Apa in sistemele biologice

DOWNLOAD REFERAT

Preview referat: Apa in sistemele biologice

Referat despre Apa in sistemele biologice
2. Forte intermoleculare
Fortele intermoleculare iau nastere între molecule diferite sau între regiuni ale aceleiasi macromolecule. Ele sunt rezultatul atractiilor si repulsiilor electrostatice dintre sarcinile partiale ale moleculelor, precum si al excluderii electronilor din regiuni ale spatiului care acopera orbitali moleculari deja completati. Fortele Van der Waals sunt interactii între molecule care au învelisul electronic complet (sunt neutre din punct de vedere electric), fara a produce legaturi chimice
(moleculele se atrag prin interactii electrostatice între diferite regiuni ale norilor electronici, fara a exista o suprapunere a acestora). O interactie intermoleculara speciala este legatura de hidrogen, în care anumite molecule cu învelis electron complet suprapun partial orbitali moleculari. Alte forte intermoleculare sunt interactii de tipul ion-ion sau ion-dipol.

Cele mai tari interactii intermoleculare sunt cele ionice, care se produc numai între ioni si au o energie de interactie de ordinul a 250 kJ/mol. Interactiile ion-dipol sunt mult mai slabe, cu o energie ~15 kJ/mol. In cazul legaturilor de hidrogen, energia de interactie este ~ 20 kJ/mol. In ordinea scaderii tariei lor, fortele Van der Waals apar prin:
- interactii dipol permanent – dipol permanent (între molecule polare); energia de interactie ~2 kJ/mol pentru molecule stationare si ~0,3 kJ/mol pentru molecule în rotatie;
- interactii dipol indus – dipol indus (forte Van der Waals de dispersie sau forte London) (între molecule polarizate); energia de interactie ~ 2 kJ/mol;
- interactii dipol permanent – dipol indus (între o molecula polara si o molecula polarizata); energia de interactie ~ 0,8 kJ/mol.

Legatura de hidrogen este o interactie atractiva între doua specii moleculare cu învelis complet, care provine dintr-o legatura de forma A-H···B, unde A si B sunt elemente puternic electronegative care apartin la doua molecule diferite, iar B poseda o pereche de electroni
neparticipanti (legatura de hidrogen este reprezentata prin simbolul···). In general, legatura de hidrogen se întâlneste la moleculele în care A si B sunt N, O sau F (cele mai electronegative
elemente), dar daca B este o specie anionica (de exemplu Cl-) atunci si el poate participa la legatura de hidrogen, dar N, O si F participa cel mai eficient. Legatura de hidrogen apare prin apropierea spatiala dintre o sarcina partiala pozitiva a lui H si o sarcina partiala negativa a lui B, ceea ce duce la formarea unui orbital molecular comun celor trei atomi A, H, B. Deoarece legatura depinde de acoperirea orbitalilor, ea este de fapt o interactie de contact, care apare atunci când AH este foarte aproape de B si dispare când AH se departeaza de B.

Daca este prezenta legatura de hidrogen, ea este dominanta fata de alte interactii intermoleculare de tip Van de Waals. In cazul apei lichide si solide, proprietatile substantei sunt determinate de legaturile de hidrogen. Daca nu ar exista legaturi de hidrogen, distanta între nucleele O si H ale unor molecule de apa vecine, care interactioneaza prin forte Van der Waals de tip dipoldipol, ar fi 2,6 Å. Experimental s-a determinat ca în apa aceasta distanta (distanta H···O) este 1,7 Å,
ceea ce demonstreaza prezenta unei interactii atractive mai puternice decât cele de tip dipol-dipol.

cazul dimerului de apa format printr-o legatura de hidrogen între doua molecule H2O, aranjamentul cel mai favorizat din punct de vedere energetic este cel pentru care distanta dintre cele doua nuclee de oxigen este R = 2,98Å, iar = 57º, = 6º (figura). Totusi, chiar si la temperaturi extrem de scazute (de ordinul ~1 K) R, si oscileaza considerabil în jurul acestor valori, în intervale de timp extrem de scurte (< 1 ps).

Legatura de hidrogen prezinta similitudini atât cu interactiile dipol-dipol cât si cu legaturile covalente. In cazul dimerului de apa, hidrogenul (partial pozitiv) implicat în legatura este transferat
partial celeilalte molecule H2O, fiind atras de sarcina partial negativa a oxigenului acesteia:

Se formeaza astfel un compus de tipul H2O+–H(-O)–H. Procesul este oarecum similar formarii unei legaturi covalente coordinative prin transferul nucleului H acceptor la atomul O donor, cu deosebirea ca sarcinile puse în comun sunt partiale, nu întregi ca în cazul legaturii covalente coordinative. Ca urmare, legatura de hidrogen este mai puternica decât o interactie dipol-dipol, dar mult mai slaba decât o legatura covalenta. De asemenea, distanta legaturii de hidrogen este mai
mica decât distanta de interactie dipol-dipol, dar mai mare decât distanta unei legaturi covalente. In plus, în mod similar legaturilor covalente, legatura de hidrogen este directionala: cele doua molecule legate adopta un aranjament geometric specific, iar taria legaturii depinde de unghiurile si care definesc aceasta conformatie (deoarece odata cu modificarea unghiurilor orbitalii moleculari se suprapun mai mult sau mai putin). Orbitalul molecular 1a1 nu este implicat în
formarea legaturii de hidrogen. Molecula H2O donoare poate suprapune partial un orbital 1b2 sau 3a1 cu un orbital 2a1 sau 1b1 al moleculei acceptoare. Fiecare din cei patru orbitali moleculari 1b2, 3a1, 2a1 si 1b1 poate participa la câte o legatura de hidrogen cu o alta molecula de apa.

3. Structura apei
Molecula de apa poate lega deci alte 1-4 molecule de apa prin legaturi de hidrogen. In stare solida (gheata), legaturile de hidrogen sunt permanente, în timp ce în stare lichida aceste legaturi au un timp de viata foarte scurt (de ordinul 10-12 – 10-9 s), fiind rupte prin miscarile de agitatie termica ale moleculelor. Totusi, numarul foarte mare de legaturi de hidrogen care se formeaza continuu în apa lichida determina aparitia tranzitorie a unor grupari multimoleculare ordonate. Gruparea cea mai stabila este cea dimerica; aceasta poate fi întâlnita chiar si în faza gazoasa. In cazul în care o molecula de apa formeaza legaturi de hidrogen cu alte 4 molecule, acestea se dispun în vârfurile
unui tetraedru aproape regulat, centrat pe molecula coordonatoare. In anii 1950 a fost propusa ipoteza gruparilor temporare („flickering clusters”) de dimensiuni variabile (formate prin legaturi de hidrogen între un numar variabil de molecule de apa), dar apoi s-a realizat ca aceasta ipoteza nu poate explica proprietatile apei lichide. « mai multe referate din Geografie