結構生物化學/化學鍵
原子透過獲得、失去或共享電子形成化學鍵。通常，它們試圖達到惰性氣體的電子構型。化學鍵的形成是因為它降低了系統的能量並使原子更加穩定。原子也是物質的單位，是元素的最小單位，由一個密集的、中心的、帶正電的原子核和一個電子系統組成，電子數量等於原子核中質子的數量。整個結構的直徑約為10-8釐米，在化學反應中通常保持不變，除非某些電子的去除、轉移或交換有限。
原子不能被進一步分解而不會改變物質的化學性質。例如，如果你有1噸、1克或1個氧原子，所有這些單位都具有相同的性質。我們可以將氧原子分解成更小的粒子，然而，當我們這樣做時，原子會失去其化學性質。例如，如果你有100塊手錶，或一塊手錶，它們的行為都像手錶一樣，並且可以顯示時間。你可以拆卸其中一塊手錶：取下後蓋，取出電池，窺視內部並取出東西。然而，現在這塊手錶不再像手錶一樣工作了。
原子由三種粒子組成：電子、質子和中子。每種粒子都有不同的性質。電子是微小的、非常輕的粒子，帶負電荷（-）。質子比電子大得多、重得多，並且帶相反的電荷。因此，質子帶正電荷（+）。中子像質子一樣又大又重，但是中子不帶電荷。無論如何，每個原子都是由這些粒子的組合組成的。質子和電子就像兩塊磁鐵一樣保持在一起（相反的電荷相互吸引）。
電子不斷地圍繞原子中心（稱為原子核）旋轉。旋轉電子的離心力使這兩個粒子無法相互接觸，就像地球的自轉使它不會墜入太陽一樣。在電中性原子中，帶正電的質子總是由數量相等的帶負電的電子平衡。正如我們所看到的，氫是最簡單的原子，只有一個質子和一個電子。氦是第二簡單的原子。它的原子核中有兩個質子和兩個電子圍繞著原子核旋轉。但是對於氦，我們必須引入另一個粒子。因為原子核中的兩個質子帶相同的電荷，它們會相互排斥，原子核就會分解。為了防止原子核分裂，氦在其原子核中含有兩個中子。中子不帶電荷，它們充當一種核膠，將質子（以及原子核）粘合在一起。
隨著你新增更多的電子、質子和中子，原子的尺寸就會增加。我們可以透過兩種方式測量原子的尺寸：1）使用原子序數（Z）或使用原子質量（A，也稱為質量數）。原子序數描述了原子中質子的數量。對於氫，原子序數（Z）等於1。對於氦，Z = 2。由於中性原子中質子的數量等於電子的數量，因此Z也告訴您原子中電子的數量。原子質量告訴您原子中質子和中子的數量。因此，氫的原子質量A為1。對於氦，A = 4。
電中性原子是不帶正電或負電荷的原子。然而，原子可以帶電荷。一些原子可以獲得或失去電子（原子中質子的數量永遠不會改變）。如果一個原子獲得電子，那麼該原子就會帶負電。如果原子失去電子，那麼該原子就會帶正電（因為帶正電的質子的數量將超過電子的數量）。帶電的原子稱為離子。
雖然給定原子的質子數量永遠不會改變，但中子的數量可以改變。兩個中子數量不同的原子稱為同位素。例如，氫存在一種同位素，其中原子包含1箇中子（通常稱為氘）。由於原子質量是質子和中子的數量之和，因此元素的兩種同位素將具有不同的原子質量（但是原子序數Z將保持不變）。
化學鍵形成的量子力學基礎是兩個或多個波函式的機率密度的重疊；這意味著電子有一定機率存在於經典物理學禁止的空間區域。
一個離子鍵是金屬和非金屬之間電子的轉移。離子鍵的一個例子是鈉和氯原子之間的鍵。鈉原子將其在3s態的孤電子轉移到氯原子。電子轉移後，鈉原子帶+1電荷，而氯原子現在帶-1電荷。透過這種電子轉移，鈉現在具有惰性氣體氖的電子構型，而氯現在具有惰性氣體氬的電子構型。
只有當反應的總能量變化有利時，才會發生離子鍵合——當鍵合原子具有比自由原子更低的能量時。產生的能量變化越大，鍵就越強。金屬的低電負性和非金屬的高電負性意味著反應的能量變化在金屬失去電子和非金屬獲得電子時最有利。
