Tarpmolekuliniai ryšiai

Visus iki šiol nagrinėtus cheminius ryšius galime pavadinti vienu žodžiu – tarpatominiai. Šiais ryšiais atomai sujungiami į joninį kristalą, molekulę, trimatį kovalentinį tinklą arba metalo kristalą. Silpnesni už tarpatominius yra tarpmolekuliniai ryšiai. Tai trauka tarp molekulių. Iš kur žinome, kad molekulės viena kitą traukia? Jei to nebūtų, molekulinės sandaros medžiagos bet kokioje temperatūroje būtų dujos. Bet taip nėra. Pati žemiausia lydymosi ir virimo temperatūra yra helio He ir vandenilio H₂. Tarp šių molekulių tarpmolekuliniai ryšiai patys silpniausi.

Alkanų molekulės yra panašios sandaros ir neturi polinių ryšių. Didėjant alkano molinei masei, didėja ir jo virimo temperatūra (3.7.1 pav.). Kodėl? Kuo didesnė molinė masė, tuo daugiau protonų ir elektronų yra molekulėje. Priežastis yra šių dalelių skaičius, o ne pati masė. Vienos molekulės protonai traukia kitos molekulės elektronus ir atvirkščiai. Tokia molekulių sąveika vadinama dispersinėmis jėgomis. Visos molekulės turi protonų ir elektronų, tad šio tipo sąveika pasireiškia tiek tarp polinių, tiek tarp nepolinių molekulių. Tai pati silpniausia iš tarpmolekulinių sąveikų. Ji pasireiškia tik labai mažu atstumu, tik ten, kur molekulės liečiasi, todėl priklauso ir nuo molekulės geometrinės formos. Pavyzdžiui, yra trys alkano C₅H₁₂ izomerai (3.7.2 pav.). Pakaitų neturinčio pentano molekulė yra ritinio formos. Tokios molekulės liečiasi šonais, visu molekulės ilgiu (3.7.3 pav.). Šio izomero virimo temperatūra aukščiausia. Žemiausia yra 2,2-dimetilpropano virimo temperatūra. Šio izomero molekulių forma artima rutuliui, o rutulių susilietimo plotas yra mažas. Todėl ir tarpmolekulinė trauka silpna. 2-metilbutanas turi vieną metilo pakaitą ir užima tarpinę padėtį pagal virimo temperatūrą.

3.7.2 pav. Alkano C₅H₁₂ izomerų erdvinė sandara ir virimo temperatūra

Polinių molekulių viename gale susikaupęs dalinis neigiamasis, o kitame – dalinis teigiamasis krūvis (žr. 3.2.3 pav.). Vienos molekulės teigiamasis polius traukia kitos molekulės neigiamąjį polių ir stumia teigiamąjį (3.7.4 pav.). Tokia sąveika gerokai stipresnė nei dispersinės jėgos. Ji priverčia molekules išsidėstyti tam tikra tvarka (3.7.5 pav.). Kad molekulė būtų polinė, nepakanka vien to, kad joje būtų kovalentinių polinių ryšių. Svarbus ir geometrinis ryšių išsidėstymas (3.7.6 pav.).

Tai pati stipriausia tapmolekulinė trauka. Jau iš pavadinimo aišku, kad susidarant šiam ryšiui dalyvauja vandenilis. Vandenilinis ryšys susidaro, jeigu vandenilio atomas yra sujungtas su didelio elektrinio neigiamumo ir mažo spindulio atomais – fluoru, deguonimi arba azotu. Dėl didelio elektrinio neigiamumo skirtumo vandenilis įgyja santykinai didelį dalinį teigiamąjį krūvį ir yra traukiamas prie dalinį neigiamąjį krūvį turinčio fluoro, deguonies arba azoto laisvosios elektronų poros (3.7.7 pav.).

Kaip ir sąveikaujant polinėms molekulėms, dalinį teigiamąjį krūvį turintis vandenilio atomas traukia dalinį neigiamąjį krūvį turintį fluoro, deguonies arba azoto atomą. Tačiau jungiasi ne bet kur, o prie laisvosios elektronų poros. Ir jungiasi kryptingai, taip, kad trys atomai atsidurtų vienoje linijoje. Kryptingas ryšio sudarymas su laisvąja elektronų pora šiek tiek panašus į koordinacinio ryšio susidarymą.

