Legame idrogeno. Linee di comunicazione e loro caratteristiche

Di eccezionale importanza nei sistemi biologici è un tipo speciale di interazione intermolecolare, il legame idrogeno, che si verifica tra gli atomi di idrogeno chimicamente combinati in una molecola e gli atomi elettronegativi F, O, N, Cl, S appartenenti a un'altra molecola. Il concetto di "legame idrogeno" fu introdotto per la prima volta nel 1920 da Latimer e Rodebush per spiegare le proprietà dell'acqua e di altre sostanze associate. Diamo un'occhiata ad alcuni esempi di tale connessione.

Nel paragrafo 5.2 abbiamo parlato della molecola piridina e si è notato che l'atomo di azoto in essa contenuto ha due elettroni esterni con spin antiparalleli che non partecipano alla formazione di un legame chimico. Questa coppia di elettroni "liberi" o "solitari" attirerà il protone e formerà un legame chimico con esso. In questo caso, la molecola di piridina passerà allo stato ionico. Se ci sono due molecole di piridina, competeranno per catturare un protone, dando origine a un composto

in cui tre punti indicano un nuovo tipo di interazione intermolecolare chiamata legame idrogeno. In questo composto, il protone è più vicino all'atomo di azoto levogiro. Con lo stesso successo, il protone potrebbe essere più vicino all'atomo di azoto giusto. Pertanto, l'energia potenziale di un protone in funzione della distanza dall'atomo di azoto destro o sinistro a una distanza fissa tra loro (circa ) dovrebbe essere rappresentata da una curva con due minimi. Un calcolo quantomeccanico di tale curva, effettuato da Rhine e Harris, è mostrato in Fig. 4.

La teoria quantomeccanica del legame idrogeno A-H...B basata sulle interazioni donatore-accettore è stata una delle prime ad essere sviluppata da N. D. Sokolov. La ragione del legame è la ridistribuzione della densità elettronica tra gli atomi A e B causata dal protone. In breve, si dice che sia condivisa una “coppia solitaria” di elettroni. Infatti, dentro

Riso. 4. Curva potenziale dell'energia protonica in funzione della distanza tra gli atomi di azoto di due molecole di piridina.

Anche altri elettroni delle molecole partecipano alla formazione di potenziali curve di legame idrogeno, sebbene in misura minore (vedi sotto).

Le energie tipiche del legame idrogeno variano da 0,13 a 0,31 eV. È un ordine di grandezza inferiore all'energia dei legami covalenti chimici, ma un ordine di grandezza maggiore dell'energia delle interazioni di van der Waals.

Il complesso intermolecolare più semplice formato dal legame idrogeno è il complesso Questo complesso ha una struttura lineare. La distanza tra gli atomi di fluoro è 2,79 A. La distanza tra gli atomi in una molecola polare è 0,92 A. Quando si forma un complesso, viene rilasciata un'energia di circa 0,26 eV.

Con l'aiuto del legame idrogeno si forma un dimero d'acqua con un'energia di legame di circa 0,2 eV. Questa energia è circa un ventesimo dell'energia del legame covalente OH. La distanza tra due atomi di ossigeno nel complesso è di circa 2,76 A. È inferiore alla somma dei raggi di van der Waals degli atomi di ossigeno, pari a 3,06 A. In Fig. La Figura 5 mostra la variazione della densità elettronica degli atomi di acqua calcolata nel lavoro durante la formazione del complesso. Questi calcoli confermano che quando si forma un complesso, cambia la distribuzione della densità elettronica attorno a tutti gli atomi delle molecole reagenti.

Il ruolo di tutti gli atomi nella creazione dei legami idrogeno nel complesso può essere giudicato anche dall'influenza reciproca di due legami idrogeno tra le basi azotate, timina e adenina, che fanno parte della doppia elica della molecola del DNA. La posizione dei minimi delle curve del potenziale protonico in due legami riflette la loro mutua correlazione (Fig. 6).

Insieme al legame idrogeno usuale o debole formato da idrogeno con un rilascio di energia inferiore a 1 eV e caratterizzato da un'energia potenziale con due minimi, l'idrogeno forma alcuni complessi con un grande rilascio di energia. Ad esempio, quando si crea un complesso, viene rilasciata un'energia di 2,17 eV. Questo tipo di interazione è chiamata forte

Riso. 5. Variazione della densità elettronica attorno agli atomi in un complesso formato da legami idrogeno di due molecole d'acqua.

Si presuppone che la carica dell'elettrone sia uguale all'unità. In una molecola d'acqua libera, la carica di 10 elettroni è distribuita in modo tale che vicino all'atomo di ossigeno c'è una carica di 8,64 e sugli atomi di idrogeno

Riso. 6. Legami idrogeno tra basi azotate: a - timina (T) e adenip (A), che fanno parte delle molecole DNN (le frecce indicano i punti di attacco delle basi alle catene di molecole di zucchero e acido fosforico); - curve potenziali del legame idrogeno; O - ossigeno; - idrogeno; - carbonio; - azoto.

legame idrogeno. Quando si formano complessi con forti legami idrogeno, la configurazione delle molecole cambia in modo significativo. L'energia potenziale del protone ha un minimo relativamente piatto situato approssimativamente al centro del legame. Pertanto, il protone viene facilmente spostato. Il facile spostamento del protone sotto l'influenza di un campo esterno determina l'elevata polarizzabilità del complesso.

Nei sistemi biologici non si verificano forti legami idrogeno. Per quanto riguarda il debole legame idrogeno, è di decisiva importanza in tutti gli organismi viventi.

Il ruolo eccezionalmente importante dei legami idrogeno nei sistemi biologici è dovuto principalmente al fatto che determina la struttura secondaria delle proteine, che è di fondamentale importanza per tutti i processi vitali; con l'aiuto dei legami idrogeno, le coppie di basi vengono trattenute nelle molecole di DNA e viene assicurata la loro struttura stabile sotto forma di doppie eliche e, infine, i legami idrogeno sono responsabili delle proprietà molto insolite dell'acqua, importanti per l'esistenza di sistemi viventi.

L'acqua è uno dei componenti principali di tutti gli esseri viventi. I corpi degli animali sono costituiti per quasi due terzi da acqua. L'embrione umano contiene circa il 93% di acqua durante il primo mese. Non ci sarebbe acqua corrente. L'acqua funge da mezzo principale in cui si verificano le reazioni biochimiche nella cellula. Costituisce la parte liquida del sangue e della linfa. L'acqua è necessaria per la digestione, poiché la scomposizione di carboidrati, proteine ​​e grassi avviene con l'aggiunta di molecole d'acqua. L'acqua viene rilasciata nella cellula quando le proteine ​​vengono costruite a partire dagli amminoacidi. Fisiologico

Riso. 7. Struttura del ghiaccio. Ogni molecola d'acqua è collegata tramite legami idrogeno (tre punti) a quattro molecole d'acqua situate ai vertici del tetraedro.

Riso. 8. Legame idrogeno in un dimero e legame idrogeno “lineare”.

le proprietà dei biopolimeri e di molte strutture supramolecolari (in particolare le membrane cellulari) dipendono in modo molto significativo dalla loro interazione con l'acqua.

Consideriamo alcune proprietà dell'acqua. Ogni molecola d'acqua ha un grande momento elettrico. A causa dell'elevata elettronegatività degli atomi di ossigeno, una molecola d'acqua può formare legami idrogeno con una, due, tre o quattro altre molecole d'acqua. Il risultato sono dimeri relativamente stabili e altri complessi polimerici. In media, ogni molecola nell'acqua liquida ha quattro vicini. La composizione e la struttura dei complessi intermolecolari dipendono dalla temperatura dell'acqua.

L'acqua cristallina (ghiaccio) ha la struttura più ordinata a pressione normale e temperatura inferiore a zero gradi Celsius. I suoi cristalli hanno una struttura esagonale. La cella unitaria contiene quattro molecole d'acqua. La struttura cellulare è mostrata in Fig. 7. Attorno all'atomo centrale di ossigeno ci sono altri quattro atomi di ossigeno situati ai vertici di un tetraedro regolare a distanze di 2,76 A. Ogni molecola d'acqua è collegata alle sue vicine da quattro legami idrogeno. In questo caso, l’angolo tra i legami OH nella molecola si avvicina al valore “tetraedrico” di 109,1°. In una molecola libera è di circa 105°.

