Химическая связь и строение молекул. Химический состав сливочного масла.

Вопросы.

1.Химическая связь и строение молекул.

2. Химический состав сливочного масла.

1.Химическая связь и строение молекул.

Химическая связь возникает при взаимодействии атомов, которые обуславливают образование химически устойчивой двух- или многоатомной системы (молекулы, кристалла и др.). Химическая связь возникает лишь в случае, если полная энергия взаимодействующих атомов уменьшается, следовательно, выделяется энергия. [2]

      Энергия связи – это количество энергии, которая выделяется при образовании химической связи. Это величина является важнейшей характеристикой прочности связи, ее выражают в килоджоулях на 1 моль образующегося вещества. Энергию связи определяют, сравнивая с состоянием предшествовавшем образованию связи. Например, энергия связи хлорида водорода, равная 431,8 кДж/моль, показывает, что по сравнению с основным состоянием водорода 1s1 и основным состоянием хлора 1s22s22p63s23p5 , сумма энергий, которых принята за исходный уровень, при образовании HCl выделилась энергия в количестве 432 кДж/моль. Важными геометрическими характеристиками химической связи являются длина, углы между связями в молекулах, кристаллах и т.п. [2]

Длина химической связи – это расстояние между ядрами атомов в молекуле. Она всегда меньше, чем сумма радиусов взаимодействующих атомов. Чем прочнее связь, тем меньше расстояние между ядрами, тем меньше длина связи. [6]

Различают три основных вида химической связи: металлическую, ковалентную и ионную.

1.      Ковалентная связь – это химическая связь между атомами, образованная перекрытием пары валентных электронных облаков. Электронные облака, обеспечивающие связь называются общей электронной парой. [2]

Ковалентная связь существует между атомами, как в молекулах, так и в кристаллах. Она возникает, как между одинаковыми атомами (например, в молекулах H2, Cl2), так и между разными атомами (например, в молекулах H2O и NH3, в кристаллах SiC). [2]

1.1. Характерными особенностями ковалентной связи являются ее насыщаемость направленность, энергия связи, длина связи, кратность, полярность. Энергия и длина связи рассмотрены были выше. [2]

1.1.1.Насыщаемость обусловлена тем, что в химическом взаимодействии участвуют электроны только внешних энергетических уровней, т.е. ограниченное число электронов. [2]

1.1.2.Ковалентная связь обладает направленностью. Электронные облака атомов имеют определенную пространственную ориентацию. Соответственно и область перекрывания электронных облаков находится в определенном направлении по отношению к взаимодействующим атомам. В зависимости от направления перекрывания атомных орбиталей различают  σ-, δ-, π-связи [2]

Сигма (σ)- связь возникает при перекрывании орбиталей, направленных вдоль оси, соединяющей ядра взаимодействующих атомов (в простейшем случае двух s-орбиталей в молекуле водорода Н2). [6]

Пи (π)-связи образуются при перекрывании атомных орбиталей, расположенных по обе стороны оси, соединяющей ядра атомов. [6]

Дельта (δ)–связь возникает при перекрывании всех четырех лопастей двух d-орбиталей, расположенных в параллельных плоскостях. При наложении  δ-  и π- связей на σ-связь образуются двойные и тройные связи ( молекула этилена СН2=СН2; молекула оксида углерода О=С=О; молекула ацетилена СН=СН и т.д.). Число связей между атомами называется кратностью или порядком связи.[6]

1.1.3.Кратность. Между двумя атомами в молекуле может быть одно- двух- или трехкратная связь. Одинарная связь - всегда сигма–связь. В случае кратных связей – одна из них σ-связь, а другие π-связи. [6]

1.1.4. Полярность - характеристика, которая показывает перераспределение электронной плотности в пространстве вблизи ядер по сравнению с исходным распределением этой плотности в нейтральных атомах, образующих данную связь. Количественной мерой полярности химической связи служат  эффективные заряды на атомах: разность между зарядом электронов, сосредоточенным в некоторой области пространства (порядка атомных размеров) вблизи ядра, и зарядом ядра. Эта мера приближённая, так как выделить в молекулах области, которые относятся к отдельным атомам и отдельным связям (если их несколько),  нельзя. Связи строго неполярны лишь в двухатомных гомоядерных молекулах, в остальных случаях они в той или иной степени полярны. Обычно ковалентные связи слабо полярны, ионные связи сильно полярны. Полярность химической связи иногда указывают символами зарядов у атомов (например, Н+d — Cl-d, где d — некоторая доля элементарного заряда). [5]

1.2. Виды ковалентной связи.