3.7.8 paveiksle matote 16 (VIA) grupės elementų junginių su vandeniliu H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te ir H₂Po lydymosi (mėlyna kreivė) ir virimo (rausva kreivė) temperatūros priklausomybę nuo molinės masės. Mažėjant molinei masei (nuo H₂Po iki H₂S), lydymosi ir virimo temperatūra irgi mažėja. Tai susiję su dispersinių sąveikų silpnėjimu. Tik vandens lydymosi ir virimo temperatūra nedera su visai grupei būdingu dėsningumu. Punktyrinės linijos rodo, kokia galėtų būti vandens lydymosi ir virimo temperatūra, jei jam galiotų bendras visai grupei dėsningumas. Toks temperatūros didėjimas susijęs su vandeniliniais ryšiais tarp vandens molekulių (3.7.9 pav.). Vandens agregatinei būsenai pakeisti reikia papildomos energijos vandeniliniams ryšiams nutraukti. Ledo struktūroje visos vandens molekulės yra suformavusios po keturis vandenilinius ryšius (kaip 3.7.9 pav.) ir sudaro vientisą vandeniliniais ryšiais sujungtų molekulių trimatį tinklą (paveiksle parodyta dvimatė išklotinė). Skystame vandenyje yra didesnių ir mažesnių vandeniliniais ryšiais sujungtų vandens molekulių grupių. Tokią grupę gali sudaryti nuo kelių iki kelių šimtų susijungusių molekulių. Vienos grupės suyra, kitos susidaro. Kiek vidutiniškai vandens molekulių sudaro vieną grupę, dažniausiai priklauso nuo temperatūros. Kuo temperatūra žemesnė, tuo didesnės susijungusių vandens molekulių grupės. Lede visos molekulės susijungia (3.7.10 pav.), išsidėsto šešiakampiais žiedais. Taip vandenilinių ryšių išrikiuotos molekulės užima daugiau vietos. Todėl kietosios būsenos vandens (ledo) tankis mažesnis nei skysto vandens.

Sakoma: „Panašus tirpina panašų“. Nepolinės medžiagos tirpsta nepoliniuose tirpikliuose (pavyzdžiui, riebalai tirpsta benzene, bet netirpsta vandenyje), o polinės ir joninės – vandenyje arba kituose poliniuose tirpikliuose.

Metanas ir etanas vandenyje netirpsta, o štai metanolį ir etanolį su vandeniu galima maišyti bet kokiu santykiu – šios medžiagos yra begalinio tirpumo. Alkanų molekulės yra nepolinės ir nesudaro vandenilinių ryšių su vandeniu. Alkoholiai turi OH grupes ir gali sudaryti vandenilinius ryšius tiek tarpusavyje, tiek su vandens molekulėmis (3.7.11 pav.). Tai ir lemia jų tirpumą vandenyje.

Alkoholio molekulėje galima išskirti dvi dalis – hidrofilinę (pažodžiui vandenį mylinčią, t. y. OH grupę, kuri vandeniliniais ryšiais jungiasi su vandeniu) ir hidrofòbinę (pažodžiui vandens bijančią, t. y. alkano radikalą). Hidrofilinė grupė suteikia tirpumo vandenyje, o hidrofobinė tirpumą mažina. Kuo anglies atomų grandinė ilgesnė, tuo labiau medžiagos savybes lemia hidrofobinė grupė, todėl ilgėjant šiai grandinei alkoholių tirpumas vandenyje mažėja.

Kitų klasių organinių junginių tirpumo vandenyje dėsningumai panašūs į alkoholių. Tirpumą didinančios hidrofilinės grupės yra: hidroksilo, karbonilo, karboksilo, eterio ir amino (3.3 lentelė).

Baltymai susidaro susijungus aminorūgščių molekulėms. Tarp dviejų baltymų aminorūgščių fragmentų esantis kovalentinis ryšys vadinamas peptidiniu ryšiù (3.7.13 pav.). Aminorūgščių sujungimo seka vadinama pirminè báltymo struktūrà. Susijungusių aminorūgščių grandinė (polipeptidinė grandinė) gali įgyti spiralės formą (3.7.14 pav., a). Tai antrinė báltymo struktūrà. Ją lemia tam tikrais atstumais tarp vienos vijos N–H grupės ir kitos vijos C=O grupės susidarę vandeniliniai ryšiai (3.7.14 pav., b).

Jums neabejotinai teko regėti raidžių derinius DNR ir RNR. Tai nukleorūgščių deoksiribonukleorūgštis ir ribonukleorūgštis pavadinimų trumpiniai. Medžiagos, kurias vadiname nukleorūgštimis, skirtos organizmų genetinei informacijai saugoti ir perduoti. Polimerinėje DNR molekulėje užkoduota informacija apie kiekvieną organizmo baltymą. Polimerinių medžiagų molekulėse išskiriamos besikartojančios grandys. DNR molekulėse tokios grandys vadinamos nukleotidais. Kiekvienas nukleotidas susidaro susijungus fosforo rūgščiai, sacharidui (deoksiribozei) ir organinei azoto bazei. DNR molekulėse aptinkamos keturios bazės: adeninas (žymimas A), timinas (T), guaninas (G) ir citozinas (C). Nukleotidai skiriasi tik šiomis bazėmis. Informacija apie baltymų sandarą „užrašoma“ tam tikra tvarka sujungiant nukleotidus. Ląstelėms dalijantis DNR molekulėse užkoduota informacija turi išlikti nepakitusi. DNR molekulės yra dvigubos – jos sudarytos iš dviejų vandeniliniais ryšiais sujungtų vijų. Vandenilinius ryšius gali sudaryti tik tam tikros azoto bazių poros. Atomų geometrinis išsidėstymas yra toks, kad jungtis gali tik adeninas su timinu (susidaro du ryšiai) ir guaninas su citozinu (susidaro trys ryšiai). Ląstelėms dalijantis DNR molekulės vijos atsiskiria. Kiekvienai viengubai vijai sukuriama nauja antroji vija, kurioje nukleotidai sujungti tokia pačia seka, kaip ir pradinėje DNR molekulėje. Tai įmanoma todėl, kad vandenilinius ryšius gali sudaryti tik jau minėtos bazių poros – adeninas su timinu, guaninas su citozinu (3.7.15 pav.).