La struttura del ghiaccio ricorda quella del diamante. Tuttavia, nel diamante esistono forze chimiche tra gli atomi di carbonio. Un cristallo di diamante è una grande molecola. I cristalli di ghiaccio sono classificati come cristalli molecolari. Le molecole di un cristallo mantengono essenzialmente la loro individualità e si tengono insieme attraverso legami a idrogeno.

Riso. 9. Valore sperimentale dello spostamento della frequenza di vibrazione infrarossa nell'acqua durante la formazione di un legame idrogeno ad angolo.

Il reticolo del ghiaccio è molto sciolto e contiene molti “vuoti”, poiché il numero di molecole d’acqua più vicine per ciascuna molecola (numero di coordinazione) è solo quattro. Quando si scioglie, il reticolo del ghiaccio viene parzialmente distrutto, allo stesso tempo alcuni vuoti vengono riempiti e la densità dell'acqua diventa maggiore della densità del ghiaccio. Questa è una delle principali anomalie dell'acqua. Con un ulteriore riscaldamento a 4° C, il processo di compattazione continua. Quando riscaldato sopra i 4° C, l'ampiezza delle vibrazioni anarmoniche aumenta, il numero di molecole associate nei complessi (sciami) diminuisce e la densità dell'acqua diminuisce. Secondo stime approssimative, gli sciami a temperatura ambiente comprendono circa 240 molecole, a 37° C circa 150, a 45 e 100° C, rispettivamente 120 e 40.

Il contributo del legame idrogeno all'energia totale delle interazioni intermolecolari (11,6 kcal/mol) è di circa il 69%. A causa dei legami idrogeno, i punti di fusione (0° C) e di ebollizione (100° C) dell'acqua differiscono notevolmente dai punti di fusione e di ebollizione di altri liquidi molecolari, tra le cui molecole agiscono solo le forze di van der Waals. Ad esempio per il metano questi valori sono rispettivamente -186 e -161°C.

Nell'acqua liquida, insieme ai resti della struttura tetraedrica del ghiaccio, ci sono dimeri lineari e ciclici e altri complessi contenenti 3, 4, 5, 6 o più molecole. È importante che l'angolo P formato tra il legame OH e il legame idrogeno cambi a seconda del numero di molecole nel ciclo (Fig. 8). In un dimero questo angolo è 110°, in un anello a cinque membri è 10°, e in un anello a sei membri e con una struttura di ghiaccio esagonale è vicino a un proiettile (legame idrogeno “lineare”).

Si scopre che l'energia più alta di un legame idrogeno corrisponde all'angolo. L'energia di un legame idrogeno è proporzionale (regola di Badger-Bauer) allo spostamento della frequenza delle vibrazioni infrarosse di allungamento del gruppo OH in una molecola d'acqua rispetto a. la frequenza di vibrazione di una molecola libera. Lo spostamento massimo si osserva nel caso di un legame idrogeno “lineare”. In una molecola d'acqua in questo caso, la frequenza diminuisce di , e la frequenza diminuisce di . Nella fig. La Figura 9 mostra un grafico del rapporto di spostamento

frequenza all'offset massimo dall'angolo. Di conseguenza, questo grafico caratterizza anche la dipendenza dell'energia del legame idrogeno dall'angolo . Questa dipendenza è una manifestazione della natura cooperativa del legame idrogeno.

Sono stati fatti numerosi tentativi per calcolare teoricamente la struttura e le proprietà dell'acqua, tenendo conto dei legami idrogeno e di altre interazioni intermolecolari. Secondo la fisica statistica, le proprietà termodinamiche di un sistema di molecole interagenti situate nel volume V a pressione costante P in equilibrio statistico con un termostato sono determinate attraverso la funzione di partizione degli stati

Qui V è il volume del sistema; k - costante di Boltzmann; T - temperatura assoluta; significa che bisogna riportare tra parentesi graffe la traccia dell'operatore statistico, dove H è l'operatore quantistico dell'energia dell'intero sistema. Questo operatore è uguale alla somma degli operatori di energia cinetica dei movimenti traslazionali e rotazionali delle molecole e dell'operatore di energia potenziale dell'interazione di tutte le molecole.

Se sono note tutte le autofunzioni e l'intero spettro delle energie E dell'operatore H, allora la (6.2) assume la forma

Quindi l'energia libera di Gibbs G del sistema alla pressione P e alla temperatura T è determinata dalla semplice espressione

Conoscendo l'energia libera di Gibbs, troviamo il volume dell'entropia dell'energia totale.

Sfortunatamente, a causa della natura complessa delle interazioni tra le molecole nell'acqua (molecole di dipoli anisotropi, legami idrogeno che portano a complessi di composizione variabile, in cui l'energia dei legami idrogeno stessa dipende dalla composizione e dalla struttura del complesso, ecc.), noi non è possibile scrivere esplicitamente l'operatore H. Dobbiamo quindi ricorrere a semplificazioni molto ampie. Pertanto, Nameti e Scheraga hanno calcolato la funzione di partizione basandosi sul fatto che si possono prendere in considerazione solo cinque stati energetici delle molecole nei complessi, secondo

con il numero di legami idrogeno che formano (0, 1, 2, 3, 4) con le molecole vicine. Usando questo modello, sono riusciti anche a dimostrare che la densità dell'acqua è massima a 4° C. Tuttavia, in seguito gli stessi autori hanno criticato la teoria da loro sviluppata, poiché non descriveva molti fatti sperimentali. Altri tentativi di calcoli teorici della struttura dell'acqua si trovano nella revisione di Ben-Naim e Stillinger.

A causa della natura dipolare delle molecole d'acqua e dell'importante ruolo dei legami idrogeno, anche le interazioni delle molecole d'acqua con ioni e molecole neutre negli organismi viventi svolgono un ruolo estremamente importante. Le interazioni che portano all'idratazione degli ioni e un tipo speciale di interazione chiamata idrofobica e idrofila saranno discussi nelle sezioni seguenti di questo capitolo."

Parlando del ruolo dell'acqua nei fenomeni biologici, va notato che tutti gli organismi viventi si sono adattati con successo a una certa quantità di legami idrogeno tra le molecole. Ciò è dimostrato dal fatto che la sostituzione delle molecole di acqua pesante ha un effetto molto significativo sui sistemi biologici. La solubilità delle molecole polari diminuisce, la velocità di passaggio dell'impulso nervoso diminuisce, il lavoro degli enzimi viene interrotto, la crescita di batteri e funghi rallenta, ecc. Forse tutti questi fenomeni sono dovuti al fatto che l'interazione dell'idrogeno tra le molecole è più forte dell'interazione tra le molecole dell'acqua pesante, è indicata dal suo punto di fusione estremamente elevato (3,8°C) e dall'elevato calore di fusione (1,51 kcal/mol). Per l'acqua normale, il calore di fusione è 1,43 kcal/mol.

L'elettronegatività è la capacità degli atomi di spostare gli elettroni nella loro direzione quando formano un legame chimico. Questo concetto fu introdotto dal chimico americano L. Pauling (1932). L'elettronegatività caratterizza la capacità di un atomo di un dato elemento di attrarre una coppia di elettroni comune in una molecola. I valori di elettronegatività determinati con vari metodi differiscono l'uno dall'altro. Nella pratica educativa, molto spesso utilizzano valori relativi piuttosto che assoluti di elettronegatività. La più comune è una scala in cui l'elettronegatività di tutti gli elementi viene confrontata con l'elettronegatività del litio, considerato come uno.

Tra gli elementi dei gruppi IA - VIIA:

l'elettronegatività, di regola, aumenta nei periodi (“da sinistra a destra”) con l'aumentare del numero atomico e diminuisce nei gruppi (“dall'alto verso il basso”).

