Внутримолекулярная сила (или первичные силы) — это любая сила , которая связывает вместе атомы , составляющие молекулу или соединение, не путать с межмолекулярными силами , которые представляют собой силы, существующие между молекулами. [1] Тонкая разница в названии происходит от латинских корней английского языка, где inter означает « между» или «среди» и «intra» означает «внутри» . [2] Химические связи считаются внутримолекулярными силами, которые часто сильнее, чем межмолекулярные силы , существующие между несвязывающими атомами или молекулами.
Классическая модель выделяет три основных типа химических связей — ионные, ковалентные и металлические, различающиеся степенью разделения зарядов между участвующими атомами. [3] Характеристики образующейся связи можно предсказать по свойствам составляющих атомов, а именно по электроотрицательности. Они различаются по величине энтальпии связи , меры прочности связи, и, таким образом, по-разному влияют на физические и химические свойства соединений. % ионного характера прямо пропорционален разнице электроотрицательности связанного атома. [ нужны разъяснения ]
Ионную связь можно представить как полный перенос одного или нескольких валентных электронов атомов, участвующих в образовании связи, в результате чего положительный ион и отрицательный ион связываются вместе электростатическими силами. [4] Электроны в ионной связи, как правило, в основном располагаются вокруг одного из двух составляющих атомов из-за большой разницы в электроотрицательности между двумя атомами, обычно более 1,9 (большая разница в электроотрицательности приводит к более прочной связи); это часто описывается как один атом, отдающий электроны другому. [5] Этот тип связи обычно образуется между металлом и неметаллом , например, натрием и хлором в NaCl . Натрий отдаст электрон хлору, образуя положительно заряженный ион натрия и отрицательно заряженный ион хлорида.
В истинной ковалентной связи электроны распределяются поровну между двумя атомами связи; разделение зарядов незначительно или отсутствует. Ковалентные связи обычно образуются между двумя неметаллами. Существует несколько типов ковалентных связей: в полярных ковалентных связях электроны с большей вероятностью находятся вокруг одного из двух атомов, тогда как в неполярных ковалентных связях электроны распределяются поровну. Гомоядерные двухатомные молекулы чисто ковалентны. Полярность ковалентной связи определяется электроотрицательностью каждого атома, и, таким образом, полярная ковалентная связь имеет дипольный момент , направленный от частично положительного конца к частично отрицательному концу. [6] Полярные ковалентные связи представляют собой промежуточный тип, в котором электроны не передаются ни полностью от одного атома к другому, ни распределяются равномерно.
Металлические связи обычно образуются внутри чистого металла или металлического сплава . Металлические электроны обычно делокализованы ; В результате вокруг положительных ядер образуется большое количество свободных электронов , иногда называемое электронным морем.
Связи образуются атомами так, что они способны достичь более низкого энергетического состояния. Свободные атомы будут иметь больше энергии, чем связанный атом. Это связано с тем, что во время образования связи высвобождается некоторая энергия, что позволяет всей системе достичь более низкого энергетического состояния. Длина связи, или минимальное разделяющее расстояние между двумя атомами, участвующими в образовании связи, определяется их силами отталкивания и притяжения в межъядерном направлении. [3] По мере того, как два атома становятся все ближе и ближе, положительно заряженные ядра отталкиваются, создавая силу, которая пытается раздвинуть атомы. По мере того, как два атома отдаляются друг от друга, силы притяжения пытаются сблизить их. Таким образом достигается равновесная длина связи, которая является хорошим показателем стабильности связи.
Внутримолекулярные силы чрезвычайно важны в области биохимии, где они действуют на самых базовых уровнях биологических структур. Внутримолекулярные силы, такие как дисульфидные связи, придают белкам и ДНК их структуру. Белки получают свою структуру благодаря внутримолекулярным силам, которые формируют их и удерживают вместе. Основным источником структуры этих молекул является взаимодействие аминокислотных остатков, составляющих основу белков. [7] Взаимодействия между остатками одних и тех же белков формируют вторичную структуру белка, позволяя образовывать бета-листы и альфа-спирали , которые являются важными структурами для белков, а в случае альфа-спиралей - для ДНК.