1.2.1.  В молекулах, содержащих ядра атомов одного и того же элемента, одна или несколько пар электронов в равной мере принадлежат обоим атомам. При образовании молекул H2, Cl2, F2 , O2  и т.п. каждое ядро атома с одинаковой силой притягивает пару связывающих электронов. Такая связь называется неполярной ковалентной связью. (Рис.1)[6]

(Рис.1)

1.2.2.Согласно Полингу, сила притяжения электрона к атому в ковалентной связи характеризуется электроотрицательностью (ЭО). Если взаимодействующие атомы характеризуются различной ЭО, то обобществленная пара электронов смещается к ядру более ЭО атома. Например, ЭО фтора (4,0) больше ЭО водорода (2,1), поэтому обобществленная электронная пара в молекуле HF смещена в сторону втора. Если пара электронов, образующих химическую связь, смещена к одному из ядер атомов, то связь называют полярной ковалентной связью. (Рис.2)[2]

(Рис.2)

1.3.Способы образования ковалентных связей.

1.3.1. Обменный механизм - атомы предоставляют на образование химической связи одноэлектронные облака, которые перекрываются: А• +В•→А:В.  Например, на рис 3(а) рассмотрены две молекулы H2  и Cl2. [6]

Рис.3(а,б)

1.3.2.Донорно-акцепторный механизм. Оба электрона предоставляют один из атомов — донор. Второй из атомов, участвующий в образовании связи, называется акцептором. В образовавшейся молекуле формальный заряд донора увеличивается на единицу, а формальный заряд акцептора уменьшается на единицу. На рис.3(б)  рассмотрено два примера донорно–акцепторного механизма. [6]

2.Ионная связь – это взаимодействие двух атомов, один из них отдает, а другой принимает электроны. Электростатическое взаимодействие образующихся при этом ионов приводит к образованию химического соединения. [2]

Осуществляется ионная связь в результате образования и электрического взаимодействия противоположно заряженных ионов. Она может возникать лишь при больших различиях в значениях электроотрицательностей атомов. (Рис.4)[5]

(Рис.4)

К типичным соединениям с ионной связью относят галогениды щелочных металлов, например CsF, СsCl, NaCl. [2]

Ионная связь не обладает направленностью, так как электрическое поле иона имеет сферическую симметрию. Взаимодействие двух противоположно заряженных ионов не приводит к полной взаимной компенсации их полей, они сохраняют способность притягивать и другие ионы. Из-за этого в отличие от ковалентной связи ионная связь не обладает насыщаемостью. Так как отсутствуют направленность и насыщаемость в ионной связи, поэтому каждый ион окружен ионами противоположного знака, число которых определяется размерами и силой отталкивания одноименно заряженных ионов. Поэтому соединения с ионной связью представляют собой кристаллические вещества. Весь кристалл можно рассмотреть как гигантскую молекулу, состоящую из очень большого числа ионов. Лишь при высоких температурах, когда вещества переходят в газообразное состояние, ионные соединения могут существовать в виде неассоциированных молекул.[5]

Характеристикой подобных соединений служит хорошая растворимость в полярных растворителях (вода, кислоты и т. д.). Это происходит из-за заряженности частей молекулы. При этом диполи растворителя концам молекулы, и, в результате Броуновского движения, «растаскивают» молекулу вещества на части и окружают их, не давая соединиться вновь. В итоге получаются окружённые диполями растворителя ионы. (Рис.5) [5]

(Рис.5)

При растворении подобных соединений, как правило, выделяется энергия, так как суммарная энергия образованных связей растворитель-ион больше энергии связи анион-катион. Исключения составляют многие соли азотной кислоты (нитраты), которые при растворении поглощают тепло (растворы охлаждаются). Последний факт объясняется на основе законов, которые рассматриваются в физической химии. [5]