Gli elementi con elevata elettronegatività, i cui atomi hanno un'elevata affinità elettronica e un'elevata energia di ionizzazione, cioè inclini all'aggiunta di un elettrone o allo spostamento di una coppia di elettroni di legame nella loro direzione, sono chiamati non metalli.

I metalli comprendono la maggior parte degli elementi della tavola periodica.

I metalli sono caratterizzati da bassa elettronegatività, cioè bassa energia di ionizzazione e bassa affinità elettronica. Gli atomi metallici donano elettroni ad atomi non metallici o mescolano coppie di elettroni di legame da se stessi. I metalli hanno una lucentezza caratteristica, un'elevata conduttività elettrica e una buona conduttività termica. Sono per lo più durevoli e malleabili.

I metalli includono tutti gli elementi d e f. Se dalla tavola periodica selezioni mentalmente solo i blocchi di elementi s e p, cioè gli elementi del gruppo A, e disegni una diagonale dall'angolo in alto a sinistra all'angolo in basso a destra, si scopre che si trovano elementi non metallici sul lato destro di questa diagonale e quelli metallici - a sinistra. Adiacenti alla diagonale ci sono elementi che non possono essere classificati in modo inequivocabile né come metalli né come non metalli. Questi elementi intermedi includono: boro, silicio, germanio, arsenico, antimonio, selenio, polonio e astato.

Le idee sui legami covalenti e ionici hanno svolto un ruolo importante nello sviluppo di idee sulla struttura della materia, tuttavia, la creazione di nuovi metodi fisici e chimici per studiare la struttura fine della materia e il loro utilizzo ha dimostrato che il fenomeno del legame chimico è molto più complesso. Attualmente si ritiene che qualsiasi legame eteroatomico sia sia covalente che ionico, ma in proporzioni diverse. Pertanto, viene introdotto il concetto di componenti covalenti e ionici di un legame eteroatomico. Maggiore è la differenza di elettronegatività degli atomi di legame, maggiore è la polarità del legame. Quando la differenza è superiore a due unità, la componente ionica è quasi sempre predominante. Confrontiamo due ossidi: ossido di sodio Na 2 O e ossido di cloro (VII) Cl 2 O 7. Nell'ossido di sodio, la carica parziale sull'atomo di ossigeno è -0,81 e nell'ossido di cloro -0,02. Ciò significa effettivamente che il legame Na-O è per l'81% ionico e per il 19% covalente. La componente ionica del legame Cl-O è solo del 2%.

Elenco della letteratura usata

1. Popkov V.A., Puzakov S. A. Chimica generale: libro di testo. - M.: GEOTAR-Media, 2010. - 976 pagine: ISBN 978-5-9704-1570-2. [Con. 35-37]
2. Volkov, A.I., Zharsky, I.M. Grande libro di consultazione chimica / A.I. Volkov, I.M. Zharsky. - Mn.: Modern School, 2005. - 608 con ISBN 985-6751-04-7.

Lezione per gli insegnanti

Un legame chimico (di seguito denominato legame) può essere definito come l'interazione di due o più atomi, a seguito della quale si forma un microsistema poliatomico chimicamente stabile (molecola, cristallo, complesso, ecc.).

La dottrina del legame occupa un posto centrale nella chimica moderna, poiché la chimica vera e propria inizia dove finisce l'atomo isolato e inizia la molecola. In sostanza, tutte le proprietà delle sostanze sono determinate dalle caratteristiche dei legami in esse contenuti. La principale differenza tra un legame chimico e altri tipi di interazioni tra atomi è che la sua formazione è determinata da un cambiamento nello stato degli elettroni nella molecola rispetto agli atomi originali.

La teoria della comunicazione dovrebbe fornire risposte a una serie di domande. Perché si formano le molecole? Perché alcuni atomi interagiscono mentre altri no? Perché gli atomi si combinano in determinati rapporti? Perché gli atomi sono disposti in un certo modo nello spazio? Infine, è necessario calcolare l'energia del legame, la sua lunghezza e altre caratteristiche quantitative. La corrispondenza dei concetti teorici ai dati sperimentali dovrebbe essere considerata un criterio per la verità della teoria.

Esistono due metodi principali per descrivere la comunicazione che consentono di rispondere alle domande poste. Questi sono i metodi dei legami di valenza (BC) e degli orbitali molecolari (MO). Il primo è più visivo e semplice. Il secondo è più rigoroso e universale. Per una maggiore chiarezza, qui l'attenzione sarà focalizzata sul metodo BC.

La meccanica quantistica ci consente di descrivere la connessione sulla base delle leggi più generali. Sebbene esistano cinque tipi di legami (legami covalenti, ionici, metallici, idrogeno e di interazione intermolecolare), il legame è di natura uniforme e le differenze tra i suoi tipi sono relative. L'essenza della comunicazione sta nell'interazione di Coulomb, nell'unità degli opposti: attrazione e repulsione. La divisione della comunicazione in tipi e la differenza nei metodi per descriverla non indicano la diversità della comunicazione, ma piuttosto la mancanza di conoscenza al riguardo nell'attuale fase di sviluppo della scienza.

Questa conferenza tratterà argomenti come l'energia del legame chimico, il modello quantomeccanico dei legami covalenti, i meccanismi di scambio e donatore-accettore della formazione del legame covalente, l'eccitazione atomica, la molteplicità dei legami, l'ibridazione degli orbitali atomici, l'elettronegatività degli elementi e la polarità del legame covalente, il concetto del metodo orbitale molecolare, legame chimico nei cristalli.

Energia del legame chimico

Secondo il principio di minima energia, l’energia interna di una molecola dovrebbe diminuire rispetto alla somma delle energie interne degli atomi che la compongono. L'energia interna di una molecola comprende la somma delle energie di interazione di ciascun elettrone con ciascun nucleo, di ciascun elettrone con ciascun altro elettrone e di ciascun nucleo con ciascun altro nucleo. L’attrazione deve prevalere sulla repulsione.

La caratteristica più importante di un legame è l’energia, che ne determina la forza. Una misura della forza di un legame può essere sia la quantità di energia spesa per romperlo (energia di dissociazione del legame) sia il valore che, sommato su tutti i legami, fornisce l'energia di formazione di una molecola da atomi elementari. L’energia della rottura di un legame è sempre positiva. L'energia della formazione del legame è la stessa in grandezza, ma ha un segno negativo.

Per una molecola biatomica, l'energia di legame è numericamente uguale all'energia di dissociazione della molecola in atomi e all'energia di formazione della molecola dagli atomi. Ad esempio, l'energia di legame in una molecola di HBr è uguale alla quantità di energia rilasciata nel processo H + Br = HBr. È ovvio che l'energia di legame dell'HBr è maggiore della quantità di energia rilasciata durante la formazione dell'HBr dall'idrogeno molecolare gassoso e dal bromo liquido:

1/2H 2 (g.) + 1/2Br 2 (l.) = HBr (g.),

dal valore energetico di evaporazione di 1/2 mol Br 2 e dal valore energetico di decomposizione di 1/2 mol H 2 e 1/2 mol Br 2 in atomi liberi.

Modello quantomeccanico del legame covalente utilizzando il metodo del legame di valenza utilizzando l'esempio di una molecola di idrogeno

Nel 1927, l'equazione di Schrödinger fu risolta per la molecola di idrogeno dai fisici tedeschi W. Heitler e F. London. Questo è stato il primo tentativo riuscito di applicare la meccanica quantistica per risolvere problemi di comunicazione. Il loro lavoro ha gettato le basi per il metodo dei legami di valenza, o schemi di valenza (VS).

