2.2 Efnatengi

Frumeindir tengjast þess í stað með því að mynda efnatengi. Tengi er veikt eða sterkt rafstöðuaðdráttarafl sem heldur frumeindum nálægt hver annarri. Nýja heildin er yfirleitt stöðugri — ólíklegri til að hvarfast aftur — en frumeindirnar sem mynduðu hana voru þegar þær voru aðskildar. Meira eða minna stöðug heild tveggja eða fleiri frumeinda sem haldast saman með efnatengjum kallast sameind. Frumeindirnar sem tengjast geta verið af sama frumefni, eins og í H₂, sem kallast sameindavetni eða vetnisgas. Þegar sameind er gerð úr tveimur eða fleiri frumeindum ólíkra frumefna kallast hún efnasamband. Eining vatns, H₂O, er því efnasamband, rétt eins og ein sameind gastegundarinnar metans, CH₄.

Kalíum (K) er til dæmis mikilvægt frumefni í öllum frumum líkamans. Sætistala þess er 19. Það hefur aðeins eina rafeind í gildishveli sínu. Þessi eiginleiki gerir kalíum mjög líklegt til að taka þátt í efnahvörfum þar sem það gefur frá sér eina rafeind. (Auðveldara er fyrir kalíum að gefa frá sér eina rafeind en að taka við sjö rafeindum.) Við rafeindamissinn verða jákvæðar hleðslur róteinda kalíums ráðandi yfir neikvæðum hleðslum rafeindanna. Kalíumjónin sem myndast verður með öðrum orðum lítillega jákvætt hlaðin. Kalíumjón er rituð K⁺, sem sýnir að hún hefur misst eina rafeind. Jákvætt hlaðin jón kallast katjón.

Lítum nú á flúor (F), sem er hluti af beinum og tönnum. Sætistala þess er níu og það hefur sjö rafeindir í gildishveli sínu. Því er mjög líklegt að flúor tengist öðrum frumeindum með því að taka við einni rafeind (auðveldara er fyrir flúor að taka við einni rafeind en að gefa frá sér sjö rafeindir). Þá verða rafeindirnar einni fleiri en róteindirnar og jónin fær neikvæða heildarhleðslu. Jónuð mynd flúors kallast flúoríð og er rituð F^–. Neikvætt hlaðin jón kallast anjón.

Frumeindir sem geta gefið frá sér eða tekið við fleiri en einni rafeind fá sterkari jákvæða eða neikvæða hleðslu. Katjón sem hefur gefið frá sér tvær rafeindir hefur nettóhleðsluna +2. Ef magnesíum (Mg) er tekið sem dæmi má rita þetta Mg⁺⁺ eða Mg²⁺. Anjón sem hefur tekið við tveimur rafeindum hefur nettóhleðsluna –2. Jónuð mynd selens (Se) er til dæmis yfirleitt rituð Se^2–.

Gagnstæðar hleðslur katjóna og anjóna valda nokkuð sterku gagnkvæmu aðdráttarafli sem heldur frumeindunum nálægt hvor annarri og myndar jónatengi. Jónatengi er viðvarandi, náið samband milli jóna með gagnstæðar hleðslur. Matarsaltið sem þú stráir á matinn á tilveru sína jónatengjum að þakka. Eins og sýnt er á Mynd 2.8 gefur natríum yfirleitt rafeind til klórs og verður katjónin Na⁺. Þegar klórfrumeindin tekur við rafeindinni verður hún að klóríðanjóninni Cl^–. Vegna gagnstæðra hleðslna dragast þessar tvær jónir sterklega hvor að annarri.

Mynd 2.9 sýnir nokkrar algengar gerðir samgildra tengja. Taktu eftir að tvær frumeindir sem tengjast með samgildu tengi deila yfirleitt aðeins einu eða tveimur rafeindapörum, þótt þær geti deilt fleiri pörum. Meginatriðið er að í samgildum tengjum er rafeindum í frumeindasvigrúmum frumeindanna tveggja, sem skarast, deilt til að fylla gildishvel beggja og gera þær báðar stöðugri. Í eintengi deila tvær frumeindir einu rafeindapari en í tvítengi deila þær tveimur rafeindapörum. Einnig eru til þrítengi þar sem tvær frumeindir deila þremur rafeindapörum.

