2024
2023
2022
2020
2019
2018
2017
2016
Ответы к заданиям вводного теста
Длина ковалентной связи O-H примерно равна
1 ангстрем. Потому ангстремы так широко и используются в структурной науке – они соразмерны длинам связей и нековалентных взаимодействий, расстояниям между максимально плотно упакованными в пространстве атомами любых молекул.
Во время растворения кубика сахара в воде происходит
Кубик сахара состоит из кристалликов сахарозы. Каждый кристаллик – это небольшая область пространства, регулярно замощенная молекулами сахарозы. Почему эти молекулы вообще выстраиваются в регулярную структуру? Потому что они образуют между собой нековалентные взаимодействия, в первую очередь водородные связи. Энергия водородных связей значительна (~5 ккал/моль), но на порядки меньше энергии ковалентной связи, и, в отличие от последней, первую можно разорвать механическим воздействием, что мы и делаем, измельчая кристаллики при приготовлении сахарной пудры.
В воде мы способны добиться сильно большего уровня отделения молекул сахарозы друг от друга за счет того, что вместо образования водородных связей между собой, они начинают образовывать их с молекулами воды. Полностью окруженная молекулами воды молекула сахарозы уже сильно меньше ограничена в своих термических перемещениях, ее положение не зависит от положения всех остальных молекул сахарозы, что и значит, что теперь наша система – вода и сахароза – жидкость. Мы не видим никаких кристаллов, так как все скопления молекул сахарозы, удерживаемые водородными связями, оказались разрушены. При слишком большой концентрации сахарозы, конечно, мы увидим прекращение процесса растворения, кристаллики будут оседать на дне. Это происходит, потому что число молекул сахарозы стало таким, что молекул воды попросту не хватает, чтобы обеспечить "шубу" вокруг каждой из них. Конкуренция за водородные связи уменьшается, и молекулы сахарозы вновь образуют их с другими молекулами сахарозы.
При этом никакого гидролиза сахарозы, то есть разрушения ковалентных связей, в воде в норме не происходит. Можно добиться, чтобы этот процесс шел, добавив кислоту и нагрев; тогда сахароза действительно будет разрезаться между двумя моносахаридами и распадаться на них (на глюкозу и фруктозу). Также это возможно и в более мягких условиях, если использовать ферменты.
Чтобы молекула воды образовала 1 водородную связь с сахарозой, ей нужно не образовать эту 1 водородную связь с чем-либо еще. В норме в жидкой воде все вакансии для водородных связей заполнены. Получается, что, чтобы растворить что-либо, молекулы воды должны потерять число межводных водородных связей. По итогу же суммарное число водородных связей в системах "вода без сахара" и "кубик сахара" и число водородных связей в системе "раствор сахарозы" равно, а, значит, изменение энтальпии равно 0. Что же является движущей силой процесса? Положительное изменение энтропии путем нарушения упорядоченности молекул сахарозы в кубике сахара.
Какие аминокислоты могут образовывать водородные связи своим радикалом?
На выбор были даны Ala, Tyr, Phe, Pro, Cys. Правильные ответы: Tyr и Cys, потому что только у этих двух остатков в радикале есть полярный атом, способный быть донором или акцептором водородной связи. В Tyr это кислород группы -OH. Его возможности: 1 водородная связь в роли донора, т.к. 1 водород, и 2 водородные связи в роли акцептора, т.к. 2 неподеленные пары. В Cys это сера группы -SH. Ее возможности те же, так как свойства атома те же, так как он принадлежит той же группе в таблице Менделеева.
Во всех остальных остатках в радикале нет никаких полярных атомов, из тяжелых атомов только углероды. Значит – никаких водородных связей.
Поставьте галочку на пересечении элемента и числа ковалентных связей, если существование такого числа ковалентных связей к одному и тому же атому элемента одновременно возможно.
Кислород имеет 6 электронов на внешней электронной оболочке. В конфигурации 2s2 2p4 две орбитали оказываются неспаренными, отсюда валентность 2. Образование 2 "честных" ковалентных связей (через обобществление по 1 электрону от участника) дарует ему октет – больше ковалентных связей он образовать не способен. Однако у него остаются 2 неподеленные пары. Каждая может быть разделена с атомом, имеющим пустую орбиталь, для образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму. Теоретически максимальное число связей получается равным 4. Практически, партнеры по взаимодействию с пустой орбиталью чаще всего являются катионами, и после присоединения первого, второй будет электростатически отталкиваться от молекулы. Если следовать такому рассуждению, то максимальное реально возможное число связей – 3. Однако, появляются свежие работы, утверждающие, что теоретически возможный предел практически тоже допустим. Т.о. оба ответа ("только 3" и "3 и 4") можно считать верными. 5 ковалентных связей кислород уже никак не может образовать – больше нет электронов.
Углерод имеет 4 электрона на внешней электронной оболочке. 4 орбитали оказываются неспаренными, отсюда валентность 4. Образование 4 ковалентных связей дарует ему октет. Других электронов или пустующих орбиталей у углерода нет – больше связей не образовать. 3 ковалентные связи углерод может иметь в составе карбокатиона (например, CH3+) или карбоаниона (например, CH3-).
Азот имеет 5 электронов на внешней электронной оболочке. 3 орбитали неспарены, отсюда валентность 3, образование 3 ковалентных связей дарует ему октет. Такое вещество будет стабильно. Далее, остается 1 неподеленная электронная пара, а, значит, можно образовать дополнительную ковалентную связь по донорно-акцепторному принципу. 5 же ковалентных связей образовать невозможно – электроны кончились. Вы могли подумать о веществе наподобие NF5, однако простые принципы действуют и тут – раз азот не может образовать больше 4 ковалентных связей, то существование (если оно реально) такого вещества объясняется чем-то другим. Так и есть: это соль (NF4+)(F-).
На картинке
Параллельный бета-лист. Это можно понять, проследив, в каком направлении следуют остатки друг за другом на верхнем и на нижнем тяже. Под направлением при разговоре о белках понимают направление следования от N- к C-концу. Вы можете увидеть, что направления двух тяжей сонаправлены.
Какие взаимодействия удерживают рядом молекулы жидкого азота?
Молекула азота устроена очень просто: :N≡N:
В жидком агрегатном состоянии эти молекулы за счет чего-то должны держаться рядом друг с другом, при этом сохраняя способность перемешиваться (она утратится в твердом состоянии). У атомов азота в этой молекуле нет водородов – значит, водородные связи отпадают. Также нет и пустующих орбиталей – значит, отпадают донорно-акцепторные взаимодействия. Гравитация действует на все в равной мере и не способна "сжижить" азот. Остаются только Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия, и это и есть верный ответ.
Сколько электронов на внешней валентной оболочке кислорода?
6
Пептидная связь по своей природе
Ковалентная. Поэтому ее так сложно сломать или сделать – аминокислоты в водном растворе не объединятся в дипептид и за миллионы лет. Будь пептидная связь водородной, такие события происходили бы меньше чем за минуты – соразмерно растворению сахара в воде.