I risultati del calcolo possono essere presentati graficamente sotto forma di dipendenze delle forze di interazione tra atomi (Fig. 1, a) e dell'energia del sistema (Fig. 1, b) dalla distanza tra i nuclei degli atomi di idrogeno. Collocheremo il nucleo di uno degli atomi di idrogeno all'origine delle coordinate, e il nucleo del secondo sarà avvicinato al nucleo del primo atomo di idrogeno lungo l'asse delle ascisse. Se gli spin degli elettroni sono antiparalleli, le forze attrattive (vedi Fig. 1, a, curva I) e le forze repulsive (curva II) aumenteranno. La risultante di queste forze è rappresentata dalla curva III. Inizialmente prevalgono le forze di attrazione, poi le forze di repulsione. Quando la distanza tra i nuclei diventa pari a r 0 = 0,074 nm, la forza attrattiva è bilanciata dalla forza repulsiva. L'equilibrio delle forze corrisponde all'energia minima del sistema (vedi Fig. 1, b, curva IV) e, quindi, allo stato più stabile. La profondità del “pozzo potenziale” rappresenta l'energia di legame E 0 H–H nella molecola H 2 allo zero assoluto. È 458 kJ/mol. Tuttavia, a temperature reali, la rottura del legame richiede un’energia leggermente inferiore EH–H, che a 298 K (25 °C) è pari a 435 kJ/mol. La differenza tra queste energie nella molecola H2 è l’energia delle vibrazioni degli atomi di idrogeno (E coll = E 0 H–H – E H–H = 458 – 435 = 23 kJ/mol).

Riso. 1. Dipendenza delle forze di interazione tra gli atomi (a) e l'energia del sistema (b)
sulla distanza tra i nuclei degli atomi nella molecola H 2

Quando due atomi di idrogeno contenenti elettroni con spin paralleli si avvicinano l'uno all'altro, l'energia del sistema aumenta costantemente (vedi Fig. 1, b, curva V) e non si forma un legame.

Pertanto, il calcolo quantomeccanico ha fornito una spiegazione quantitativa della connessione. Se una coppia di elettroni ha spin opposti, gli elettroni si muovono nel campo di entrambi i nuclei. Tra i nuclei appare un'area con un'alta densità di nuvola di elettroni - un eccesso di carica negativa che attrae i nuclei carichi positivamente. Dal calcolo quantomeccanico seguono le disposizioni che sono alla base del metodo BC:

1. Il motivo della connessione è l'interazione elettrostatica di nuclei ed elettroni.
2. Il legame è formato da una coppia di elettroni con spin antiparalleli.
3. La saturazione del legame è dovuta alla formazione di coppie di elettroni.
4. La forza della connessione è proporzionale al grado di sovrapposizione delle nuvole elettroniche.
5. La direzionalità della connessione è dovuta alla sovrapposizione delle nubi elettroniche nella regione di massima densità elettronica.

Meccanismo di scambio della formazione del legame covalente utilizzando il metodo BC. Direzionalità e saturazione dei legami covalenti

Uno dei concetti più importanti del metodo BC è la valenza. Il valore numerico della valenza nel metodo BC è determinato dal numero di legami covalenti che un atomo forma con altri atomi.

Il meccanismo considerato per la molecola di H2 per la formazione di un legame da parte di una coppia di elettroni con spin antiparalleli, che appartenevano a atomi diversi prima della formazione del legame, è chiamato scambio. Se si tiene conto solo del meccanismo di scambio, la valenza di un atomo è determinata dal numero dei suoi elettroni spaiati.

Per le molecole più complesse di H2 i principi di calcolo rimangono invariati. La formazione di un legame è causata dall'interazione di una coppia di elettroni con spin opposti, ma con funzioni d'onda dello stesso segno, che si sommano. Il risultato di ciò è un aumento della densità elettronica nella regione delle nuvole elettroniche sovrapposte e una contrazione dei nuclei. Diamo un'occhiata agli esempi.

Nella molecola di fluoro, il legame F2 è formato da orbitali 2p di atomi di fluoro:

La densità più alta della nuvola elettronica è vicino all'orbitale 2p nella direzione dell'asse di simmetria. Se gli elettroni spaiati degli atomi di fluoro si trovano negli orbitali 2p x, il legame avviene nella direzione dell'asse x (Fig. 2). Gli orbitali 2p y e 2p z contengono coppie solitarie di elettroni che non sono coinvolti nella formazione di legami (ombreggiati in Fig. 2). In quanto segue non descriveremo tali orbitali.

Riso. 2. Formazione della molecola F 2

Nella molecola di acido fluoridrico HF, il legame è formato dall'orbitale 1s dell'atomo di idrogeno e dall'orbitale 2p x dell'atomo di fluoro:

La direzione del legame in questa molecola è determinata dall'orientamento dell'orbitale 2px dell'atomo di fluoro (Fig. 3). La sovrapposizione avviene nella direzione dell'asse di simmetria x. Qualsiasi altra opzione di sovrapposizione è energeticamente meno favorevole.

Riso. 3. Formazione della molecola HF

Gli orbitali d e f più complessi sono anche caratterizzati dalle direzioni di massima densità elettronica lungo i loro assi di simmetria.

Pertanto, la direzionalità è una delle proprietà principali di un legame covalente.

La direzione del legame è ben illustrata dall'esempio della molecola di idrogeno solforato H 2 S:

Poiché gli assi di simmetria degli orbitali di valenza 3p dell'atomo di zolfo sono mutuamente perpendicolari, ci si dovrebbe aspettare che la molecola di H 2 S abbia una struttura angolare con un angolo tra i legami S–H di 90° (Fig. 4). Infatti l'angolo si avvicina a quello calcolato ed è pari a 92°.

Riso. 4. Formazione della molecola H 2 S

Ovviamente, il numero di legami covalenti non può superare il numero di coppie di elettroni che formano i legami. Tuttavia, la saturazione come proprietà di un legame covalente significa anche che se un atomo ha un certo numero di elettroni spaiati, tutti devono partecipare alla formazione di legami covalenti.

Questa proprietà è spiegata dal principio di minima energia. Con ogni ulteriore legame formato, viene rilasciata ulteriore energia. Pertanto, tutte le possibilità di valenza sono pienamente realizzate.

Infatti, la molecola stabile è H 2 S, non HS, dove esiste un legame non realizzato (l'elettrone spaiato è indicato da un punto). Le particelle contenenti elettroni spaiati sono chiamate radicali liberi. Sono estremamente reattivi e reagiscono per formare composti contenenti legami saturi.

Eccitazione degli atomi

Consideriamo le possibilità di valenza secondo il meccanismo di scambio di alcuni elementi del 2° e 3° periodo della tavola periodica.

L'atomo di berillio al livello quantico esterno contiene due elettroni 2s accoppiati. Non ci sono elettroni spaiati, quindi il berillio deve avere valenza zero. Tuttavia, nei composti è bivalente. Ciò può essere spiegato dall'eccitazione dell'atomo, che consiste nella transizione di uno dei due elettroni 2s al sottolivello 2p:

In questo caso viene spesa l'energia di eccitazione E*, corrispondente alla differenza tra le energie dei sottolivelli 2p e 2s.

Quando un atomo di boro è eccitato, la sua valenza aumenta da 1 a 3:

e l'atomo di carbonio ha da 2 a 4:

A prima vista può sembrare che l'eccitazione contraddica il principio di minima energia. Tuttavia, come risultato dell'eccitazione, nascono nuove connessioni aggiuntive, grazie alle quali viene rilasciata energia. Se questa energia aggiuntiva rilasciata è maggiore di quella spesa per l'eccitazione, il principio della minima energia è in definitiva soddisfatto. Ad esempio, in una molecola di metano CH4, l’energia media del legame C–H è 413 kJ/mol. L'energia spesa per l'eccitazione è E* = 402 kJ/mol. Il guadagno energetico dovuto alla formazione di due ulteriori legami sarà:

D E = E luce aggiuntiva – E* = 2.413 – 402 = 424 kJ/mol.

Se non viene rispettato il principio di minima energia, cioè E add.st.< Е*, то возбуждение не происходит. Так, энергетически невыгодным оказывается возбуждение атомов элементов 2-го периода за счет перехода электронов со второго на третий квантовый уровень.