3.Металлическая связь – это связь, которую осуществляют относительно свободные электроны между ионами металлов в кристаллической решетке. [5]

Сущность образования металлической связи состоит в следующем. Атомы металлов легко отдают наружные электроны, и некоторые из них превращаются в положительно заряженные ионы. Оторвавшиеся от атомов электроны относительно свободно перемещаются между возникшими положительными ионами металлов. Между этими частицами возникает металлическая связь, т.е. электроны как бы цементируют положительные ионы в металлической решетке. (Рис.6)[5]

(Рис.6)

Таким строением металлов обусловлены и их характерные физические свойства. Проводимость электричества и теплоты зависит от наличия в металлических решетках свободных электронов. Ковкость и пластичность металлов объясняются тем, что ионы и атомы металлов в металлической решетке друг с другом непосредственно не связанны и отдельные их слои могут свободно перемещаться один относительно другого. [5]

Металлическая связь имеет некоторое сходство с ковалентной, поскольку основана на обобществлении внешних электронов. Однако при ковалентной связи обобществлены внешние непарные электроны только двух соседних атомов, в то время как при металлической связи в обобществлении этих электронов принимают  участие  все атомы. Именно поэтому кристаллы с ковалентной связью хрупки, а с металлической, как правило, пластичны, электропроводны и имеют металлический блеск. [5]

Металлическая связь характерна как для чистых металлов, так и для смесей различных металлов - сплавов, находящихся в твердом и жидком состояниях. Однако в парообразном состоянии атомы металлов связаны между собой ковалентной связью. [5]

Металлическая связь представляет собой результат перекрытия делокализованных орбиталей атомов, сближающихся между собой в кристаллической решетке металлических кристаллов. Особенностью кристаллической структуры металлов являются высокие координационные числа (8-12), свидетельствующие о большой плотности упаковки в кристаллических ячейках. Высокая плотность упаковки объясняется тем, что остовы атомов, лишенные внешних электронных уровней, укладываются в пространстве как шары одинакового радиуса.  

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. (Рис.7) Чаще всего встречаются три типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллические решетки. [5]

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рис. 7, а) содержится 9 атомов: 8 располагаются по узлам ячейки и один атом – в центре. Такой тип решетки имеют литий, натрий, калий, рубидий, ванадий, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, железо и другие металлы. [5]

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис. 7. б) находится 14 атомов, которые расположены в углах ячейки и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют свинец, никель, серебро, золото, медь, алюминий, платина, кальций, железо, церий, кальций и др. [5]

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 7, в) содержится 17 атомов, которые расположены в углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и 3 атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, рений, бериллий, гафний, титан, осмий и др. Размеры кристаллической решетки характеризуются расстоянием между центрами соседних атомов, находящихся в вершинах элементарных ячеек, называемым параметром или периодом решетки. [5]

Часто в образовании нескольких химических связей участвуют электроны орбиталей одного и того же атома. Например, в молекуле метана 4 химические связи образованы перекрыванием одной s – и трех p – орбиталей различна. Однако все четыре связи равноценны. Это объясняется тем, что при образовании молекул происходит гибридизация – изменение энергии и формы  атомных орбиталей. При этом образуются равноценные гибридные орбитали, причем гибридизация приводит к большому понижению энергии системы и повышению устойчивости молекулы.[6]

Тип гибритизации определяет пространственную структуру образовавшейся молекулы, что видно из следующей таблицы:

Понятие молекулярной структуры, т.е. геометрической конфигурации молекулы, лежит в основе современного учения о строении молекул. Молекулярная структура определяется равновесной конфигурацией пространственного расположения ядер атомов, образующих молекулу. Эта конфигурация сложной молекулы в принципе может быть рассчитана по методу молекулярных орбиталий.[2]

Существует ряд приближенных моделей и методов, которые используются для систематического анализа накопленных экспериментальных данных по геометрическим конфигурациям молекул. В определенных пределах они часто позволяют не только дать разумное объяснение наблюдаемых конфигураций, но на основе установленных закономерностей и корреляций правильно предсказывать геометрию молекул без длительных и трудоемких квантовохимических расчетов. Одним из таких методов является метод отталкивания электронных пар (ОЭП) валентной оболочки.[2]

