Ковалентная (или химический) связь? это единственная сила, которая поддерживает целостность определенной
системы атомов, называется молекулой. Основой образования ковалентной связи является обобщение электронов двух атомов? эффект описывается в квантовой механике. Результатом обобщения является формирование так называемой молекулярной орбитали, которая принадлежит? двум атомам одновременно и на которой может содержаться не более двух электронов (принцип запрета Паули (Wolfgang Pauli)).
Например, на внешнем электронном слое атома углерода находится 4 электрона (рис. 1.3), максимально в этом слое может быть 8 электронов. Он? Дополняется? электронами четырех атомов водорода (по одному электрону на каждом атоме), и в результате образуется молекула метана. Аналогично дополнения внешнего слоя кислорода за счет двух атомов водорода приводит к образованию молекулы воды (рис. 1.3). Между двумя атомами, в зависимости от их природы, возможно также формирование двух (иногда и трех) молекулярных орбиталей (по два электрона на каждой), т.е. образование двойного (или тройного) ковалентной связи. Главные свойства ковалентной связи:
• Ковалентная связь очень прочный. Иначе говоря, каждая молекула (об этом говорит сам факт ее существования) находится в достаточно глубокой? Потенциальной яме? ? минимуме свободной энергии.
• Каждый атом содержит определенное количество электронов, которые могут быть обобщенными с другими атомами (или? Вакансий? Для электронов на внешнем слое). То есть каждый атом может образовать лишь определенное количество ковалентных связей? имеет определенную валентность (например, валентность углерода равна 4, кислорода? 2, водорода? 1 (см. рис. 1.3)).
• Ковалентная связь характеризуется определенной геометрией. Во-первых, каждая связь имеет конкретную длину (обычно 1? 2 ?).
Во-вторых, электронные плотности различных орбиталей в молекуле взаимодействуют между собой, и в результате каждый связь определенным образом ориентирован в пространстве относительно смежных связей. Типичные значения валентных углов (углов между связями, идущими от одного атома) составляют около 109 ° или 120 °.
Следует также заметить, что степень обобщения электронной пары между двумя атомами зависит от природы этих атомов. Например, в случае связи С? Н электронная плотность распределена примерно равномерно между двумя атомами. Такая связь называют неполяризованным. В случае связи О? Н, вследствие высокой електронегативностоксигену (способности оттягивать на себя электронную плотность), электронная пара сдвинута к этому атома (поляризованный связь показано стрелками на рис. 1.3). В результате в молекуле воды на оксигена возникает парциальное отрицательный (примерно? 2/3 от заряда электрона), а на каждом водорода положительный (+1 / 3) заряд. Другим важным для биополимеров примером электроотрицательного атома является азот.