Per questo motivo, ad esempio, l’ossigeno è solo bivalente. Tuttavia, l'analogo elettronico dell'ossigeno - lo zolfo - ha maggiori capacità di valenza, poiché il terzo livello quantico ha un sottolivello 3d e la differenza di energia tra i sottolivelli 3s, 3p e 3d è incomparabilmente inferiore rispetto a quella tra il secondo e il terzo livello quantico del livello quantico. atomo di ossigeno:

Per lo stesso motivo, gli elementi del 3° periodo - fosforo e cloro - mostrano una valenza variabile, in contrasto con i loro analoghi elettronici del 2° periodo - azoto e fluoro. L'eccitazione al sottolivello corrispondente può spiegare la formazione di composti chimici degli elementi del gruppo VIIIa del 3° periodo e dei periodi successivi. Nessun composto chimico è stato trovato nell'elio e nel neon (1° e 2° periodo), che hanno un livello quantico esterno completo, e sono gli unici gas veramente inerti.

Meccanismo donatore-accettore di formazione del legame covalente

Una coppia di elettroni con spin antiparalleli che formano un legame può essere ottenuta non solo mediante il meccanismo di scambio, che prevede la partecipazione di elettroni di entrambi gli atomi, ma anche mediante un altro meccanismo, chiamato donatore-accettore: un atomo (donatore) fornisce una coppia solitaria di elettroni per la formazione del legame, e l’altra (accettore) – cella quantistica vacante:

Il risultato per entrambi i meccanismi è lo stesso. Spesso la formazione del legame può essere spiegata da entrambi i meccanismi. Ad esempio, una molecola HF può essere ottenuta non solo in fase gassosa da atomi secondo il meccanismo di scambio, come mostrato sopra (vedi Fig. 3), ma anche in una soluzione acquosa da ioni H + e F – secondo il donatore -meccanismo di accettazione:

Non c'è dubbio che le molecole prodotte da meccanismi diversi siano indistinguibili; i collegamenti sono del tutto equivalenti. Pertanto, è più corretto non distinguere l'interazione donatore-accettore come un tipo speciale di legame, ma considerarla solo un meccanismo speciale per la formazione di un legame covalente.

Quando si vuole sottolineare il meccanismo di formazione del legame proprio secondo il meccanismo donatore-accettore, nelle formule strutturali è indicato con una freccia dal donatore all'accettore (D® UN). In altri casi tale collegamento non è isolato ed è indicato da un trattino, come nel meccanismo di scambio: D–A.

Legami nello ione ammonio formati dalla reazione: NH 3 + H + = NH 4 +,

sono espressi dal seguente schema:

La formula strutturale di NH 4 + può essere rappresentata come

.

La seconda forma di notazione è preferibile poiché riflette l'equivalenza stabilita sperimentalmente di tutte e quattro le connessioni.

La formazione di un legame chimico mediante il meccanismo donatore-accettore espande le capacità di valenza degli atomi: la valenza è determinata non solo dal numero di elettroni spaiati, ma anche dal numero di coppie di elettroni solitari e di cellule quantiche vacanti coinvolte nella formazione di legami . Quindi, nell'esempio fornito, la valenza dell'azoto è quattro.

Il meccanismo donatore-accettore viene utilizzato con successo per descrivere il legame in composti complessi utilizzando il metodo BC.

Molteplicità della comunicazione. sabbia p -Connessioni

La connessione tra due atomi può essere effettuata non solo da una, ma anche da diverse coppie di elettroni. È il numero di queste coppie di elettroni che determina la molteplicità nel metodo BC, una delle proprietà di un legame covalente. Ad esempio, nella molecola di etano C 2 H 6 il legame tra gli atomi di carbonio è singolo (singolo), nella molecola di etilene C 2 H 4 è doppio e nella molecola di acetilene C 2 H 2 è triplo. Alcune caratteristiche di queste molecole sono riportate in tabella. 1.

Tabella 1

Cambiamenti nei parametri di legame tra gli atomi di C in base alla sua molteplicità

All’aumentare della molteplicità del legame, come ci si aspetterebbe, la sua lunghezza diminuisce. La molteplicità dei legami aumenta in modo discreto, cioè di un numero intero di volte, quindi, se tutti i legami fossero uguali, anche l'energia aumenterebbe di un numero corrispondente di volte. Tuttavia, come si può vedere dalla tabella. 1, l'energia di legame aumenta meno rapidamente della molteplicità. Di conseguenza, le connessioni sono disuguali. Ciò può essere spiegato dalle differenze nei modi geometrici in cui gli orbitali si sovrappongono. Diamo un'occhiata a queste differenze.

Viene chiamato un legame formato dalla sovrapposizione di nuvole di elettroni lungo un asse che passa attraverso i nuclei degli atomi s-legame.

Se l'orbitale s è coinvolto nel legame, solo allora S - collegamento (Fig. 5, a, b, c). Da qui il nome, poiché la lettera greca s è sinonimo di quella latina s.

Quando gli orbitali p (Fig. 5, b, d, e) e gli orbitali d (Fig. 5, c, e, f) partecipano alla formazione di un legame, la sovrapposizione di tipo s avviene nella direzione della massima densità di nubi elettroniche, che è la più favorevole dal punto di vista energetico. Pertanto, quando si crea una connessione, questo metodo viene sempre implementato per primo. Pertanto, se la connessione è singola, questa è obbligatoria S - connessione, se multipla, allora una delle connessioni è certamente connessione s.

Riso. 5. Esempi di obbligazioni s

Tuttavia, da considerazioni geometriche è chiaro che tra due atomi ce ne può essere solo uno S -connessione. Nei legami multipli, il secondo e il terzo legame devono essere formati mediante un diverso metodo geometrico di sovrapposizione delle nuvole di elettroni.

Viene chiamato il legame formato dalla sovrapposizione di nubi di elettroni su entrambi i lati di un asse passante attraverso i nuclei degli atomi legame p. Esempi pag -i collegamenti sono mostrati in Fig. 6. Tale sovrapposizione è energeticamente meno favorevole di S -tipo. Viene effettuato dalle parti periferiche delle nubi elettroniche con densità elettronica inferiore. Aumentare la molteplicità della connessione significa la formazione P -obbligazioni che hanno energia inferiore rispetto a S - comunicazione. Questa è la ragione dell'aumento non lineare dell'energia legante rispetto all'aumento della molteplicità.

Riso. 6. Esempi di legami p

Consideriamo la formazione di legami nella molecola di N 2. Come è noto, l'azoto molecolare è chimicamente molto inerte. La ragione di ciò è la formazione di un triplo legame NєN molto forte:

Un diagramma della sovrapposizione delle nuvole di elettroni è mostrato in Fig. 7. Uno dei legami (2рх–2рх) è formato secondo il tipo s. Gli altri due (2рz–2рz, 2рy–2рy) sono di tipo p. Per non ingombrare la figura, l'immagine della sovrapposizione delle nuvole 2py è mostrata separatamente (Fig. 7, b). Per avere un quadro generale, Fig. 7, a e 7, b dovrebbero essere combinati.

A prima vista può sembrare così S -legame, limitando l'avvicinamento degli atomi, non consente la sovrapposizione degli orbitali P -tipo. Tuttavia, l'immagine dell'orbitale comprende solo una certa frazione (90%) della nuvola elettronica. La sovrapposizione avviene con una regione periferica situata all'esterno di tale immagine. Se immaginiamo orbitali che includono una grande frazione della nuvola di elettroni (ad esempio il 95%), la loro sovrapposizione diventa evidente (vedi linee tratteggiate in Fig. 7a).

Riso. 7. Formazione della molecola di N 2

Continua

V.I.Elfimov,
professore di Mosca
Università statale aperta

Funzione principale Le reti di telecomunicazioni (TCN) servono a garantire lo scambio di informazioni tra tutti i sistemi di abbonati di una rete informatica. Lo scambio avviene attraverso i canali di comunicazione, che costituiscono uno dei componenti principali delle reti di telecomunicazioni.

Un canale di comunicazione è una combinazione di un mezzo fisico (linea di comunicazione) e un'apparecchiatura di trasmissione dati (DTE) che trasmette segnali di informazione da un nodo di commutazione di rete a un altro o tra nodi commutazione e il sistema degli abbonati.