В основе данного метода лежат представления о том, что во многих соединениях химическая связь приближенно может считаться двухцентровой и двухэлектронной, т.е. отвечающей (1:1) -взаимодействию. Поэтому электронная оболочка каждого атома представляется состоящей из нескольких электронных пар. Часть этих электронных пар является неподеленными, т.е. принадлежащими только одному атому, а другая часть - поделенными, т.е. принадлежащими двум атомам в силу (1:1) - взаимодействия. Электронные пары принимают такое расположение на валентной оболочке атома, при котором они максимально удалены друг от друга, т.е. электронные пары ведут себя так, как если бы они взаимно отталкивались. Причем неподеленные электронные пары отталкиваются друг от друга сильнее, чем они отталкиваются от поделенных электронных пар, а последние отталкиваются между собой слабее. Если каждую электронную пару представить в виде Ї, то расположение пар можно изобразить в виде многогранника, который получается при соединении всех пар прямыми линиями. Например, если отталкиваются всего 2 электронные пары атома Э, то они будут располагаться под углом 180° друг к другу, давая линейную конфигурацию. (Рис.8):

(Рис.8)

Такая пространственная конфигурация имеет место для многих соединений элементов главной подгруппы II группы и других элементов: BeCl2, C2H2. [2]

При отталкивании трех эквивалентных электронных пар (т.е. когда все три электронные пары являются неподеленными или только поделенными) геометрическое расположение их отвечает правильному треугольнику с углами между осями расположения электронных пар 120°. (Рис.9)

(Рис.9)

Такая конфигурация типична для соединений элементов главной подгруппы III группы периодической системы (BCl3, C2H4 (этилен), C6H6 (бензол)). [2]

Четырем электронным парам соответствует тетраэдрическая пространственная конфигурация. (Рис.10)

(Рис.10)

Многие соединения углерода (насыщенные углеводороды метан CH4 , этан C2H6 и т.п.) и их производные (спирты, галогенопроизводные и др.) имеют тетраэдрическую конфигурацию расположения связей. В качестве примера конфигураций молекул, содержащих неэквивалентные электронные пары, рассмотрим строение молекулы аммиака NH3. В данной молекуле азот 7N...2s22px12py12pz1и три атома водорода 1H 1s1 образуют за счет (1:1)-взаимодействий 3 поделенные электронные пары. Четвертая - неподеленная электронная пара принадлежала атому азота и до образования связей. Таким образом, на электронной оболочке азота в молекуле NH3 находятся 4 электронные пары. Если бы все эти пары были эквивалентными, то они располагались бы по осям тетраэдра с углами между их осями в 109,5°. Однако, неподеленная электронная пара несколько сильнее отталкивает поделенные электронные пары, чем они отталкиваются между собой. Поэтому валентные углы HNH в молекуле аммиака несколько меньше тетраэдрического значения и составляют 107° . Аналогично объясняется значение валентного угла HOH (104°) в молекуле воды. [2]

2. Химический состав сливочного масла.

Сливочное масло – это пищевой продукт, изготавливаемый из коровьего молока, и состоит в основном из молочного жира и плазмы, в которую частично переходят все составные части молока (фосфатиды, белки, молочный сахар, минеральные вещества, витамины и вода). [4]

Структура масла двухфазная. Жировая и водяная фазы играют роль растворителей других составных частей масла (белки, соли, углеводы и др.). Жир в масле находится в кристаллическом, жидком и аморфном состояниях. Поэтому масло можно рассматривать как многофазную полидисперсионную систему. При разных способах выработки строение масла неодинаково.    Масло, полученное сбиванием, имеет гелеобразную дисперсионную систему, в которой непрерывной фазой является жидкий жир. В таком масле жир застывает в стабильной форме, поэтому оно отличается устойчивостью. [1]

Отвердевание жира с кристаллизацией триглицеридов происходит при низкой температуре в процессе созревания сливок. В каждом шарике образуются внешний слой (отвердевший высокоплавкий триглицирид) и внутренний слой (жир, плавящегося при более низкой температуре). При большем содержании твердого жира масло крошится, при меньшем – мягкое. [1]

