Wiązania chemiczne w żywności

Zastanawialiście się kiedyś, jak to się dzieje, że żywność się nie rozpada? Nie mam tu na myśli kruchego ciastka, ale np. jabłko. Dlaczego pewne składniki trzymają się mocno i trzeba użyć sporej siły, by je podzielić, a inne nie? No właśnie, dzisiaj poopowiadam o wiązaniach chemicznych, ale najpierw zacznę od atomów. Czym jest atom? Ile ich jest? Jak jest zbudowany? Jakie wiązania chemiczne wyróżniamy? Gdzie je spotkamy? Czym jest energia wiązania i jakie ma znaczenie?

Jak zapewne dobrze Ci wiadomo, cały świat składa się z atomów. Jest on podstawową cząstką materii. Składa się z jądra, w którym znajdują się dodatnio naładowane protony i obojętne elektrycznie neutrony. Jądro otacza chmura ujemnie naładowanych elektronów. Jeśli co najmniej dwa atomy połączą się ze sobą (poprzez uwspólnienie elektronów – wiązanie kowalencyjne), utworzą molekułę. Te z kolei mogą tworzyć bardziej skomplikowane struktury, by w rezultacie powstało np. wspomniane na początku jabłko. Przy tym temacie pojawia się równocześnie pojęcie pierwiastka chemicznego, który składa się właśnie z identycznych atomów (posiadających taką samą liczbę protonów). Najbardziej znane, a jednocześnie niezbędne do życia, to tlen, azot, wodór czy węgiel. Do tej pory odkryto 118 różnych pierwiastków.

Źródło: Creative Commons Uznanie Autorstwa 3.0 Polska. http://www.edutab.pl/ukladokresowy/ (dostęp 23.10.2020r.).

Powróćmy jednak do elektronów, które znajdują się wokół jądra. Jedne z nich są zlokalizowane bliżej, zaś inne dalej i nie „trzymają się” go już tak silnie. Skoro nie są tak „przywiązane” do jądra, to są skore do „podróżowania” i z chęcią przyłączają się do innych atomów. A niektóre atomy są skłonne do przyjmowania gości, jak np. tlen (wiążę się to z tematem utleniania żywności) czy chlor. Powstaje pewne zaburzenie, ale dzięki niemu (w dużym skrócie) możliwe jest zachodzenie reakcji chemicznych.

Model budowy atomu (na przykładzie neonu).

Źródło: Strzałkowski, K. Kryształy, półprzewodniki, nanotechnologie. Instytut Fizyki UMK w Toruniu (dostęp 23.10.2020r.).

Ten „elektronowy głód” (jak nazywa to zjawisko świetny chemik Harold McGee) jest również podstawą wiązań chemicznych, które utrzymają razem pojedyncze atomy czy całe cząsteczki. W żywności mają znaczenie następujące rodzaje wiązań:

jonowe
kowalencyjne
wodorowe
van der Waalsa.

JUŻ JEST!

Wyjątkowy e-book z 20 przepisami na nietuzinkowe, autorskie dania: przystawki, zupy, dania główne i desery

ZASIĄDŹ DO UCZTY RAZEM Z NAMI

Wiązania jonowe

Wiązania jonowe tworzą się wtedy, gdy „elektronowy głód” jest tak wielki, że jeden atom przygarnia wszystkie elektrony innego atomu. Cząsteczki, które trzymają się dzięki wiązaniom jonowym nie rozpuszczają się tak zwyczajnie w wodzie, ale rozpadają na jony, czyli atomy obdarzone ładunkiem elektrycznym (dodatnim, gdy oddają elektrony, a ujemnym, gdy je przyjmują). Dobrym przykładem jest sól kuchenna, a dokładnie chlorek sodu. Sód oddaje swoje elektrony chlorowi, zatem pierwszy z nich pozostaje z ładunkiem dodatnim, zaś drugi – z ujemnym.

Wiązanie jonowe na przykładzie cząsteczki soli kuchennej, czyli chlorku sodu (NaCl).

Źródło: Encyclopædia Britannica. Ionic bond. https://www.britannica.com/science/ionic-bond (dostęp 22.10.2020r.).

Wiązania kowalencyjne

Wiązania kowalencyjne odpowiadają za powstawanie stabilnych cząsteczek. Kiedy spotykają się atomy o podobnym „elektronowym głodzie”, dzielą się nimi między sobą. Ich chmury elektronowe pokrywają się ze sobą tworząc trwałe struktury, do zerwania których potrzebna jest znaczna ilość energii (m.in. poprzez dostarczenie ciepła). Pierwiastkami podatnymi do tworzenia takich połączeń są, np. wodór, węgiel, tlen, azot czy siarka. Występują one w cząsteczce wody między tlenem a wodorem czy sacharozy (cukru) pomiędzy węglem, wodorem i tlenem.