Così, il canale di comunicazione e la linea di comunicazione fisica non sono la stessa cosa. In generale, più canali logici possono essere organizzati sulla base di una linea di comunicazione mediante tempo, frequenza, fase e altri tipi di separazione.

Utilizzato nelle reti di computer reti di comunicazione telefoniche, telegrafiche, televisive e satellitari. Come linee di comunicazione vengono utilizzati canali via cavo (aereo), via cavo, radio delle comunicazioni terrestri e satellitari. La differenza tra loro è determinata dal mezzo di trasmissione dei dati. Il mezzo fisico di trasmissione dei dati può essere un cavo, così come l'atmosfera terrestre o lo spazio esterno attraverso il quale si propagano le onde elettromagnetiche.

Le reti di computer utilizzano reti di comunicazione telefonica, telegrafica, televisiva e satellitare. Come linee di comunicazione vengono utilizzati canali via cavo (aereo), via cavo, radio delle comunicazioni terrestri e satellitari. La differenza tra loro è determinata dal mezzo di trasmissione dei dati. Il mezzo fisico di trasmissione dei dati può essere un cavo, così come l'atmosfera terrestre o lo spazio esterno attraverso il quale si propagano le onde elettromagnetiche.

Linee di comunicazione cablate (aeree).- si tratta di cavi senza trecce isolanti o schermanti, posati tra i poli e sospesi in aria. Tradizionalmente vengono utilizzati per trasmettere segnali telefonici e telegrafici, ma in assenza di altre possibilità vengono utilizzati per trasmettere dati informatici. Le linee di comunicazione cablate sono caratterizzate da una larghezza di banda ridotta e da una bassa immunità al rumore, quindi vengono rapidamente sostituite da linee via cavo.

Linee via cavo includere un cavo costituito da conduttori con diversi strati di isolamento: elettrico, elettromagnetico, meccanico e connettori per il collegamento di varie apparecchiature ad esso. Le reti via cavo utilizzano principalmente tre tipi di cavo: un cavo basato su coppie intrecciate di fili di rame (si tratta di una coppia intrecciata in versione schermata, quando una coppia di fili di rame è avvolta in uno schermo isolante, e non schermata, quando non c'è isolante involucro), cavo coassiale (costituito da un nucleo interno in rame e una treccia, separato dal nucleo da uno strato isolante) e cavo in fibra ottica (costituito da fibre sottili - 5-60 micron, attraverso le quali si propagano i segnali luminosi).

Tra le linee di comunicazione via cavo Le guide luminose hanno le migliori prestazioni. I loro principali vantaggi: throughput elevato (fino a 10 Gbit/s e superiore), dovuto all'uso di onde elettromagnetiche nel campo ottico; insensibilità ai campi elettromagnetici esterni e assenza della propria radiazione elettromagnetica, bassa intensità di lavoro nella posa di un cavo ottico; sicurezza contro scintille, esplosioni e incendi; maggiore resistenza agli ambienti aggressivi; basso peso specifico (rapporto tra massa lineare e larghezza di banda); ampi ambiti di applicazione (creazione di autostrade di accesso pubblico, sistemi di comunicazione tra computer e periferiche di reti locali, nella tecnologia dei microprocessori, ecc.).

Svantaggi delle linee di comunicazione in fibra ottica: collegare ulteriori computer alla guida luminosa indebolisce notevolmente il segnale; i modem ad alta velocità necessari per le guide luminose sono ancora costosi; le guide luminose che collegano i computer devono essere dotate di convertitori di segnali elettrici alla luce e viceversa.

Canali radiofonici terrestri e satellitari si formano utilizzando un trasmettitore e un ricevitore di onde radio. Diversi tipi di canali radio differiscono nella gamma di frequenza utilizzata e nella gamma di trasmissione delle informazioni. I canali radio che operano nelle bande delle onde corte, medie e lunghe (HF, MF, DV) forniscono comunicazioni a lunga distanza, ma con una bassa velocità di trasferimento dati. Si tratta di canali radio che utilizzano la modulazione di ampiezza dei segnali. I canali che operano su onde ultracorte (VHF) sono più veloci e sono caratterizzati dalla modulazione di frequenza dei segnali. I canali ad altissima velocità sono quelli che operano nelle gamme di frequenza ultraelevata (microonde), ad es. oltre 4GHz. Nella gamma delle microonde, i segnali non vengono riflessi dalla ionosfera terrestre, quindi una comunicazione stabile richiede una visibilità diretta tra il trasmettitore e il ricevitore. Per questo motivo, i segnali a microonde vengono utilizzati nei canali satellitari o nei ripetitori radio, dove questa condizione è soddisfatta.

Caratteristiche delle linee di comunicazione. Le principali caratteristiche delle linee di comunicazione includono quanto segue: risposta in ampiezza-frequenza, larghezza di banda, attenuazione, rendimento, immunità al rumore, diafonia all'estremità vicina della linea, affidabilità della trasmissione dei dati, costo unitario.

Le caratteristiche di una linea di comunicazione vengono spesso determinate analizzando le sue risposte a determinate influenze di riferimento, che sono oscillazioni sinusoidali di varie frequenze, poiché si incontrano spesso nella tecnologia e possono essere utilizzate per rappresentare qualsiasi funzione del tempo. Il grado di distorsione dei segnali sinusoidali di una linea di comunicazione viene valutato utilizzando la risposta in ampiezza-frequenza, larghezza di banda e attenuazione ad una determinata frequenza.

Risposta in ampiezza-frequenza(Risposta in frequenza) fornisce il quadro più completo della linea di comunicazione mostra come l'ampiezza della sinusoide all'uscita della linea si attenua rispetto all'ampiezza al suo ingresso per tutte le possibili frequenze del segnale trasmesso (invece dell'ampiezza di); il segnale, viene spesso utilizzata la sua potenza). Di conseguenza, la risposta in frequenza consente di determinare la forma del segnale di uscita per qualsiasi segnale di ingresso. Tuttavia, è molto difficile ottenere la risposta in frequenza di una linea di comunicazione reale, quindi in pratica vengono utilizzate invece altre caratteristiche semplificate: larghezza di banda e attenuazione.

Larghezza di banda della comunicazione rappresenta un intervallo continuo di frequenze su cui il rapporto tra l'ampiezza del segnale di uscita e il segnale di ingresso supera un limite predeterminato (solitamente 0,5). Pertanto, la larghezza di banda determina l'intervallo di frequenze di un segnale sinusoidale al quale questo segnale viene trasmesso su una linea di comunicazione senza distorsioni significative. La larghezza di banda che influenza maggiormente la massima velocità possibile di trasmissione delle informazioni lungo una linea di comunicazione è la differenza tra le frequenze massima e minima del segnale sinusoidale in una determinata larghezza di banda. La larghezza di banda dipende dal tipo di linea e dalla sua lunghezza.

Dovrebbero essere fatte delle distinzioni tra larghezza di banda e l'ampiezza dello spettro dei segnali di informazione trasmessi. L'ampiezza dello spettro dei segnali trasmessi è la differenza tra le armoniche significative massime e minime del segnale, vale a dire quelle armoniche che danno il contributo principale al segnale risultante. Se armoniche significative del segnale rientrano nella banda passante della linea, tale segnale verrà trasmesso e ricevuto dal ricevitore senza distorsioni. Altrimenti il ​​segnale risulterà distorto, il ricevitore commetterà errori nel riconoscere le informazioni e, pertanto, le informazioni non potranno essere trasmesse con la larghezza di banda specificata.

Attenuazioneè una diminuzione relativa dell'ampiezza o della potenza di un segnale durante la trasmissione di un segnale di una determinata frequenza lungo una linea.

L'attenuazione A si misura in decibel (dB, dB) e si calcola con la formula:

A = 10 µlg(P uscita / P entrata)

dove P out, P in - potenza del segnale rispettivamente all'uscita e all'ingresso della linea.

