Քիմիական կապեր

Կենդանի օրգանիզմները կազմված են ատոմներից, բայց այդ ատոմները պարզապես չեն լողում տարածության մեջ։ Դրանք սովորաբար փոխազդում են այլ ատոմների կամ ատոմների խմբերի հետ։

Օրինակ՝ ատոմները կարող են կապվել ամուր կապերով և առաջացնել մոլեկուլներ կամ բյուրեղներ։ Կամ կարող են առաջացնել ժամանակավոր թույլ կապեր այն ատոմների հետ, որոնց բախվում են։ Ե՛վ մոլեկուլներ առաջացնող ուժեղ կապերը, և՛ ժամանակավոր թույլ կապերը շատ կարևոր են մեր մարմնի քիմիական բաղադրության և կյանքի գոյության համար։

Ինչո՞ւ են առաջանում քիմիական կապերը։ Հիմնական պատասխանն այն է, որ ատոմները ձգտում են հասնելու իրենց ամենակայուն (ամենացածր էներգիա ունեցող) վիճակին։ Շատ ատոմներ կայունանում են, երբ դրանց վերջին՝ վալենտային թաղանթը լրացված է էլեկտրոններով, կամ երբ դրանք համապատասխանում են կայուն ութնյակի կանոնին՝ ունենալով ութ էլեկտրոն իրենց վալենտային թաղանթում։ Եթե ատոմներն այսպիսի էլեկտրոնային դասավորություն չունեն, ապա դրանք ձգտելու են այդ վիճակին՝ էլեկտրոն ձեռք բերելով, կորցնելով կամ կապերի շնորհիվ կիսելով։

Որոշ ատոմներ ավելի կայուն են դառնում՝ ձեռք բերելով կամ կորցնելով մի ամբողջ (կամ նույնիսկ մի քանի) էլեկտրոն։ Երբ դա տեղի է ունենում, ատոմներն առաջացնում են իոններ կամ լիցքավորված մասնիկներ։ Էլեկտրոններ ձեռք բերելու կամ կորցնելու արդյունքում ատոմն ավելի կայուն է դառնում, քանի որ ստեղծվում է էլեկտրոններով լրացված վալենտային թաղանթ։

Իոնները լինում են երկու տեսակի։ Կատիոնները դրական լիցքավորված իոններն են, որոնք առաջանում են ատոմի՝ էլեկտրոն կորցնելու արդյունքում։ Օրինակ՝ նատրիումի ատոմը, կորցնելով 1 էլեկտրոն, վերածվում է նատրիումի կատիոնի՝ ${\text{Na}}^{+}$‍։ Բացասական լիցքավորված իոնները, որոնք կոչվում են անիոններ, առաջանում են, երբ ատոմը ձեռք է բերում էլեկտրոն։ Անիոնների անվանակարգման համար ատոմի անվանն ավելացնում ենք «իդ» վերջավորությունը։ Օրինակ՝ քլորի անիոնը կկոչվի քլորիդ (${\text{Cl}}^{-}$‍)։

Այն գործընթացը, որի ընթացում մի ատոմը կորցնում է էլեկտրոն, իսկ մյուսը այն ձեռք է բերում, կոչվում է էլեկտրոնի փոխանցում։ Նատրիումի և քլորի ատոմներն էլեկտրոնի փոխանցման լավ օրինակ են։

Նատրիումը (Na) իր վերջին էլետրոնային շերտում ունի միայն 1 էլեկտրոն։ Հետևաբար ավելի հեշտ է (էներգիապես ավելի շահավետ) մեկ այլ ատոմի իր 1 էլեկտրոնը տրամադրելը, քան 7 էլեկտրոն ստանալն ու արտաքին էլեկտրոնային շերտը լրացնելը։ Այդ պատճառով նատրիումը ձգտում է կորցնել իր 1 էլեկտրոնը՝ առաջացնելով Na${}^{+}$‍։

Մյուս կողմից՝ քլորն (Cl) իր արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում ունի 7 էլեկտրոն։ Այս դեպքում քլորի համար ավելի հեշտ է 1 էլեկտրոն ձեռք բերելը, քան 7 էլեկտրոն կորցնելը։ Այդ պատճառով քլորի ատոմը ձգտում է ձեռք բերել 1 էլեկտրոն և վերածվել Cl${}^{-}$‍-ի։

Երբ նատրիումն ու քլորը փոխազդում են, նատրիումը քլորին է տալիս իր 1 էլեկտրոնը՝ դատարկելով իր արտաքին էլեկտրոնային թաղանթը, իսկ քլորը վերցնում է այդ 1 էլեկտրոնը՝ լրացնելով իր վերջին էլեկտրոնային թաղանթը։ Երկու իոններն էլ այժմ համապատասխանում են ութնյակի կանոնին և ունեն լրացված արտաքին էլեկտրոնային թաղանթ։ Քանի որ էլեկտրոնների քանակն այլևս հավասար չէ պրոտոնների քանակին, 2 ատոմն էլ դառնում են իոն և +1 (Na${}^{+}$‍) կամ -1 (Cl${}^{-}$‍) լիցք են ունենում։