Eins og sjá má eru samgildu tengin á Mynd 2.9 í jafnvægi. Neikvæðu rafeindunum er deilt nokkuð jafnt og rafstöðuaðdráttarafl jákvæðu róteindanna í kjörnum frumeindanna er sömuleiðis svipað. Sameindum með samgild tengi sem eru í slíku rafrænu jafnvægi er því lýst sem óskautuðum; ekkert svæði sameindarinnar er jákvæðara eða neikvæðara en annað.

Þekktasta dæmið um skautaða sameind er vatn (Mynd 2.10). Sameindin er úr þremur hlutum: einni súrefnisfrumeind, en kjarni hennar inniheldur átta róteindir, og tveimur vetnisfrumeindum, en kjarnar þeirra innihalda aðeins eina róteind hvor. Þar sem hver róteind hefur sömu jákvæðu hleðsluna er hleðsla kjarna með átta róteindir áttfalt meiri en hleðsla kjarna með eina róteind. Neikvætt hlöðnu rafeindirnar í vatnssameindinni dragast því sterkar að súrefniskjarnanum en vetniskjörnunum. Eina neikvæða rafeind hvorrar vetnisfrumeindar færist því í átt að súrefnisfrumeindinni og gerir súrefnisenda tengisins lítillega neikvæðari en vetnisendann.

Það sem gildir um tengin gildir einnig um vatnssameindina í heild: súrefnissvæðið hefur lítillega neikvæða hleðslu og svæði vetnisfrumeindanna lítillega jákvæða hleðslu. Þessar hleðslur eru oft kallaðar „hluthleðslur“ vegna þess að þær eru minni en hleðsla heillar rafeindar, eins og væri í jónatengi. Eins og sýnt er á Mynd 2.10 eru svæði með veikri skautun táknuð með gríska bókstafnum delta (δ) og plúsmerki (+) eða mínusmerki (–).

Þótt ein vatnssameind sé svo smá að erfitt sé að gera sér hana í hugarlund hefur hún massa og gagnstæðar rafhleðslur sameindarinnar toga í massann þannig að hún fær lögun sem minnir á þríhyrnt tjald (sjá Mynd 2.10 b). Í þessu tvískauti mynda vetnisfrumeindirnar jákvæða hleðslu á öðrum endanum, „neðst“ á tjaldinu, en súrefnisfrumeindin neikvæða hleðslu á hinum endanum, „efst“ á tjaldinu. Því er mjög líklegt að hlöðnu svæðin víxlverki við hlaðin svæði annarra skautaðra sameinda. Í lífeðlisfræði mannsins er tengið sem þannig myndast eitt mikilvægasta tengið sem vatn myndar — vetnistengið.

Algengasta dæmið um vetnistengi í náttúrunni er milli vatnssameinda. Þú sérð þetta gerast þegar tveir regndropar renna saman í stærri dropa eða þegar lækur rennur út í á. Vetnistengi myndast vegna þess að veiklega neikvæð súrefnisfrumeind í einni vatnssameind dregst að veiklega jákvæðum vetnisfrumeindum tveggja annarra vatnssameinda (Mynd 2.11).

Vatnssameindir dragast einnig sterklega að öðrum gerðum hlaðinna sameinda og að jónum. Þetta skýrir hvers vegna „matarsalt“, sem er sameind sem kallast „salt“ í efnafræði og samanstendur af jafnmörgum jákvætt hlöðnum natríumjónum (Na⁺) og neikvætt hlöðnum klóríðjónum (Cl^–), leysist svo auðveldlega upp í vatni. Við það myndast jóna-tvískautskraftar milli vatnsins og rafhlaðinna jónanna (rafvakanna). Vatnssameindir hrinda einnig frá sér sameindum með óskautuð samgild tengi, svo sem fitu, lípíðum og olíum. Þú getur sýnt þetta með einfaldri tilraun í eldhúsinu: Helltu teskeið af jurtaolíu, efnasambandi sem myndast af óskautuðum samgildum tengjum, í glas af vatni. Olían leysist ekki samstundis upp í vatninu heldur myndar afmarkaðan dropa vegna þess að skautuðu vatnssameindirnar hrinda óskautuðu olíunni frá sér.