純離子鍵不存在。所有離子化合物都具有一定程度的共價鍵合，這意味著，離子鍵可以被認為是一種特殊的共價鍵。兩個原子之間電負性差異越大，鍵就越具離子性。離子化合物在熔融狀態或溶液狀態下導電。它們通常具有高熔點，並傾向於溶於水。
共價鍵是另一種用於實現惰性氣體構型或八電子規則的化學鍵。共價鍵在非金屬之間形成，通常來自硼、碳、氮、氧和鹵素族。金屬很少參與共價鍵。每個共價鍵由兩個電子組成，通常每個參與鍵合的原子提供一個電子。原子形成足夠的共價鍵，當鍵中的電子與價電子相加時，它們將具有八電子結構。離子鍵和共價鍵之間的關鍵區別在於電子如何在兩個原子之間分佈。在離子鍵中，電子從一個原子轉移到另一個原子，使原子具有有效的+1和-1電荷。然而，在共價鍵中，兩個原子的價電子在兩個原子之間共享。因此，沒有一個原子獲得完整的正電荷或負電荷。相反，兩個原子之間共享的電子——無論是2個、4個還是6個電子——因分子而異。
共價鍵有兩種型別：純共價鍵和極性共價鍵。當共享電子的兩個原子之間沒有差異時，存在純共價鍵。兩個原子的電負性相同。由於電負性值沒有差異，因此它們以相同的力拉動它們之間共享的電子。因此，電子被平等地共享，並且沒有一個原子帶部分正電荷或負電荷。純共價鍵的一個例子是Cl-Cl或Br-Br鍵。對於不是相同原子之間的鍵，純共價鍵很少存在。另一個例子是長烷烴鏈中碳之間的共價鍵。
極性共價鍵是指存在於電負性不同的原子之間的鍵。鍵中的電子仍然被共享，但兩個原子之間並不平等。雖然每個原子所帶電子密度的確切比例不容易確定，但很容易確定哪個原子更強地吸引電子密度。電負性更大的原子將更多地吸引共享電子，從而使其現在帶輕微的負電荷。由於電荷必須守恆，因此電負性較小的原子現在必須帶輕微的正電荷，其大小等於負電荷。例如，考慮碳和氯之間的鍵。氯的電負性遠大於碳，因此它更多地吸引電子。這使得氯帶輕微的負電荷，而碳帶輕微的正電荷。如果兩個原子之間的差異很大，導致其中一個原子擁有大量的電子密度，則鍵變得越來越具離子性，而共價性降低。因此，雖然H-Cl被認為是共價鍵，但它被歸類為強酸，這意味著它完全解離。由於電負性差異如此之大，氯分子將所有電子密度都吸引到自身，從而在水中解離成H+和Cl-離子。
但是，需要注意的是，含有極性鍵的分子可以是非極性的。例如，以四氯化碳分子為例。該分子具有四個極性C-Cl鍵。但是，由於極性鍵的方向，它們相互抵消，因此整個分子是非極性的。
氫鍵是由氫原子和氧或氮等電負性原子之間的偶極-偶極相互作用形成的。一個常見的例子是水，其中氧的電負性使其帶輕微的負電荷，而兩個氫原子帶輕微的正電荷。氧上的負電荷與另一個水分子的氫上的輕微正電荷形成一個弱鍵。這種型別的鍵合也存在於有機氟化合物中，在 C 和 F 基團之間。這種力比共價鍵和離子鍵弱，但比範德華相互作用強。
分子間氫鍵導致水的沸點很高（100°C），或者大多數使用水作為溶劑的溶液。這是因為強氫鍵，而不是其他第 16 族氫化物。分子內氫鍵部分決定了蛋白質和核酸的二級、三級和四級結構。
在蛋白質、DNA 和 RNA 等生物大分子中，非共價相互作用至關重要。非共價相互作用包括氫鍵、離子鍵、疏水鍵和範德華鍵。這些相互作用在下面的列表中進行了更具體的描述。與共價鍵相比，非共價鍵較弱，並且不斷形成和斷裂。然而，當形成多個非共價鍵時，鍵強度會淨增加。它們在生物大分子中的共同參與產生了影響（例如，底物與酶的結合以及脂質雙層在運輸中的作用）。當多個氫鍵、離子鍵和疏水相互作用同時存在時，這些多個弱相互作用不太可能在沒有外部能量的情況下斷裂底物和酶。這種特性是酶具有特定催化能力的原因。蛋白質摺疊以及蛋白質的獨特特性和結構也取決於這些非共價相互作用。