Per una stima approssimativa distorsione dei segnali trasmessi lungo la linea, è sufficiente conoscere l'attenuazione dei segnali a frequenza fondamentale, cioè frequenza la cui armonica ha la maggiore ampiezza e potenza. Una stima più accurata è possibile se conosciamo l'attenuazione a più frequenze vicine a quella principale.

La velocità di trasmissione di una linea di comunicazione è la sua caratteristica che determina (come la larghezza di banda) la massima velocità di trasferimento dati possibile lungo la linea. Viene misurato in bit al secondo (bps), nonché in unità derivate (Kbps, Mbps, Gbps).

Larghezza di banda una linea di comunicazione dipende dalle sue caratteristiche (risposta in frequenza, larghezza di banda, attenuazione) e dallo spettro dei segnali trasmessi, che, a sua volta, dipende dal metodo di codifica fisica o lineare scelto (cioè dal metodo di rappresentazione dell'informazione discreta nella forma di segnali). Per un metodo di codifica, una linea può avere una capacità e per un altro un'altra.

Durante la codifica di solito viene utilizzata una modifica in alcuni parametri di un segnale periodico (ad esempio oscillazioni sinusoidali): frequenza, ampiezza e fase, sinusoidi o il segno del potenziale della sequenza di impulsi. Un segnale periodico i cui parametri cambiano è chiamato segnale portante o frequenza portante se come tale segnale viene utilizzata una sinusoide. Se la sinusoide ricevuta non cambia nessuno dei suoi parametri (ampiezza, frequenza o fase), non trasporta alcuna informazione.

Il numero di cambiamenti nel parametro informativo di un segnale portante periodico al secondo (per una sinusoide questo è il numero di cambiamenti di ampiezza, frequenza o fase) viene misurato in baud. Il ciclo operativo del trasmettitore è il periodo di tempo tra cambiamenti adiacenti nel segnale informativo.

Generalmente La capacità della linea in bit al secondo non corrisponde alla velocità di trasmissione. A seconda del metodo di codifica, può essere superiore, uguale o inferiore al numero di baud. Se, ad esempio, con questo metodo di codifica, un singolo valore di bit è rappresentato da un impulso di polarità positiva e un valore zero da un impulso di polarità negativa, allora quando si trasmettono bit che cambiano alternativamente (non ci sono serie di bit dello stesso nome), il segnale fisico cambia stato due volte durante la trasmissione di ciascun bit. Pertanto con questa codifica la capacità della linea è pari alla metà del numero di baud trasmessi lungo la linea.

Per la produttività La linea è influenzata non solo dalla codifica fisica, ma anche dalla cosiddetta codifica logica, che viene eseguita prima della codifica fisica e consiste nel sostituire la sequenza originale di bit di informazione con una nuova sequenza di bit che porta la stessa informazione, ma ha proprietà aggiuntive ( ad esempio, la capacità della parte ricevente di rilevare errori nei dati ricevuti o di garantire la riservatezza dei dati trasmessi crittografandoli). La codifica logica, di regola, è accompagnata dalla sostituzione della sequenza di bit originale con una sequenza più lunga, che influisce negativamente sul tempo di trasmissione delle informazioni utili.

C'è una certa connessione tra la capacità di una linea e la sua larghezza di banda. Con un metodo di codifica fisica fissa, la capacità della linea aumenta con l'aumentare della frequenza del segnale portante periodico, poiché questo aumento è accompagnato da un aumento delle informazioni trasmesse per unità di tempo. Ma all'aumentare della frequenza di questo segnale aumenta anche l'ampiezza del suo spettro, che viene trasmesso con distorsioni determinate dalla larghezza di banda della linea. Quanto maggiore è la discrepanza tra la larghezza di banda della linea e l'ampiezza dello spettro dei segnali di informazione trasmessi, tanto più i segnali sono soggetti a distorsioni e tanto più probabili sono gli errori nel riconoscimento delle informazioni da parte del ricevitore. Di conseguenza, la velocità di trasferimento delle informazioni risulta essere inferiore a quanto ci si potrebbe aspettare.

C=2F log 2 M, (4)

dove M è il numero di stati diversi del parametro informativo del segnale trasmesso.

La relazione di Nyquist, utilizzata anche per determinare il massimo rendimento possibile di una linea di comunicazione, non tiene esplicitamente conto della presenza di rumore sulla linea. Tuttavia, la sua influenza si riflette indirettamente nella scelta del numero di stati del segnale informativo. Ad esempio, per aumentare la velocità di trasmissione della linea, è possibile utilizzare non 2 o 4 livelli, ma 16 durante la codifica dei dati. Ma se l'ampiezza del rumore supera la differenza tra 16 livelli adiacenti, il ricevitore non sarà in grado di farlo riconoscere costantemente i dati trasmessi. Pertanto, il numero di possibili stati del segnale è effettivamente limitato dal rapporto tra potenza del segnale e rumore.

La formula di Nyquist determina il valore limite della capacità del canale nel caso in cui il numero di stati del segnale informativo sia già stato selezionato tenendo conto delle capacità del loro riconoscimento stabile da parte del ricevitore.

Immunità ai disturbi della linea di comunicazione- è la sua capacità di ridurre il livello di interferenza creata nell'ambiente esterno sui conduttori interni. Dipende dal tipo di supporto fisico utilizzato, nonché dall'apparecchiatura di linea che scherma e sopprime le interferenze. Le più resistenti al rumore e insensibili alle radiazioni elettromagnetiche esterne sono le linee in fibra ottica, le meno resistenti al rumore sono le linee radio e le linee via cavo occupano una posizione intermedia. La riduzione delle interferenze causate dalle radiazioni elettromagnetiche esterne si ottiene schermando e torcendo i conduttori.

Diafonia all'estremità vicina della linea: determina l'immunità al rumore del cavo rispetto alle fonti interne di interferenza. Solitamente vengono valutati in relazione ad un cavo formato da più doppini intrecciati, quando l'interferenza reciproca di un doppino rispetto all'altro può raggiungere valori significativi e creare interferenze interne commisurate al segnale utile.

Affidabilità della trasmissione dei dati(o tasso di errore di bit) caratterizza la probabilità di corruzione per ciascun bit di dati trasmesso. Le ragioni della distorsione dei segnali di informazione sono le interferenze sulla linea e la larghezza di banda limitata. Pertanto, l'aumento dell'affidabilità della trasmissione dei dati si ottiene aumentando il grado di immunità al rumore della linea, riducendo il livello di diafonia nel cavo e utilizzando più linee di comunicazione a banda larga.

Per le linee di comunicazione via cavo convenzionali senza ulteriori mezzi di protezione dagli errori, l'affidabilità della trasmissione dei dati è, di regola, 10 -4 -10 -6. Ciò significa che in media, su 10 4 o 10 6 bit trasmessi, il valore di un bit risulterà distorto.

Apparecchiature per linee di comunicazione(apparecchiature per la trasmissione dei dati - ATD) sono apparecchiature periferiche che collegano direttamente i computer alla linea di comunicazione. Fa parte della linea di comunicazione e solitamente opera a livello fisico, garantendo la trasmissione e la ricezione di un segnale della forma e potenza richieste. Esempi di ADF sono modem, adattatori, convertitori analogico-digitale e digitale-analogico.

L'ADF non include l'apparecchiatura terminale dati dell'utente (DTE), che genera dati per la trasmissione sulla linea di comunicazione ed è collegata direttamente all'ADF. Un DTE comprende, ad esempio, un router di rete locale. Si noti che la divisione delle apparecchiature nelle classi APD e DOD è piuttosto arbitraria.

Sulle linee di comunicazione su lunghe distanze vengono utilizzate apparecchiature intermedie, che risolvono due problemi principali: migliorare la qualità dei segnali di informazione (la loro forma, potenza, durata) e creare un canale composito permanente (canale end-to-end) per la comunicazione tra due abbonati alla rete. In un LCS, l'attrezzatura intermedia non viene utilizzata se la lunghezza del mezzo fisico (cavi, aria radio) è breve, in modo che i segnali da un adattatore di rete all'altro possano essere trasmessi senza ripristino intermedio dei loro parametri.