Образование масляных зерен происходит во время механической обработки.  При сбивании разрушается оболочка жировых шариков, микрозерна кристаллов жира объединяются в комочки – зерна. Дальнейшая механическая обработка ведет к диспергированию масляных зерен в непрерывной фазе жидкого жира плазмы и воздуха. Так формируются определенные структура и консистенция масла. [1]

При выработки масла поточным способом, кристаллизация происходит не только в маслообразователе, но и после выхода из него. В таком масле почти все кристаллы находятся в легкоплавкой форме, которая переходит в стабильную только при надлежащих температурах, времени и т.д. для получения хорошей структуры необходимо строго соблюдать термические режимы производства. [1]

Жир молока, с равномерно распределенными в жировой фазе влагой и обезжиренными веществами молока, является основой масла из коровьего молока. Масло из коровьего молока делят, в зависимости от массовой доли жира, на два вида: масло топленое и масло сливочного. В масле топленом массовая доля жира составляет не менее 99%, а в сливочном  от 30 до 85% .[3]

В зависимости от вида масла зависит  содержание воды, ее массовая доля составляет от 16 до 51,5%, остальную часть составляет сухой обезжиренный молочный остаток (СОМО), включающий все вещества плазмы, кроме жира. Содержание СОМО зависит от периода года, метода производства и вида вырабатываемого масла. Содержание СОМО плазмы сливочного масла, при использовании традиционных технологий, составляет 1,5 -03,5%. [3]

Молочный жир восполняет энергетические затраты организма человека. Энергетическая ценность сливочного масла традиционного состава с массовой долей жира 82,5% равна 31130 кДж/кг. Жирнокислотный состав молочного жира самый сложный в природе. В его состав входят насыщенные и ненасыщенные кислоты. Причем насыщенных кислот в нем значительно больше (53…77%), чем ненасыщенных (25…47%). От содержания в молочном жире различных кислот зависит температура плавления и отвердевания масла. Зимой в молочном жире увеличивается количество насыщенных жирных кислот, поэтому масло приобретает твердую консистенцию. Летом в жире значительно возрастает содержание ненасыщенных жирных кислот и жидких фракций жира, масло имеет более мягкую консистенцию. Содержание жирных кислот зависит от размеров жировых шариков. В очень мелких шариках обнаружено больше ненасыщенных кислот, чем в крупных.[4]

Так же интерес представляют содержащиеся в молочном жире полиненасыщенные жирные кислоты. Они активно участвуют в клеточном обмене веществ, являются факторами роста, обладают антисклеротическим действием, участвуют в обеспечении нормального углеводородно--жирового обмена, в регулировании окислительно-восстановительных процессов, происходящих в организме человека и нормализации холестеринового обмена. Следует отметить, что в масле из коровьего молока  содержится недостаточное количество полиненасыщенных жирных кислот: линолевой (С18:2), линоленовой (С18:3) и арахидоновой (С20:4). Эталонный жир должен содержать 7,5…13,0% данных кислот. [3]

Низкая температура плавления основных групп глицеридов (27 - 340С) и отвердевания (18-230С) способствует переходу молочного жира в пищеварительном тракте в наиболее удобное для усвоения жидкое состояние. В связи с этим сливочное масло рекомендуют больным с функциональным расстройством пищеварительных органов, а так же для детского питания. [4]

В настоящее время, при выработке масла и его аналогов, возможно, направленно регулировать жирнокислотный состав. Это осуществляют путем  фракционного разделения глицеридов, переэтирификации, биотехнологической обработки, частичной замены молочного жира композициями немолочных жиров, что способствует повышению содержания жизненно необходимых жирных кислот и биологической ценности масла. При подборе ингредиентов для регулирования состава и свойств жировой фазы учтены рекомендации института питания РАМН о содержании линолевой и линоленовой жирных кислот, а также трансизомеров ненасыщенных кислот. [3]

По пищевой ценности масло уступает молоку, сырам и кисломолочным продуктам из-за меньшей сбалансированности основных пищевых веществ – при высоком количестве жира оно содержит мало белков, углеводов, минеральных веществ и водорастворимых витаминов. Вместе с тем масло является носителем и поставщиком очень важных полиненасыщенных жирных кислот, жирорастворимых витаминов, фосфолипидов.[3]

Значение жирорастворимых витаминов особенно велико:

1.витамин «А» необходим для образования зрительного пурпура, роста клеток молодого организма. Молочный жир рассматривают как реальный источник поступления витамина «А» в организм человека.

