化學鍵｜第2章 有機體的化學水平 2.2《解剖學與生理學 2e》

本篇文章由夜黎最後一次更新於2023年9月5日

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前言

兩個相隔很遠的原子無法連接 ； 相反，它們必須足夠接近，以使價殼層中的電子相互作用。 但是原子真的會相互接觸嗎？ 大多數物理學家會說不，因為它們的價殼層中帶負電的電子會相互排斥。 人體內或自然界的任何力量都不足以克服這種電排斥力。 所以當你讀到原子連接在一起或碰撞時，請記住原子在物理意義上並沒有合併。

相反，原子通過形成化學鍵來連接。 鍵〔bond〕是一種弱或強的電吸引力，它將原子保持在同一附近。 新的組合通常比其組成原子分開時更穩定——不太可能再次發生反應。 通過化學鍵結合在一起的兩個或多個原子，其或多或少穩定的組合稱為分子〔molecule〕。 鍵合的原子可以是相同的元素，如 H2 的情況，稱為分子氫〔molecular hydrogen〕或氫氣〔hydrogen gas〕。 當一個分子由兩個或多個不同元素的原子組成時，它被稱為化合物〔chemical compound〕。 因此，一個水單元或 H2O 是一種化合物，就像氣體甲烷〔gas methane〕或 CH4 的單個分子一樣。

在人體生理學中，有三種類型的化學鍵很重要，因為它們把物質結合在一起，這些物質被身體用於體內平衡、信號傳導和能量產生〈僅舉幾個重要的過程〉等關鍵方面。 它們是離子鍵〔ionic bonds〕、共價鍵〔covalent bonds〕和氫鍵〔hydrogen bonds〕。

離子和離子鍵〔Ions and Ionic Bonds〕

回想一下，一個原子通常具有相同數量的帶正電的質子和帶負電的電子。 只要這種情況仍然存在，原子就是電中性的。 但是，當一個原子參與化學反應，這導致捐贈或接受一個或多個電子時，該原子就會帶正電或帶負電。 如前所述，為了具有完整的價殼層，大多數原子經常發生這種情況。 這可以發生在通過獲得電子來填充超過半滿的殼層，或者通過放棄電子來清空不到半滿的殼層，從而使下一個較小的電子殼層成為新的完整價殼層。 帶電荷的原子——無論是正電荷還是負電荷——都是離子。

例如，鉀〔potassium〕(K) 是所有身體細胞中的重要元素。 它的原子序是 19。 它的價殼層中只有一個電子。 這一特性使鉀極有可能參與化學反應，這其中它捐贈一個電子。 （對於鉀來說，捐贈一個電子比獲得七個電子要容易。） 損失將導致鉀質子的正電荷比鉀電子的負電荷的影響更大。 換句話說，產生的鉀離子將略帶正電。 鉀離子寫成 K+，表示它失去了一個電子。 帶正電的離子稱為陽離子〔cation〕。

現在考慮氟〔fluorine〕(F)，它是骨骼和牙齒的組成部分。 它的原子序是9，並且它的價殼層有七個電子。 因此，氟很可能與其他原子鍵合，以接受一個電子的方式（氟獲得一個電子比捐贈七個電子更容易）。 當它這樣做時，它的電子將比它的質子多一個，並且它將有一個整體負電荷。 氟的離子形式稱為氟化物〔fluoride〕，寫作 F-。 帶負電的離子稱為陰離子〔anion〕。

有多個電子可以捐贈或接受的原子，最終將會帶上更強的正電荷或負電荷。 捐贈兩個電子的陽離子的淨電荷〔net charge〕為+2。 以鎂〔magnesium〕(Mg) 為例，可以寫作 Mg++ 或 Mg2+。 接受了兩個電子的陰離子的淨電荷為 –2。 例如，離子形式的硒〔selenium〕(Se)通常寫作 Se2-。

陽離子和陰離子的相反電荷施加適度強的相互吸引力，使原子保持緊密接近，形成離子鍵〔ionic bond〕。 離子鍵是相反電荷離子之間持續的緊密結合。 你撒在食物上的食鹽是由於離子鍵而存在的。 如圖 2.8 所示，鈉〔sodium〕通常給氯〔chlorine〕捐贈一個電子，成為陽離子 Na+。 當氯接受電子時，它變成氯陰離子，Cl-。 由於它們的相反電荷，這兩種離子強烈地相互吸引。

水是生命的重要組成部分，因為它能夠破壞鹽中的離子鍵以釋放離子。 事實上，在生物體液中，大多數單個原子以離子的形式存在。 這些溶解的離子在體內產生電荷。 這些離子的行為產生心臟和大腦功能的軌跡，以心電圖（EKG 或 ECG）或腦電圖（EEG）上波的形式觀察到。 源自於帶電離子相互作用產生的電活動是它們也被稱為電解質〔electrolytes〕的原因。