Le reti globali garantiscono una trasmissione di segnali di alta qualità su centinaia e migliaia di chilometri. Pertanto, gli amplificatori sono installati a determinate distanze. Per creare una linea end-to-end tra due abbonati, vengono utilizzati multiplexer, demultiplexer e switch.

L'attrezzatura intermedia del canale di comunicazione è trasparente per l'utente (non se ne accorge), sebbene in realtà formi una rete complessa, chiamata rete primaria, che funge da base per la costruzione di reti informatiche, telefoniche e di altro tipo.

Distinguere analogico E digitale linee di comunicazione, che utilizzano vari tipi di apparecchiature intermedie. Nelle linee analogiche, le apparecchiature intermedie sono progettate per amplificare i segnali analogici aventi un intervallo continuo di valori. Nei canali analogici ad alta velocità, viene implementata una tecnica di multiplexing di frequenza, quando diversi canali di abbonati analogici a bassa velocità vengono multiplexati in un canale ad alta velocità. Nei canali di comunicazione digitale, dove i segnali informativi rettangolari hanno un numero finito di stati, le apparecchiature intermedie migliorano la forma dei segnali e ripristinano il loro periodo di ripetizione. Fornisce la formazione di canali digitali ad alta velocità, lavorando secondo il principio del multiplexing temporale dei canali, quando a ciascun canale a bassa velocità viene assegnata una certa quota del tempo del canale ad alta velocità.

Quando si trasmettono dati informatici discreti su linee di comunicazione digitali, il protocollo del livello fisico è definito, poiché i parametri dei segnali di informazione trasmessi dalla linea sono standardizzati, ma quando si trasmettono su linee analogiche, non è definito, poiché i segnali di informazione hanno un carattere arbitrario forma e non ha nulla a che fare con il metodo di rappresentazione degli uno e degli zeri mediante apparecchiature di trasmissione dati, non esistono requisiti.

Hanno trovato applicazione nelle reti di comunicazione: Rif presse per il trasferimento delle informazioni :

Simplex, quando il trasmettitore e il ricevitore sono collegati da un canale di comunicazione, attraverso il quale le informazioni vengono trasmesse solo in una direzione (questo è tipico delle reti di comunicazione televisiva);

Half-duplex, quando due nodi di comunicazione sono collegati anche da un canale, attraverso il quale le informazioni vengono trasmesse alternativamente in una direzione e poi nella direzione opposta (questo è tipico dei sistemi di riferimento delle informazioni, di richiesta-risposta);

Duplex, quando due nodi di comunicazione sono collegati da due canali (un canale di comunicazione diretto e un canale inverso), attraverso i quali le informazioni vengono trasmesse simultaneamente in direzioni opposte. I canali duplex vengono utilizzati nei sistemi con feedback decisionale e informativo.

Canali di comunicazione commutati e dedicati. Nel TSS viene fatta una distinzione tra canali di comunicazione dedicati (non commutati) e quelli con commutazione per la durata della trasmissione delle informazioni su questi canali.

Quando si utilizzano canali di comunicazione dedicati, le apparecchiature ricetrasmittenti dei nodi di comunicazione sono costantemente collegate tra loro. Ciò garantisce un elevato grado di preparazione del sistema per la trasmissione delle informazioni, una migliore qualità della comunicazione e il supporto per un grande volume di traffico. A causa dei costi relativamente elevati di gestione delle reti con canali di comunicazione dedicati, la loro redditività viene raggiunta solo se i canali sono sufficientemente carichi.

Per i canali di comunicazione commutati, creati solo per la durata del trasferimento di una quantità fissa di informazioni, sono caratterizzati da elevata flessibilità e costi relativamente bassi (con un piccolo volume di traffico). Svantaggi di tali canali: perdita di tempo per la commutazione (per stabilire la comunicazione tra gli abbonati), possibilità di blocco a causa dell'occupazione di alcune sezioni della linea di comunicazione, minore qualità della comunicazione, costi elevati con un volume di traffico significativo.

Lunghezza collegamento - distanza internucleare. Quanto più breve è questa distanza, tanto più forte è il legame chimico. La lunghezza di un legame dipende dai raggi degli atomi che lo compongono: più piccoli sono gli atomi, più corto è il legame tra loro. Ad esempio, la lunghezza del legame H-O è inferiore alla lunghezza del legame H-N (a causa del minore scambio di atomi di ossigeno).

Un legame ionico è un caso estremo di legame covalente polare.

Collegamento in metallo.

Il prerequisito per la formazione di questo tipo di connessione è:

1) la presenza di un numero relativamente piccolo di elettroni ai livelli esterni degli atomi;

2) la presenza di vuoti (orbitali vacanti) sui livelli esterni degli atomi di metallo

3) energia di ionizzazione relativamente bassa.

Consideriamo come esempio la formazione di un legame metallico utilizzando il sodio. L'elettrone di valenza del sodio, che si trova nel sottolivello 3s, può muoversi con relativa facilità attraverso gli orbitali vuoti dello strato esterno: lungo 3p e 3d. Quando gli atomi si avvicinano a causa della formazione di un reticolo cristallino, gli orbitali di valenza degli atomi vicini si sovrappongono, grazie ai quali gli elettroni si muovono liberamente da un orbitale all'altro, stabilendo un legame tra TUTTI gli atomi del cristallo metallico.

Ai nodi del reticolo cristallino ci sono ioni e atomi metallici caricati positivamente, e tra loro ci sono elettroni che possono muoversi liberamente attraverso il reticolo cristallino. Questi elettroni diventano comuni a tutti gli atomi e ioni del metallo e sono chiamati "gas di elettroni". Viene chiamato il legame tra tutti gli ioni metallici caricati positivamente e gli elettroni liberi nel reticolo cristallino del metallo legame metallico.

La presenza di un legame metallico determina le proprietà fisiche dei metalli e delle leghe: durezza, conducibilità elettrica, conducibilità termica, malleabilità, duttilità, lucentezza metallica. Gli elettroni liberi possono trasportare calore ed elettricità, quindi sono la ragione delle principali proprietà fisiche che distinguono i metalli dai non metalli: elevata conduttività elettrica e termica.

Legame idrogeno.

Legame idrogeno si verifica tra molecole che contengono idrogeno e atomi con elevato EO (ossigeno, fluoro, azoto). I legami covalenti H-O, H-F, H-N sono altamente polari, per cui sull'atomo di idrogeno si accumula una carica positiva in eccesso e sui poli opposti una carica negativa in eccesso. Tra i poli di carica opposta si formano le forze di attrazione elettrostatica: i legami idrogeno.

I legami idrogeno possono essere intermolecolari o intramolecolari. L'energia di un legame idrogeno è circa dieci volte inferiore all'energia di un legame covalente convenzionale, ma tuttavia i legami idrogeno svolgono un ruolo importante in molti processi fisico-chimici e biologici. In particolare, le molecole di DNA sono doppie eliche in cui due catene di nucleotidi sono legate da legami idrogeno. I legami idrogeno intermolecolari tra le molecole di acqua e acido fluoridrico possono essere rappresentati (da punti) come segue:

Le sostanze con legami idrogeno hanno reticoli cristallini molecolari. La presenza di un legame idrogeno porta alla formazione di associati molecolari e, di conseguenza, ad un aumento dei punti di fusione e di ebollizione.

Oltre ai principali tipi di legami chimici elencati, esistono anche forze universali di interazione tra qualsiasi molecola che non portano alla rottura o alla formazione di nuovi legami chimici. Queste interazioni sono chiamate forze di van der Waals. Determinano l'attrazione reciproca delle molecole di una determinata sostanza (o di varie sostanze) negli stati di aggregazione liquida e solida.

Diversi tipi di legami chimici determinano l'esistenza di diversi tipi di reticoli cristallini (tabella).

Le sostanze costituite da molecole hanno struttura molecolare. Queste sostanze includono tutti i gas, i liquidi e i solidi con un reticolo cristallino molecolare, come lo iodio. I solidi con un reticolo atomico, ionico o metallico hanno struttura non molecolare, non hanno molecole.

Tavolo