ქიმიური ბმები

ცოცხალი ორგანიზმები ატომებისგან შედგება, მაგრამ შემთხვევათა უმრავლესობაში ეს ატომები ცალ-ცალკე კი არ ტივტივებს, არამედ სხვა ატომებთან ან ატომთა ჯგუფებთან ურთიერთქმედებს.

მაგალითად, ატომები შეიძლება, იყოს ძლიერი ბმებით დაკავშირებული და მოლეკულებად ან კრისტალებად ორგანიზებული. ან მათ შესაძლოა, დროებითი, სუსტი ბმები წარმოქმნან სხვა ატომებთან, რომელსაც შეეჯახებიან ან შეეხებიან. ორივე, მოლეკულების „შემკვრელი" ძლიერი ბმებიცა და დროებითი, სუსტი კავშირებიც, აუცილებელია ჩვენი სხეულების ქიმიისა და, საერთოდ, სიცოცხლის არსებობისთვის.

რატომ ყალიბდება ქიმიური ბმები? ძირითადი პასუხი ისაა, რომ ატომები ცდილობენ, ყველაზე სტაბილურ (ყველაზე ნაკლები ენერგიის მქონე) მდგომარეობას მიაღწიონ. ბევრი ატომი სტაბილური მაშინ ხდება, როცა მათი სავალენტო შრე ელექტრონებით ივსება ან ოქტეტის წესი სრულდება (ანუ სავალენტო ელექტრონების რიცხვი რვას აღწევს). თუ ატომი ამ მდგომარეობაში არ იმყოფება, იგი „ცდილობს", მიაღწიოს სტაბილურობას ელექტრონის მიერთებით, გაცემით ან გაზიარებით ქიმიურ ბმაში.

ზოგი ატომი უფრო სტაბილური ხდება, თუ მთლიან ელექტრონს (ან რამდენიმეს) მიიერთებს ან გასცემს. ამ დროს ატომი იონად, ანუ დამუხტულ ნაწილაკად, გარდაიქმნება. ელექტრონის შეძენით ან გაცემით ატომს შეუძლია, შეავსოს გარეთა ელექტრონული შრე და ენერგეტიკულად სტაბილური გახდეს.

იონების ორი სახე არსებობს. კათიონები დადებითად დამუხტული იონებია, რომლებიც ელექტრონის გაცემის შედეგად წარმოიქმნება. მაგალითად, თუ ნატრიუმის ატომი ელექტრონს დაკარგავს, იგი ნატრიუმის კათიონად, ${\text{Na}}^{+}$‍-ად, გარდაიქმნება. უარყოფითი იონები ელექტრონის მიერთების შედეგად წარმოიქმნება და მათ ანიონები ეწოდება. ანიონების სახელწოდებების დაბოლოებაა „-იდი", მაგალითად, ქლორის (${\text{Cl}}^{-}$‍) ანიონს ქლორიდი ჰქვია.

ერთი ატომის მიერ ელექტრონის დაკარგვას და მეორის მიერ მიერთებას ელექტრონის გადატანა ეწოდება. ნატრიუმისა და ქლორის ატომები ელექტრონის გადატანის კარგ მაგალითად გამოდგება.

ნატრიუმს (Na) მხოლოდ ერთი ელექტრონი აქვს გარეთა შრეზე, შესაბამისად, მისთვის უფრო ადვილია (ენერგეტიკულად უფრო ხელსაყრელია), გასცეს ერთი ელექტრონი, ვიდრე მიიერთოს შვიდი და ასე შეივსოს გარე შრე. ამის გამო ნატრიუმი ერთ ელექტრონს გასცემს და Na${}^{+}$‍-დ გარდაიქმნება.

ქლორს (Cl), მეორე მხრივ, შვიდი ელექტრონი აქვს გარეთა შრეზე. ამ შემთხვევაში მისთვის უფრო ადვილია, მიიერთოს ერთი ელექტრონი, ვიდრე გასცეს შვიდი. შესაბამისად, იგი იერთებს ელექტრონს და ხდება Cl${}^{-}$‍.

ნატრიუმისა და ქლორის დაკავშირების დროს ნატრიუმი თავის ერთ ელექტრონს გასცემს, რათა დაიცარიელოს გარეთა შრე, ქლორი კი მიიერთებს ამ ელექტრონს და ივსებს გარე შრეს. შედეგად, ორივე იონი აკმაყოფილებს ოქტეტის წესს და ორივეს დასრულებული აქვს გარეთა შრე. იმის გამო, რომ ელექტრონების რაოდენობა პროტონებისას აღარ უდრის, ეს ორივე ატომი იონად გარდაიქმნება და იძენს +1 (Na${}^{+}$‍) ან –1 (Cl${}^{-}$‍) მუხტს.