2. витамин «D» – для обеспечения транспорта кальция и фосфора через биологические мембраны, предупреждения заболевания рахитом. В процессе выработки сливочного масла содержание витаминов «А» и «D» практически не изменяется. Они разрушаются при температуре более 120оС.

3.витамин «Е» выполняет функцию биологических антиоксидантов. Потери витамина «Е» при выработке масла составляют до 80% от его первоначального содержания в исходном сырье. Масло содержит такие минеральные вещества, как калий, натрий, кальций, магний, железо и др. [3]

Вкус и запах сливочному маслу придают такие компоненты, как диацетил, летучие жирные кислоты, некоторые эфиры жирных кислот, лецитин, белок, жиры и молочная кислота. Желтую окраску придает бета-каротин. В зависимости от содержания каротина масло имеет сочную с темно - желтым оттенком или бледно- желтую окраску, а иногда почти белую. [4]

Пищевую ценность сливочного масла повышают содержащиеся в нем фосфолипиды, особенно лецитин оболочек жировых шариков. В организме человека фосфолипиды взаимодействуют со многими веществами. В комплексе с белками они участвуют в построении мембран клеток организма человека. Фосфолипиды входят в состав миелиновых оболочек нервных клеток и относятся к тем веществам, потребность в которых резко повышается при нервных напряжениях. [3]

Физиологическая ценность сливочного масла во многом определяется наличием в нем не только лецитина, но и холестерина. Холестерин является исходным компонентом при образовании желчных кислот. Он участвует в образовании гормонов коры надпочечников, витамина D, оказывает защитное действие в отношении кровяных телец, может действовать как антитоксин. Однако его избыток может вызвать атеросклероз. Содержание холестерина в масле не должно превышать 0,2%. [3]

Таким образом, сравнительно высокая биологическая ценность коровьего масла обуславливается содержанием полиненасыщенных жирных кислот, фосфолипидов, жирорастворимых витаминов, а также его хорошей усвояемостью. При смешанном питании усвояемость молочного жира составляет в среднем 93…98%.[3]

Энергетическая ценность (калорийность) масла характеризует количество энергии, образующейся при биологическом окислении содержащихся в нем жиров, углеводов и белков, используемых для обеспечения физиологических функций организма. [3]

Список литературы.

1. Кондрашова, Е.А. Товароведение  продовольственных товаров  [Текст]: Учебное пособие/ Е.А. Кондрашова, Н.В. Коник, Т.А. Пешкова. – М.: Альфа – М, 2007. – 426с.

2. Курс общей химии [Текст]: учебник для студ. энергет. спец. вузов/ Э.И. Мингулина, Г.Н. Масленикова, Н.В. Коровин, Э.Л. Филиппов; под ред. Н.В. Коровина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: «Высшая школа», 1990.- 446с: ил.

3. Степанова Л.И. Масло коровьо и комбинированное [Текст]/ Л.И. Степанова. – Спб: ГИОРД, 2003. -336с.- (Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры: В 3т./ Л.И. Степанова, Т.2.)

4. Технология молока и молочных продуктов [Текст]: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений/ Г.Н. Крусь, А.Г.Храмцов, З.В. Волокитина, С.В. Карпычев - под ред. А.М. Шалыгиной.- М.: КолосС, 2006.- 455с: ил.

5. Фролов, В.В. Химия [Текст]: издание третье, переработанное и дополненное/ В.В. Фролов. – М.: «Высшая школа», 1986. – 544с.

6.Хамзина, Л.Б. Общая химия [Текст]: конспект лекций для студентов кафедр ПФМ, ИЭФ, ЭФ физико – технического факультета УГТУ-УПИ.\ Составили доценты кафедры физико – химических методов анализа  Л.Б. Хамзина, С.Ю. Пальчикова -81с

18