Металлы в живых организмах - страница 13

Ион металла имеет положительный заряд и притягивает к себе отрицательные заряды — электроны, находящиеся в молекулах (или ионах) лигандов. Таким образом, молекулы лигандов поляризуются. Но свойства комплексного иона так своеобразны и так сильно зависят от природы лигандов, что приходится предположить, что между лигандами и центральным ионом металла образуются химические связи. Это значит, что ион и лиганды имеют общие электроны.

Вопрос об электронном строении координационных соединений вызывал споры среди ученых на протяжении не одного десятка лет. Казалось очень странным, что к соединению, в котором явно насыщены все валентности, можно присоединить нейтральные молекулы. Придумывали очень сложные структурные формулы, приписывали атомам несвойственные им валентности, но все это не привело к успеху. Только развитие теории строения атома и химической связи, а также достижения квантовой химии помогли понять, почему образуются координационные соединения и какова их роль в процессах обмена веществ в организмах.

Почему вообще возникает химическая связь? Рассмотрим простой пример: соединяются атомы лития и фтора. В атоме лития, как известно, содержится три электрона. Два из них связаны очень прочно, а третий находится во втором слое и связан слабее. В атоме фтора во втором слое уже семь электронов (а всего их в атоме фтора девять). При взаимодействии атома лития с атомом фтора слабо связанный электрон лития переходит к атому фтора и занимает место во втором слое. Этот процесс сопровождается уменьшением запаса потенциальной энергии атомов и происходит легко. Избыток энергии выделяется в виде теплоты и частично в виде света. После перехода электрона атом фтора приобретает отрицательный заряд, так как у него теперь один "лишний" электрон, а атом лития заряжается положительно (у него не хватает одного электрона). Оба заряженных атома (их надо называть уже не атомами, а ионами) притягиваются друг к другу и образуют молекулу фторида лития:

Молекула фторида лития

(При понижении температуры получится кристалл фторида лития, в котором находятся ионы лития и фтора.) В этом простом примере валентность атома лития и атома фтора равна единице. Восемь электронов, окружающих ядро иона фтора, и пара электронов около ядра иона лития, как доказано, образуют очень простое сочетание. Соответственно и хлорид лития — прочное соединение. Опыт и теория показали, что так просто нельзя себе представлять картину образования химических связей во всех случаях. Во-первых, отданный атомом лития электрон не полностью переходит "во владение" атома фтора. Фактически получается пара электронов, область движения которых охватывает оба атома. Во-вторых, химическая связь может образоваться и тогда, когда оба связывающих электрона принадлежат одному атому. Рассмотрим в качестве примера атом азота, вступающий в соединение с тремя атомами водорода. В результате получается молекула NН_>3 — молекула аммиака; атом азота в ней, очевидно, трехвалентен. Схематически это и отражено в формуле:

Атом азота, вступающий в соединение с тремя атомами водорода

В атоме азота пять внешних электронов. Три из них использованы для соединения с атомами водорода. Каждый атом водорода отдает по одному электрону для образования пар, связывающих оба атома. Схема электронного строения аммиака выглядит так:

Схема электронного строения аммиака

Здесь электроны, принадлежавшие атомам водорода, условно обозначены крестиками, электроны азота — точками. Легко заметить, что атом азота имеет пару электронов, которая не принимает участия в связывании.

Допустим, что молекулы аммиака попадают в среду, в которой находятся ионы водорода Н^>+ (в раствор какой-либо кислоты). Ионы водорода немедленно присоединяются к свободной паре электронов азота, и получится химическая связь — точно такая же, как и три другие. Однако на этот раз в образовании связи принимали участие электроны не двух атомов, как в предыдущем примере, а только одного! Связи, возникшие таким путем, называются координационными.

А не могут ли сами молекулы аммиака за счет своих свободных электронных пар присоединяться к ионам металлов? Весь вопрос в том, будет ли происходить при этом снижение запаса потенциальной энергии всех частиц, — это ведь обязательное условие образования прочных химических связей.