Հիմնականում մի ատոմի՝ էլեկտրոն կորցնելը զուգորդվում է մեկ այլ ատոմի կողմից այդ նույն էլեկտրոնը ձեռք բերելով։ Օրինակ, որպեսզի նատրիումի ատոմն էլեկտրոն կորցնի, այն պետք է ունենա նաև էլեկտրոնն ընդունող ատոմ, օրինակ՝ քլոր։

Իոնային կապն առաջանում է հակառակ լիցք ունեցող իոնների միջև։ Օրինակ՝ դրական լիցք ունեցող նատրիումի իոնը և բացասական լիցք ունեցող քլորի իոնը ձգում են միմյանց և առաջացնում նատրիումի քլորիդ կամ կերակրի աղ։ Աղը, ինչպես նաև այլ իոնային միացություններ, կազմված չէ միայն մեկ նատրիումի և մեկ քլորի ատոմներից։ Իոնային միացությունները կազմված են կրկնվող միավորներից, որոնք համակարգվում են՝ առաջացնելով 3D մոդել ունեցող կառուցվածք՝ բյուրեղավանդակ${}^1$‍։

Որոշ իոններ ֆիզիոլոգիայում կոչվում են էլեկտրոլիտներ (այդ թվում են նաև նատրիումի, կալիումի և կալցիումի իոնները)։ Այս իոններն անհրաժեշտ են նյարդային ազդակների փոխանցման, մկանների կծկման և ջրի քանակի հավասարակշռության պահպանման համար։ Մարզիկների համար նախատեսված ըմպելիքի և սննդամթերքի մեծ մասը պարունակում է որոշ իոններ, որոնք փոխարինում են քրտնելու հետևանով մարզիկի օրգանիզմից դուրս եկածներին։

Ատոմների կայունացման մեկ այլ մեթոդ է էլեկտրոնների ընդհանրացումը (որը տարբերվում է ամբողջական էլեկտրոն կորցնելուց կամ ձեռք բերելուց), ինչի արդյունքում առաջանում է կովալենտային կապ։ Կենդանի օրգանիզմների մոլեկուլներում կովալենտային կապերն ավելի տարածված են, քան իոնային կապերը։

Օրինակ՝ կովալենտային կապերից են կազմված ածխածնային հիմքով օրգանական մոլեկուլները, այդ թվում նաև ԴՆԹ-ն և սպիտակուցները։ Կովալենտային կապեր ունեն նաև ավելի փոքր ոչ օրգանական մոլեկուլները, ինչպես, օրինակ՝ ${\text{H}}_2\text{O}$‍-ն, ${\text{CO}}_2$‍-ը և ${\text{O}}_2$‍-ը։ 1, 2 կամ 3 զույգ էլեկտրոններ կարող են ընդհանրացվել ատոմների միջև՝ հանգեցնելով միակի, կրկնակի կամ եռակի կապերի առաջացմանը։ Որքան շատ ընդհանուր էլեկտրոններ լինեն ատոմների միջև, այնքան ավելի ուժեղ կլինի կապը։

Որպես կովալենտային կապի օրինակ՝ դիտարկենք ջրի մոլեկուլը։ Ջրի մեկ մոլեկուլը՝ ${\text{H}}_2\text{O}$‍-ն, կազմված է ջրածնի 2 ատոմից, որոնք կապված են թթվածնի 1 ատոմի հետ։ Ջրածնի յուրաքանչյուր ատոմ ընդհանրացնում է իր մեկ էլեկտրոնը թթվածնի հետ, իսկ թթվածինն ընդհանրացնում է իր էլեկտրոններից մեկը ջրածնի յուրաքանչյուր ատոմի հետ։

Ընդհանրացված էլեկտրոններից յուրաքանչյուրը պատկանում է և՛ ջրածնին, և՛ թթվածնին՝ 2 ատոմներին էլ լրացված վալենտային թաղանթ ունենալու հնարավորություն տալով (2 էլեկտրոն H-ի և 8 էլեկտրոն O-ի համար)։ Սրա շնորհիվ ջրի մոլեկուլը դառնում է ավելի կայուն, քան այն կազմող ատոմները կլինեին՝ առանց էլեկտրոնների ընդհանրացման։