ზოგადად, ერთი ატომის მიერ ელექტრონის გაცემა და მეორის მიერ მისი მიერთება ერთმანეთს უნდა დაემთხვეს დროში: იმისთვის, რომ ნატრიუმის ატომმა ელექტრონის გაცემა შეძლოს, მას შესაბამისი მიმღებიც უნდა ჰყავდეს, მაგალითად, ქლორის ატომი.

იონური ბმა საპირისპიროდ დამუხტულ იონებს შორის წარმოიქმნება. მაგალითად, ნატრიუმის დადებითად დამოხტული იონები და ქლორის უარყოფითი იონები იზიდავენ ერთმანეთს, რის შედეგადაც ნატრიუმის ქლორიდი, ანუ სუფრის მარილი, წარმოიქმნება. სუფრის მარილი, ისევე, როგორც ბევრი სხვა იონური ნაერთი, მხოლოდ ერთი ნატრიუმის და ერთი ქლორიდის იონისგან არ შედგება. იგი განმეორებად, წინასწარგანჭვრეტად სამგანზომილებიან სტრუქტურად განლაგებულ მრავალ იონს შეიცავს.

ფიზიოლოგიაში ზოგიერთ იონს ელექტროლიტებს უწოდებენ (მათ შორის ნატრიუმს, კალიუმსა და ქლორს). ეს იონები აუცილებელია ნერვული იმპულსების გატარებისთვის, კუნთის შეკუმშვისა და წყლის ბალანსისთვის. მრავალი სპორტული სასმელი და საკვები დანამატი შეიცავს ამ იონებს, რათა მათი ვარჯიშის დროს ოფლთან ერთად დაკარგული რაოდენობა ჩაანაცვლოს.

ატომების სტაბილიზაციის მეორე ხერხი ელექტრონების გაზიარებაა (მათი მთლიანად გაცემის ან მიერთების ნაცვლად), ანუ კოვალენტური ბმის წარმოქმნა. კოვალენტური ბმები უფრო ხშირად გვხვდება ცოცხალი ორგანიზმების მოლეკულებში, ვიდრე იონური.

მაგალითად, კოვალენტური ბმები უმთავრესია ნახშირბადზე დაფუძნებული ორგანული მოლეკულების სტრუქტურაში, მაგალითად, დნმ-სა და ცილებში. კოვალენტური ბმები პატარა, არაორგანულ მოლეკულებშიც გვხვდება, როგორებიცაა ${\text{H}}_2\text{O}$‍, ${\text{CO}}_2$‍ და ${\text{O}}_2$‍. ატომებს შორის საზიარო შეიძლება ერთი, ორი ან სამი წყვილი ელექტრონი იყოს, რაც ქმნის ერთმაგ, ორმაგ ან სამმაგ ბმებს, შესაბამისად. რაც უფრო მეტი ელექტრონი ზიარდება ორ ატომს შორის, უფრო მტკიცეა მათ შორის კავშირი.

კოვალენტური ბმის მაგალითად წყალი განვიხილოთ. წყლის ერთი მოლეკულა, ${\text{H}}_2\text{O}$‍, შედგება ჟანგბადის ერთ ატომთან დაკავშირებული წყალბადის ორი ატომისგან. თითოეულ წყალბადს საზიარო ელექტრონები აქვს ჟანგბადთან, ჟანგბადი კი, თავის მხრივ, თითოეულ წყალბადს უზიარებს ელექტრონებს:

საზიარო ელექტრონები ხან წყალბადის სავალენტო შრეზე იმყოფებიან, ხან ჟანგბადისაზე, რის გამოც ორივე ატომს, ფაქტობრივად, დასრულებული სავალენტო შრე ექმნება (ორი ელექტრონი H-ს, ერთი — O-ს). შედეგად, წყლის მოლეკულა ბევრად უფრო სტაბილურია, ვიდრე მისი შემადგენელი ატომები ცალ-ცალკე.

კოვალენტური ბმების ორი ძირითადი სახე არსებობს: პოლარული და არაპოლარული. პოლარულ კოვალენტურ ბმაში ელექტრონები არათანაბრად ზიარდება ატომებს შორის და ისინი დროის უმეტეს ნაწილს რომელიმე ერთ ატომთან უფრო ახლოს ატარებენ. სხვადასხვა ელემენტის ატომებს შორის ელექტრონების არათანაბარი განაწილების გამო მოლეკულის სხვადასხვა ნაწილში ნაწილობრივ დადებითი (δ+) და ნაწილობრივ უარყოფითი (δ–) მუხტები ჩნდება.