金屬鍵是金屬原子之間的鍵合。鍵合涉及電子共享和金屬鍵。由於金屬原子較大，並且可以很容易地失去其價電子，因此它們外層電子可以共享並均勻地分佈在其他金屬原子之間。與共價鍵不同，金屬鍵中的電子是離域的，這意味著電子可以在金屬中自由移動。
1) 鈉中的金屬鍵：金屬傾向於具有高熔點和沸點，表明原子之間存在強鍵。即使像鈉（熔點 97.8°C）這樣的金屬，其熔點也比元素週期表中它之前的元素（氖）高得多。鈉的電子結構為 1s22s22p63s1。當鈉原子聚集在一起時，一個鈉原子 3s 原子軌道中的電子與相鄰原子上的相應電子共享空間以形成分子軌道。這與共價鍵的形成方式相同。然而，不同之處在於每個鈉原子都與另外八個鈉原子接觸，共享發生在中心原子和所有八個其他原子的 3s 軌道之間。而這八個中的每一個又與八個鈉原子接觸，依此類推，直到你包含了那塊鈉中的所有原子。所有原子上所有 3s 軌道重疊形成大量分子軌道，這些軌道延伸到整個金屬塊上。必須有大量的分子軌道，因為每個軌道只能容納兩個電子。電子可以在這些分子軌道中自由移動。每個電子都從其母原子分離。據說電子是離域的。金屬由正核和離域電子之間的強吸引力結合在一起。
2) 鎂中的金屬鍵：鎂的外層電子結構為 3s2。這兩個電子都變得離域，因此“電子海”的電子密度是鈉的兩倍。剩餘的離子也具有兩倍的電荷，因此離子與電子海之間將有更大的吸引力。每個鎂原子核中有 12 個質子，而鈉只有 11 個。在這兩種情況下，核都受到相同數量的內層電子（1s2 2s2 2p6 軌道中的 10 個電子）的遮蔽。這意味著鎂原子核將產生 2+ 的淨拉力，而鈉原子核僅產生 1+ 的淨拉力。因此，鎂不僅具有更多的離域電子，而且鎂原子核對它們的吸引力也更大。鎂原子的半徑也略小於鈉原子，因此離域電子更靠近原子核。每個鎂原子也具有 12 個近鄰原子，而不是鈉的 8 個。這兩個因素都增加了鍵的強度。
3) 過渡元素中的金屬鍵：過渡金屬傾向於具有特別高的熔點和沸點。原因是它們可以將 3d 電子以及 4s 電子參與離域。參與的電子越多，吸引力越強。
4) 熔融金屬中的金屬鍵：在熔融金屬中，金屬鍵仍然存在，儘管有序結構已被破壞。直到金屬沸騰，金屬鍵才會完全斷裂。這意味著沸點實際上比熔點更能反映金屬鍵強度的指標。在熔化過程中，鍵被削弱但並沒有斷裂。
所有已知的化學鍵都可以用斷裂這些鍵所需的各種解離能來描述。正是這些解離能決定了化學中各種鍵的強度等級。離子鍵是最強的鍵，解離能 > 400 kcal/mol。共價鍵是第二強的鍵，解離能約為 400 kcal/mol。氫鍵、偶極-偶極和倫敦（範德華）色散鍵屬於分子間力的子類別。由於這些力本質上是化合物之間的相互作用力，而不是物理鍵，因此它們比離子鍵和共價鍵弱得多。氫鍵是這些力中最強的，並且在所有鍵相互作用中總體上是第三強的，解離能為 12-16 kcal/mol。偶極-偶極相互作用是第二強的分子間力，但卻是第四強的鍵相互作用，解離能為 0.5-2 kcal/mol。最後是倫敦範德華力，它是化學鍵閤中最弱的相互作用，解離能 < 1 kcal/mol。
Berg, Jeremy M. Biochemistry. 6th ed. W.H. Freeman, 2007.
- ↑ Silberberg, Martin S.(2010)。普通化學原理（第二版）。麥格勞-希爾出版公司。ISBN978-0-07-351108-05