Գոյություն ունի կովալենտային կապի երկու հիմնական տեսակ՝ բևեռային և ոչ բևեռային։ Կովալենտային բևեռային կապի դեպքում էլեկտրոններն ատոմների միջև բաշխվում են անհավասարաչափ։ Սա նշանակում է, որ պտտման արդյունքում էլեկտրոնը կարող է ավելի երկար ժամանակ լինել մի ատոմի մոտ, քան մյուսի։ Այսպիսի անհավասարաչափ բաշխման արդյունքում ատոմներից մեկը ստանում է մասնակի դրական (δ+), իսկ մյուսը՝ մասնակի բացասական (δ–) լիցք։

Ջրի մոլեկուլում (պատկերված է վերևում) թթվածնի ու ջրածինների միջև գոյացող կապը ևս կովալենտային բևեռային է։ Թթվածինը շատ ավելի էլեկտրաբացասական ատոմ է, քան ջրածինը, ինչը նշանակում է, որ թթվածնի ատոմն ավելի ուժեղ է ձգում էլեկտրոններին, քան ջրածնի ատոմը։ Այսպիսով՝ ջրի կազմության մեջ մտնող թթվածինը կրում է մասնակի բացասական լիցք (ունի ավելի մեծ էլեկտրոնային խտություն), իսկ ջրածնի ատոմները կրում են մասնակի դրական լիցք (ունեն ավելի ցածր էլեկտրոնային խտություն)։

Այսպիսով՝ հարաբերական էլեկտրաբացասականությունը ատոմի՝ ընդհանրացված էլեկտրոնները դեպի իրեն ձգելու հատկությունն է։ Ատոմների էլեկտրաբացասականությունն է հենց պայմանավորում կովալենտային կապի բևեռային կամ ոչ բևեռային բնույթը։ Երբ փոխազդող ատոմներից մեկի էլեկտրաբացասականությունն ավելի մեծ է, քան մյուսինը, այդ ատոմների միջև կապը կլինի բևեռային։ Սա նշանակում է, որ մոլեկուլի մի ծայրը կունենա մասնակի դրական, իսկ մյուսը՝ մասնակի բացասական լիցք։

Կովալենտային ոչ բևեռային կապն առաջանում է միևնույն տարրի երկու ատոմների միջև կամ տարբեր տարրերի ատոմների միջև, որոնք ունեն միևնույն կամ մոտավորապես հավասար էլեկտրաբացասականություն։ Օրինակ՝ մոլեկուլային թթվածնում (${\text{O}}_2$‍) կապը կովալենտային ոչ բևեռային է, որովհետև ընդհանրացված էլեկտրոնները հավասարապես են բաշխվում երկու ատոմների միջև։

Կովալենտային ոչ բևեռային կապի մեկ այլ օրինակ է մեթանի (${\text{CH}}_4$‍) մոլեկուլում առկա կապը։ Ածխածինն իր արտաքին էլեկտրոնային թաղանթում ունի 4 էլեկտրոն և ութնյակը լրացնելու համար ևս 4 էլեկտրոնի կարիք։ Ածխածինը լրացնում է ութնյակը՝ ընդհանրացնելով իր 4 էլեկտրոնները ջրածնի ևս 4 ատոմների հետ, որոնցից յուրաքանչյուրը տրամադրում է 1 էլեկտրոն։ Փոխադարձաբար, ջրածնի ատոմները 1 հավելյալ էլեկտրոնի կարիք ունեն՝ իրենց արտաքին էլեկտրոնային թաղանթը լրացնելու համար։ Այդ էլեկտրոնը ջրածնի ատոմները ձեռք են բերում ածխածնից՝ վերջինիս էլեկտրոնները ընդհանրացնելու շնորհիվ։ Չնայած նրան, որ ածխածինն ու ջրածինն ունեն տարբեր էլեկտրաբացասականություն, դրանք բավականաչափ նման են, հետևաբար այս կապը համարվում է ոչ բևեռային։

Կովալենտային և իոնային կապերը բնորոշ ուժեղ կապեր են։ Այնուամենայնիվ, ատոմների կամ մոլեկուլների միջև կարող են առաջանալ նաև այլ՝ ժամանակավոր թույլ կապեր։ Կենսաբանության մեջ հաճախ հանդիպող նման թույլ կապեր են ջրածնային կապերը և լոնդոնյան դիսպերսիոն ուժերը։

Առանց այս երկու տեսակի կապերի մեր իմացած կյանքը գոյություն չէր ունենա։ Ջրածնային կապերը, օրինակ, ապահովում են ջրի՝ կյանքը պահպանող հատկանիշները և կայունացնում են բջջի հիմնական բաղադրիչների՝ սպիտակուցների ու ԴՆԹ-ի կառուցվածքը։