წყლის მოლეკულაში (ზემოთ) ჟანგბადისა და წყალბადის ატომების დამაკავშირებელი ბმა პოლარულია. ჟანგბადი ბევრად უფრო ელექტროუარყოფითია, ვიდრე წყალბადი, ანუ ის უფრო ძლიერად იზიდავს საზიარო ელექტრონებს. შესაბამისად, ჟანგბადს ნაწილობრივ უარყოფითი მუხტი უჩნდება (ელექტრონების მაღალი სიმკვრივე), წყალბადის ატომებს კი — ნაწილობრივ დადებითი (ელექტრონების დაბალი სიკვრივე).

ზოგადად, ბმაში ჩართული ორი ატომის შეფარდებითი ელექტროუარყოფითობა — ანუ მათი მიდრეკილება, „მიითვისონ" საზიარო ელექტრონები — განსაზღვრავს, კოვალენტური ბმა პოლარული იქნება თუ არაპოლარული. ყოველთვის, როცა ერთი ელემენტი მნიშვნელოვნად ელექტროუარყოფითია მეორეზე, მათ შორის წარმოქმნილი კოვალენტური ბმა პოლარულია. ეს ნიშნავს, რომ მისი ერთი ბოლო მცირედ დადებითადაა დამუხტული, მეორე კი — მცირედ უარყოფითად.

არაპოლარული კოვალენტური ბმა წარმოიქმნება ერთი ელემენტის ორ ატომს შორის ან სხვადასხვა ელემენტს შორის, თუკი ისინი ელექტრონებს მეტ-ნაკლებად თანაბრად იზიარებენ. მაგალითად, მოლეკულური ჟანგბადი (${\text{O}}_2$‍) არაპოლარულია, რადგან ელექტრონები ჟანგბადის ორ ატომს შორის თანაბრად ზიარდება.

არაპოლარული კოვალენტური ბმის კიდევ ერთი მაგალითია მეთანი (${\text{CH}}_4$‍). ნახშირბადს ოთხი ელექტრონი აქვს გარე შრეზე და სტაბილური ოქტეტისთვის კიდევ ოთხი სჭირდება. ის სტაბილურობას აღწევს ელექტრონების გაზიარებით წყალბადის ოთხ ატომთან, რომელთაგან თითოეული თითო ელექტრონს აწვდის მას. მეორე მხრივ, წყალბადის თითოეულ ატომს გარე შრის შესავსებად ერთი დამატებითი ელექტრონი სჭირდება, რომელსაც ისინი ნახშირბადთან ელექტრონის გაზიარების გზით იღებენ. მიუხედავად იმისა, რომ წყალბადსა და ნახშირბადს არ აქვთ ზუსტად ერთნაირი ელექტროუარყოფითობა, მათი სიდიდეები თითქმის ტოლია, ამიტომ, ნახშირბად-წყალბადის ბმები არაპოლარულადაა მიჩნეული.

ორივე, კოვალენტური და იონური, ბმა, როგორც წესი, მტკიცე ბმად ითვლება, თუმცა ატომებს ან მოლეკულებს შორის სხვა სახის დროებითი კავშირებიც შეიძლება, ჩამოყალიბდეს. ორი სუსტი ბმა, რომლებიც ხშირად გვხვდება ბიოლოგიაში, არის წყალბადური ბმა და ლონდონის დისპერსიული ძალები.

არ გვინდა, ძალიან დრამატულად გამოგვივიდეს, მაგრამ ამ ორი ბმის გარეშე სიცოცხლე, ჩვენთვის ცნობილი ფორმით, არ იარსებებდა! მაგალითად, წყალბადური ბმების გამო წყალს აქვს მრავალი ისეთი თვისება, რომელიც სიცოცხლის არსებობას შესაძლებელს ხდის. მათი დამსახურებაა უჯრედის მთავარი კომპონენტების, ცილებისა და დნმ-ის, სტაბილური სტრუქტურაც.

პოლარულ კოვალენტურ ბმაში (მაგალითად, წყლის მოლეკულის O-H ბმაში) ჩართულ წყალბადს ყოველთვის მცირედ დადებითი მუხტი ენიჭება, რადგან საზიარო ელექტრონებს სხვა ელემენტები უფრო ძლიერად იზიდავენ. ამ ნაწილობრივ დადებითი მუხტის გამო წყალბადი ნებისმიერი მეზობელი უარყოფითი მუხტისკენ მიიზიდება. ამ ურთიერთქმედებას წყალბადური ბმა ეწოდება.

