Химические связи и силы Ван-дер-Ваальса в образовании биослоя

Эта статья является
развитием первой части статьи
"Биослой и его уничтожение (часть 1)".

Образование биологических структур или отложений (биослоев) на поверхностях водопроводных систем происходит благодаря межмолекулярным ковалентным и/или внутримолекулярным водородным связям, а также действию сил Ван-дер-Ваальса.

Водородные связи отличаются относительно невысокой прочностью:


Тип связи OH—O CH—O OH—N NH—O NH—N
Энергия связи,
ккал/моль
6 2,6 4,7 2,3 6

Водородная связь представляет собой полярное соединение — первый этап к переходу протонов. Энергетический барьер, который лежит между ними, относительно невелик. Тем самым скачки протонов происходят значительно быстрее, чем другие молекулярные движения. Следовательно, водородные связи быстрее распадаются и вновь соединяются, не вызывая при этом сильных изменений в структуре.

Эта особенность очень важна для физиологических процессов, в частности для деления клеток. Кроме того, водородные связи передают генетическую информацию в нуклеиновых кислотах и позволяют образовывать специфические пептидные цепочки.

Водородные связи. Миграция протонов

Водородные связи, которые мы для примера рассматриваем как ковалентные соединения, образуются, прежде всего, при выпадении извести, отложении извести и отложении ржавчины, при этом во всех случаях выделяется вода. Речь идет о типичной кислотно-щелочной реакции, результат которой — появление нейтрального соединения. Схема протекания реакции:

Реакции отложения извести и ржавчины

Кислородные (ковалентные) связи отличаются относительно высокой прочностью, которая примерно соответствует теплоте образования отдаваемой воды (68,3 ккал/моль).

Кислородные связи не расщепляются без разрушения молекулярной структуры. Решающее значение при этом имеет присутствие щелочных и кислотных гидроксидных групп:

  • они могут расти либо при образовании дополнительных кислородных связей с выделением воды для еще больших образований;
  • либо могут образовывать водородные связи, которые вступают в обменную реакцию с биологическими структурами.

Таким образом, происходит маскировка этих групп, которая являются причиной очень высокой стабильности по сравнению с водными системами — "Известь и микроорганизмы не любят жить поодиночке".

Тензиды (ПАВ) состоят из гидрофобных и гидрофильных узлов. В водной среде происходит образование упорядоченных агрегатов, формирующих клеточную мембрану.

Для построения клеточной мембраны важную роль играют фосфолипиды как молекулы тензидов.

Фосфолипиды состоят из гидрофобного алифатического остатка углеводорода с частично ненасыщенными соединениями С=С и гидрофильной группы со следующей структурой:

Фосфолипид
Структура фосфолипида

Способность фосфолипида образовывать мембраны является важнейшим процессом органической жизни.

Фосфолипиды образуют клеточную мембрану, которая служит "жировой оболочкой" и защищает живую клетку от негативного воздействия, поддерживает ее структуру и придает ей определенные очертания. Клетки высоко стабильны при колебаниях уровня pH от 2 до 12 и температуры — даже если происходит постоянная обменная реакция между питательной и шлаковой средой, или при делении клетки образовались 2 дочерние мембраны.

Мембрана из фосфолипидов

Спаянность клеточной мембраны происходит за счет водородных мостичных соединений и усиливается силами Ван-дер-Ваальса:

  • Ориентация: полярные молекулы располагаются таким образом относительно друг друга, что больше не возникает вращения;
  • Индукция: молекулы поляризуются в электростатическом поле другой молекулы;
  • Дисперсия: флуктуация электронов в нейтральной молекуле является причиной временной асимметрии распределения заряда, следствием которой является притяжение между молекулами.

Виды соединений

Вид соединения Водородная связь
(мостичное соединение)
Ковалентная связь Силы Ван-дер-Ваальса
Энергия связи,
ккал/моль
1–10 10–100 ≈1
Значение Обменная реакция внутри клетки, а также между биологическими структурами и другими системами (биослой) Обменная реакция неорганических структур (известь, ржавчина) и некоторых биологических структур между собой и с другими системами Обменная реакция внутри биологических структур (клеточная мембрана), а также между биологическими структурами (непостоянными защитными структурами)
Характер связи полярный ковалентный эффект ориентации, индукции, дисперсии