Wiązanie kowalencyjne na przykładzie cząsteczki wody (H₂O).

Źródło: Encyclopædia Britannica. Ionic bond. https://www.britannica.com/science/covalent-bond (dostęp 22.10.2020r.).

Wiązania wodorowe

Wiązania wodorowe są słabsze i mniej stabilne od wiązań kowalencyjnych. Nie tworzą stricte cząsteczki, tylko połączenia między nimi lub atomami. Występują one wtedy, gdy pojawiają się dwa końce o przeciwnych ładunkach. A konkretnie: wodorem, który chętnie oddaje elektrony oraz atomem, który je przyjmuje. Tworzy się wówczas nierównowaga elektryczna pomiędzy nimi: elektrony znajdują się bliżej tego atomu, który z większą chęcią chce je przyjąć (ujemnie naładowany koniec). Dobrym przykładem jest cząsteczka wody (H₂O), w której elektrony lokują się bliżej tlenu (ujemny ładunek) niż wodoru (dodatni ładunek). Taka cząstka nazywana jest polarną – nie jest obojętna elektrycznie, a nastąpiło w niej rozdzielenie ładunku dodatniego i ujemnego.

Wiązanie wodorowe na przykładzie cząsteczki wody (‘hydrogen’ – wodór, ‘oxygen’ – tlen).

Źródło: Birkett, J. Chapter 3: Water and the Fitness of the Environment.
https://apbiologychapter3.weebly.com/hydrogen-bonds.html (dostęp 22.10.2020r.).

Jak widzisz na powyższym przykładzie, w danej cząsteczce czy związku mogą występować różne rodzaje wiązań chemicznych.

Wiązania van der Waalsa

Wiązania van der Waalsa są najsłabsze. Są rodzajem drgań występujących między cząsteczkami, nawet tymi niepolarnymi. Spotkamy je np. między cząstkami tłuszczu, dzięki czemu charakteryzują się gęstą konsystencją. Z uwagi na ich niewielką „moc”, łatwo oddziałują z innymi cząsteczkami.

Wiązanie van der Waalsa na przykładzie cząsteczki tłuszczu (tutaj nasyconego kwasu tłuszczowego).

Źródło: Fatty Acid Saturated Fat Van Der Waals Force And Unsaturated Compounds Transparent PNG. https://pnghut.com/png/M0AB5fv89y/fatty-acid-saturated-fat-van-der-waals-force-and-unsaturated-compounds-transparent-png# (dostęp 22.10.2020r.).

Energia wiązania chemicznego

Miarą siły i stabilności wiązań chemicznych jest energia wiązania, czyli ilość energii potrzebna do rozdzielenia atomów czy cząsteczek (zerwania wiązania między nimi), a w przypadku ich łączenia – wydzielana ilość energii. Zatem jeśli wartość ta jest wyższa, tym trudniej będzie takie cząstki rozdzielić, czyli stworzą trwalszą, stabilniejszą strukturę. Wartości te są charakterystyczne dla wiązań między konkretnymi atomami. Poniżej w tabeli możesz znaleźć zakresy wartości, w których się one mieszczą.

Wiązanie chemiczne	Energia wiązania [kJ/mol]
Jonowe	560 – 1 000
Kowalencyjne	60 – 600
Wodorowe	≤50
Van der Waalsa	0,08 – 4

Dzisiaj była mała powtórka z chemii, ale jest ona niezbędna w zrozumieniu pewnych zjawisk w kuchni. W następnym poście poopowiadam więcej o energii: jej źródłach i sposobach przenoszenia, bo w końcu gotowanie to nic innego jak transport energii ze źródła do żywności!

Podsumowanie:

Atom jest podstawową cząstką materii.
Składa się z jądra, w którym znajdują się protony i neutrony, oraz otaczającej go chmury elektronów.
Wiązanie chemiczne łączy pojedyncze atomy, bądź całe cząsteczki.
Wyróżniamy następujące rodzaje wiązań: jonowe, kowalencyjne, wodorowe i van der Waalsa.
Energia wiązania jest miarą siły i stabilności wiązań chemicznych. Jest to ilość energii potrzebna do rozdzielenia atomów lub cząsteczek, a w przypadku ich łączenia – wydzielana ilość energii.

Podobał Ci się mój artykuł?

Podziel się nim! 🤗

Literatura:

McGee, H. (2007). On food and cooking: the science and lore of the kitchen. Simon and Schuster.

https://abl.gtu.edu.tr/hebe/AblDrive/77281304/w/Storage/101_2011_1_471_77281304/Downloads/lecture-4.pdf

Artykuły powiązane:

Science of cheesecake

Cheesecake is popular all around the world. But ho...

Jarmark świąteczny we Frankfurcie

Czy warto odwiedzić jarmark świąteczny we Frankfur...

Chleb: składniki

Po ostatnim artykule już wiesz, jak przygotować za...