Երբ ջրածնի և որևէ այլ ատոմի միջև կովալենտային բևեռային կապ է առաջանում (օրինակ՝ O-H կապը ջրի մոլեկուլում), ջրածինն ունենում է մասնակի դրական լիցք, որովհետև մյուս ատոմն ավելի ուժեղ է ձգում ընդհանուր էլեկտրոնները։ Հենց այս մասնակի դրական լիցքի պատճառով շրջապատում գտնվող հարևան ատոմները, որոնք բացասական լիցք ունեն, կձգեն ջրածինը։ Այս փոխազդեցությունը կոչվում է ջրածնային կապ։

Ջրածնային կապը շատ տարածված է․ հատկապես ջրի մոլեկուլներն առաջացնում են բազմաթիվ ջրածնային կապեր։ Առանձին ջրածնային կապերը թույլ են և հեշտությամբ են քանդվում, իսկ մեծաթիվ ջրածնային կապերը միասին կարող են շատ ամուր լինել։

Ինչպես ջրածնային կապերը, այնպես էլ լոնդոնյան դիսպերսիոն ուժերը մոլեկուլների միջև թույլ կապեր են։ Սակայն, ի տարբերություն ջրածնային կապերի, այս կապերը կարող են առաջանալ ցանկացած տեսակի ատոմների կամ մոլեկուլների միջև։ Վերջիններիս առաջացումը կախված է ատոմում էլեկտրոնների բաշխվածության ժամանակավոր անհավասարակշռությունից։

Իսկ ինչպե՞ս է առաջանում այս կապը։ Քանի որ էլեկտրոններն անընդհատ շարժման մեջ են, լինում են պահեր, երբ տվյալ ատոմի մոլեկուլները խմբավորված են ատոմի որևէ հատվածում՝ այդ հատվածում առաջացնելով մասնակի բացասական լիցք (իսկ մյուս հատվածում՝ մասնակի դրական)։ Եթե լիցքերի այսպիսի անհավասարակշռություն ունեցող մոլեկուլը չափազանց մոտ է մեկ այլ մոլեկուլի, լիցքերի նմանատիպ վերաբաշխում կարող է առաջանալ երկրորդ մոլեկուլում ևս։ Այսպիսով՝ երկու մոլեկուլների միջև առաջացած ժամանակավոր դրական և բացասական լիցքերը կձգեն միմյանց${}^2$‍։

Ջրածնային կապերը և լոնդոնյան դիսպերսիոն ուժերը՝ երկուսն էլ վանդերվալսյան ձգողության ուժեր են։ Սա ընդհանուր հասկացություն է, որը նկարագրում է միջմոլեկուլային փոխազդեցությունները, որոնց մեջ չեն մտնում կովալենտային կամ իոնային կապերը${}^3$‍։ Որոշ գրքեր օգտագործում են «վանդերվալսյան ուժերը»՝ նկարագրելու միայն լոնդոնյան դիսպերսիոն ուժերը։ Հետևաբար ցանկալի է՝ ճշտես, թե որ սահմանումն է օգտագործում քո դասագիրքը կամ ուսուցիչը։

Ե՛վ ուժեղ, և՛ թույլ կապերը կարևոր դեր ունեն մարդու բջջի և մարմնի քիմիական կազմության պահպանման գործում։ Օրինակ՝ ուժեղ կովալենտային կապերով են միացած ԴՆԹ-ի մոլեկուլի կառուցվածքային տարրերը, իսկ ավելի թույլ՝ ջրածնային կապերի շնորհիվ միանում են ԴՆԹ-ի երկպարույրը կազմող երկու շղթաները։ Այս թույլ կապերը պահպանում են ԴՆԹ-ի կայունությունը, բայց նաև կարող են քանդվել, որպեսզի ԴՆԹ-ն կրկնապատկվի և օգտագործվի բջջի կողմից։

Ընդհանուր առմամբ, իոնների, ջրի մոլեկուլների և բևեռային այլ մոլեկուլների միջև անըդհատ առաջանում և քանդվում են կապեր։ Այս ամենը տեղի է ունենում բջջի «ջրային» միջավայրում։ Այսպիսի միջավայրում տարբեր տեսակի մոլեկուլներ կարող են նաև կփոխազդել միմյանց հետ թույլ, լիցքից կախված ձգողության ուժերով։ Օրինակ՝ Na${}^{+}$‍ իոնը որևէ պահի կարող է փոխազդել ջրի մոլեկուլի հետ, իսկ մյուս պահին՝ որևէ սպիտակուցի բացասական լիցքավորված մասի հետ։

Եվ ամենազարմանալին այն է, որ այս միլիարդավոր քիմիական փոխազդեցությունները՝ ուժեղ և թույլ, կայուն և ժամանակավոր, հենց հիմա առաջանում և քանդվում են՝ պահպանելով մեր օրգանիզմի ամբողջականությունը։