წყალბადური ბმები ხშირად გვხვდება და წყლის მოლეკულა განსაკუთრებით დიდი რაოდენობით წარმოქმნის მათ. ინდივიდუალური წყალბადური ბმები სუსტია და ადვილად ირღვევა, მაგრამ მრავალი წყალბადური ბმა ერთად შესაძლოა, საკმაოდ ძლიერი იყოს.

წყალბადური ბმების მსგავსად, ლონდონის დიესპერსიული ძალებიც სუსტი მოლეკულათშორისი კავშირის მაგალითია. თუმცა, წყალბადური ბმებისგან განსხვავებით, ისინი ნებისმიერ ატომს ან მოლეკულას შორის შეიძლება, ჩამოყალიბდეს და მათი არსებობა ელექტრონთა განაწილების დროებით დისბალანსზეა დამოკიდებული.

როგორ ხდება ეს? ელექტრონები მუდმივად მოძრაობენ, ამიტომ ზოგ მომენტში ატომის ან მოლეკულის ელექტრონები ერთად იკრიბება, რაც მოლეკულის ერთ ნაწილში ნაწილობრივ უარყოფით მუხტს ქმნის (და ნაწილობრივ დადებითს — მეორე ნაწილში). თუ მუხტების ასეთი არათანაბარი განაწილების დროს მოლეკულა ძალიან ახლოს მოხვდა მეორე მოლეკულასთან, ამან შეიძლება, მასშიც გამოიწვიოს მუხტების გადანაწილება. შედეგად, ორივე მოლეკულას უჩნდება დროებითი დადებითი და უარყოფითი მუხტები და ისინი ერთმანეთს მიიზიდავს.${}^2$‍

წყალბადური ბმები და ლონდონის დისპერსიული ძალები, ორივე ვან დერ ვაალსის ძალებს მიეკუთვნება, რაც ზოგადი ტერმინია ისეთი მოლეკულათშორისი ურთიერთქმედებების აღსაწერად, რომლებიც კოვალენტურ ან იონურ ბმებს არ მოიცავს.${}^3$‍ ზოგ წიგნში ტერმინით „ვან დერ ვაალსის ძალები" მხოლოდ ლონდონის დისპერსიული ძალები მოიხსენიება, ასე რომ, ზუსტად გაარკვიეთ, რა განსაზღვრებას იყენებს თქვენი წიგნი ან მასწავლებელი.

ორივე, ძლიერი და სუსტი, ბმები საკვანძო როლს თამაშობს ჩვენი უჯრედებისა და ორგანიზმის ქიმიურ პროცესებში. მაგალითად, დნმ-ის ჯაჭვის შემქმნელ ქიმიურ „აგურებს" ერთმანეთთან კოვალენტური ბმები აკავშირებს მტკიცედ. ამავდროულად, უფრო სუსტი წყალბადური ბმები დნმ-ის ორმაგი სპირალის ჯაჭვებს შორის კავშირს უზრუნველყოფს. ეს სუსტი ბმები დნმ-ს სტაბილურობას ანიჭებს, მაგრამ ასევე შესაძლებელს ხდის მის ორ ნაწილად გახლეჩას გაორმაგებისთვის ან საჭიროების შემთხვევაში.

ზოგადად რომ ვთქვათ, იონებს, წყლის მოლეკულებსა და პოლარულ მოლეკულებს შორის ბმები მუდმივად წარმოიქმნება და იშლება უჯრედის წყლიან გარემოში. ასეთ პირობებში სხვადასხვა მოლეკულას შეუძლია, ერთმანეთთან იმოქმედოს სუსტი, მუხტზე დაფუძნებული მიზიდულობით. და ეს ასეც ხდება. მაგალითად, Na${}^{+}$‍ იონი ერთ მომენტში შესაძლოა, წყალთან ურთიერთქმედებდეს, მეორე მომენტში კი — ცილის უარყოფითად დამუხტულ უბანთან.

ყველაზე საოცარი კი იმის წარმოდგენაა, რომ მილიარდობით ასეთი ქიმიური ურთიერთქმედება — სუსტი და ძლიერი, სტაბილური და დროებითი — ამ წუთას ხდება ჩვენს სხვეულებში, ერთიანობას გვინარჩუნებს და გვაცოცხლებს!