiz taʼsirlashuvdir. Lekin, vodorod bogʻlanishdan farqli ravishda, istalgan turdagi atomlar va molekulalar orasida hosil boʻla oladi va bu elektron taqsimotidagi vaqtinchalik nomutanosiblikka bogʻliq boʻladi.

Bu qanday yuzaga keladi? Elektronlar doimiy harakatda boʻlganligi sababli baʼzida biror-bir atom yoki molekulaning elektronlari birgalikda molekulaning bir qismida qisman manfiy zaryad (va boshqasida qisman musbat zaryad) hosil qilib birlashadi. Agar ushbu nomutanosib zaryadga ega molekula boshqa molekulaga juda yaqin boʻlsa, natijada bu ikkinchi molekulada ham oʻxshash zaryadlarning qayta taqsimlanishiga va ikki molekulaning vaqtincha musbat va manfiy zaryadlari bir-biriga intilishiga sabab boʻlishi mumkin.$^2$squared

odorod bogʻlanish ham, London dispersiya kuchi ham van der Vals kuchiga misol boʻladi. Van der Vals kuchi bu kovalent va ionli bogʻlanishlardan tashqari molekulalararo taʼsirlashuvlarni ifodalovchi umumiy atamadir. $^3$cubed Baʼzi darsliklarda London dispersiya kuchini taʼriflash uchun "van der Vals kuchi" atamasidan foydalanilgan, shuning uchun darsligingiz yoki oʻqituvchingiz qaysi taʼrifdan foydalanayotganiga eʼtibor bering.

Kuchli va kuchsiz bogʻlanishlar hujayralar va tanamizda sodir boʻluvchi kimyoviy jarayonlarda muhim rol oʻynaydi. Masalan, kuchli kovalent bogʻlar DNK zanjirini tashkil etadigan kimyoviy tuzilish “gʻishtchalar”ini birlashtiradi. Ammo kuchsizroq vodorod bogʻlari DNK qoʻsh spiralining ikkita zanjirini ushlab turadi. Ushbu kuchsiz bogʻlanish DNKni barqaror qiladi, ammo bu hujayraning nusxa olishi va foydalanishi uchun ham yoʻl ochib beradi.

Umuman olganda, ionlar, suv molekulalari va qutbli molekulalar orasidagi bogʻlanishlar hujayraning suvli muhitida doimiy ravishda hosil boʻladi va uzilib turadi. Ushbu muhitda turli xil molekulalar kuchsiz, zaryadga asoslangan taʼsirlashuvlar orqali bir-biriga intiladi. Masalan, Na$^+$start superscript, plus, end superscript ioni oldin suv molekulasi bilan va keyin oqsilning manfiy zaryadlangan qismi bilan oʻzaro taʼsirlashishi mumkin.

Ajablanarlisi shundaki, bu kabi milliardlab kuchli va kuchsiz, barqaror va beqaror (vaqtinchalik) kimyoviy bogʻlar taʼsirlashuvi – ayni paytda bizning tanamizda sodir boʻlmoqda va ular birgalikda bizni tutib turibdi va biz mavjudmiz!