共價鍵〔Covalent Bonds〕

與由陽離子的正電荷和陰離子的負電荷之間的吸引力形成的離子鍵不同，由共價鍵〔covalent bond〕形成的分子以相互穩定的關係共享電子。 就像隔壁鄰居的孩子先在一個家閒逛，然後又到另一個家一樣，原子不會永久失去或獲得電子。 相反，電子在元素之間來回移動。 由於電子成對地緊密共享（兩個原子各一個電子），共價鍵比離子鍵更強。

非極性共價鍵〔Nonpolar Covalent Bonds〕

圖 2.9 顯示了幾種常見的共價鍵類型。 請注意，兩個共價鍵合的原子通常僅共享一個或兩個電子對，但也可以共享更多的電子對。 由此得出的重要概念是，在共價鍵中，兩個原子重疊原子軌道中的電子，共享以填充兩個原子的價電子層，最終穩定所涉及的兩個原子。 在單共價鍵中，兩個原子之間共享單個電子對，而在雙共價鍵中，兩個原子之間共享兩對電子。 甚至存在三重共價鍵，其中兩個原子之間共享三個電子對。

你可以看到圖 2.9 中所示的共價鍵是平衡的。 負電子的共享相對相等，所涉及原子核中正質子的電引力也是相對相等的。 這就是為什麼以這種方式實現電平衡的共價鍵分子被描述為非極性的。 也就是說，分子中沒有任何區域比其他區域更正或更負。

極性共價鍵〔Polar Covalent Bonds〕

在某一特定問題上持有完全相反觀點的立法者團體經常被新聞撰稿人描述為“兩極分化〔polarized〕”。 在化學中，極性分子〔polar molecule〕是包含具有相反電荷的區域的分子。 當原子以極性共價鍵不均勻地共享電子時，就會出現極性分子。

最常見的極性分子例子是水（圖 2.10）。 該分子由三部分組成：一個氧原子，其原子核含有八個質子，以及兩個氫原子，其原子核僅含有一個質子。 由於每個質子都帶有相同的正電荷，因此包含八個質子的原子核所釋放的電荷是包含一個質子的原子核的八倍。 這意味著水分子中存在的帶負電的電子對氧原子核的吸引力比對氫原子核的吸引力更強。 因此，每個氫原子的單個負電子都會向氧原子遷移，使其鍵的氧端比其鍵的氫端稍微負一些。

對於化學鍵來說是這樣的，對於整個水分子來說也是這樣。 也就是說，氧區域帶有輕微的負電荷，而氫原子的區域帶有輕微的正電荷。 這些電荷通常被稱為“部分電荷〔partial charges〕”，因為電荷的強度小於一個完整的電子，如離子鍵中所發生的那樣。 如圖 2.10 所示，弱極性區域用希臘字母 δ (δ) 和加號 (+) 或減號 (–) 表示。

儘管單個水分子小得難以想像，但它具有質量，分子上相反的電荷會拉動該質量，從而形成有點像三角形帳篷的形狀（見圖 2.10b）。 這種偶極子的一端帶正電荷，由帳篷“底部”的氫原子形成，另一端帶負電荷（帳篷“頂部”的氧原子），使得帶電區域極有可能與其他極性分子的帶電區域相互作用。 對於人體生理學而言，由此產生的鍵是水形成的最重要的鍵之一——氫鍵〔hydrogen bond〕。

氫鍵〔Hydrogen Bonds〕

當已經與一個電負性原子〔electronegative atom〕（例如水分子中的氧）鍵合的弱正氫原子被另一個分子中的另一個電負性原子吸引時，形成氫鍵〔hydrogen bond〕。 換句話說，氫鍵總是包含已經是極性分子一部分的氫。

自然界中，氫鍵最常見的例子發生在水分子之間。 每當兩滴雨滴合併成一個更大的珠子，或者一條小溪流入河流時，它就會發生在你的眼前。 氫鍵的產生是因為一個水分子中的弱負電氧原子被另外兩個水分子中的弱正電氫原子吸引（圖2.11）。

水分子還強烈吸引其他類型的帶電分子和離子。 這解釋了為什麼“食鹽”實際上是化學中稱為“鹽”的分子，它由等量的帶正電的鈉 (Na+) 和帶負電的氯化物 (Cl–) 組成，很容易溶解在水中水，在這種情況下在水和帶電離子（電解質）之間形成偶極離子鍵。 水分子還排斥具有非極性共價鍵的分子，如脂肪、脂質和油。 你可以通過一個簡單的廚房實驗來證明這一點：將一茶匙植物油（一種由非極性共價鍵形成的化合物）倒入一杯水中。 由於極性水分子排斥非極性油，油不會立即溶解在水中，而是形成明顯的珠子。

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2023/09/05 發佈本文