Chuyên đề hóa học của sự SỐNG chương trình dành cho học sinh khối chuyên sinh THPT

HỘI CÁC TRƯỜNG THPT CHUYÊN
VÙNG DUYÊN HẢI VÀ ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ

CHUYÊN ĐỀ

HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG
(THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA TẾ BÀO)

TÁC GIẢ: CAO XUÂN PHAN
TRƯỜNG THPT CHUYÊN BIÊN HỊA

Hà Nam, tháng 8 năm 2014

Chun đề HĨA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU
Trong hành trình phát triển của nền giáo dục Việt Nam, hệ thống các
trường THPT chuyên ngày càng khẳng định được vị thế quan trọng của mình
trong việc phát hiện, tuyển chọn và bồi dưỡng nhân tài, chắp cánh những ước
mơ bay cao, bay xa tới chân trời của tri thức và thành công. Đối với các trường
THPT chuyên, công tác học sinh giỏi luôn được đặt lên hàng đầu, là nhiệm vụ
trọng tâm của mỗi năm học.
Hội thảo khoa học các trường THPT chuyên Khu vực Duyên Hải và
Đồng bằng Bắc Bộ là một hoạt động bổ ích diễn ra vào tháng 11 thường niên.
Đây là dịp gặp gỡ, giao lưu, học hỏi, trao đổi kinh nghiệm giảng dạy, phát hiện,
tuyển chọn và bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tế giữa các
trường THPT chuyên trong khu vực. Nhiều năm qua, các đợt Hội thảo khoa học
bước đầu đã đem đến những hiệu ứng tốt, tác động không nhỏ đến công tác bồi

dưỡng học sinh giỏi và chất lượng đội tuyển học sinh giỏi quốc gia của các
trường Chuyên. Tuy nhiên cho đến nay, những câu hỏi như: Dạy cái gì ? Dạy
như thế nào vẫn còn đang chờ Trả lời .
Năm 2014 là năm thứ 7, Hội thảo khoa học của Hội các trường THPT
chuyên Khu vực Duyên hải và Đồng bằng Bắc Bộ được tổ chức tại trường
THPT chuyên VĨnh Phúc, tỉnh Vĩnh Phúc cho tất cả các mơn có học sinh dự thi
chọn HSG quốc gia, trong đó có môn Sinh học. Tại Hội thảo lần này, môn sinh
học với mong muốn làm nhiều hơn nữa nguồn tư liệu dạy và học cho học sinh
THPT chuyên với 2 chủ đề: Cân bằng nội mơi và hóa học của tế bào (hóa học
của sự sống), đây là 2 chuyên đề khơng mới nhưng thực sự khó đối với những
người làm công tác giảng dạy. Bởi lẽ đây là 2 chủ đề có tính xun suốt q
trình dạy sinh học ở nhà trường phổ thơng nói chung và trường THPT chun
nói riêng.
Với mong muốn được đi tìm Trả lời cho câu hỏi “Dạy cái gì?” Phần hóa
học của sự sớng; tơi mạnh dạn nghiên cứu, sưu tầm và soạn thảo chueyen đề
Hóa học của sự sống để đóng góp ý kiến của mình vào nội dung của Hội thảo.
Phần viết của tơi chắc chưa làm hài lịng các Thầy cơ giáo, và hy vọng
rằng nó sẽ được mang ra thảo luận trong Hội thảo để được sáng tỏ hơn.
Xin trân trọng cảm ơn tất cả những ý kiến đóng góp của các thầy, cơ!

Chun đề HĨA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


PHẦN THỨ 2: NỘI DUNG
MỤC TIÊU 1
1. Kiến thức
- Phân loại được các nguyên tố hóa học cấu tạo tế bào
- Nêu được vai trò và các nhận biết sự thiếu hụt một số nguyên tố hoá học cấu

tạo tế bào: N, P, K, Ca, Mo, Bo, Mn,Mg…
- Nêu được cấu trúc phân tử nước và nước và giải thích được các đặc tính lý hóa
của nước.
- Trình bày được cấu trúc các đại phân tử hữu cơ : Pr, L, G, Axit nucleic.
- Nhận biết và phân tích vai trị các loại liên kết hố học chủ yếu trong tế bào:
Liên kết hoá trị, liên kết hidro, liên kết pép tit, liên kết glucozit, Vandec van,
photpho dieste….
- Nhận biết các loại chất hoá học trong tế bào bằng các phản ứng đặc trưng.
- Trình bày được cấu trúc và chức năng của ATP. Giải thích được vì sao ATP là
đồng tiền năng lượng của tế bào.
- Nêu được khái niệm enzyme. Giải thích được cơ chế tác động của enzyme,
danh pháp quốc tế (cách gọi tên enzyme), cấu trúc enzyme, cơ chế hoạt động,
nhân tố ảnh hưởng, vai trò enzyme trong chuyển hóa vật chất của tế bào.
2. Kỹ năng
Có khả năng tự tiến hành làm một số thí nghiệm theo qui trình đã cho để tách
chiết, nhận biết một số hợp chất hữu cơ và một số nguyên tố hóa học của tế bào.
Ví dụ: Tách chiết ADN bằng phương pháp đơn giản, nhận biết đường đơn,
đường đa bằng các phản ứng hoá học đặc hiệu.
Rèn kỹ năng thực hành như pha chế hố chất, pha lỗng, sử dụng các dụng cụ
thí nghiệm hố sinh trong phịng thí nghiệm.

NỘI DUNG
A. NGUYÊN TỐ VÀ VẬT CHẤT
I.
VẬT CHẤT ĐƯỢC CẤU TẠO TỪ NGUN TỚ HOÁ HỌC
1. Ngun tố hóa học
1.1. Sơ lược cấu tạo nguyên tố hóa học
1

Trích Chuẩn kiến thức kỹ năng phần Sinh học tế bào cho học sinh chuyên Sinh học THPT

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


1.1.1. Cấu tạo chung về nguyên tố hóa học
Nguyên tố hóa học là tập hợp các nguyên tử có điện tích hạt nhân (Z) bằng nhau
và phân bố electron giống nhau ở các lớp và phân lớp(2).
Nguyên tử là đơn vị nhỏ nhất vẫn giữ được các đặc tính của nguyên tố hóa
học. Mỗi nguyên tử được cấu tạo bởi ba loại hạt cơ bản là neutron, proton và
electron

Hình 1: Mơ hình cấu trúc ngun
tử Heli

+ Hạt neutron trung tính về điện;
+ Hạt proton mang điện tích dương;
+ Hạt electron mang điện tích âm.
Các hạt proton và neutron là lõi của
nguyên tử, các hạt electron tạo ra các đám
mây bao quanh hạt nhân.
Các neutron và proton có khối lượng bằng
nhau (3). Khối lượng của electron bằng

a. Các electron (vùng mày xanh) giống như đám
mây điện tích âm
b. Các electron được mơ hình hóa bằng 2 hình cầu
nhỏ mang điện tích âm quay quanh hạt nhân.

1.1.2. Các đặc tính của nguyên tố hóa học phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử
của nó
Tất cả các ngun tử của 1 ngun tố thì có số hạt proton giống nhau. Trong
trường hợp 1 nguyên tử nào đó có số hạt neutron lớn hơn số hạt neutron của các
nguyên tử khác của cùng nguyên tố đó thì được gọi là các chất đồng vị của
ngun tố đó (4) . Trong tự nhiên các nguyên tố tồn tại dưới dạng hỗn hợp các
chất đồng vị của chúng. Ví dụ: nguyên tố Cacbon chất đồng vị phổ biến là 12C
(99%), 13C (gần 1%) còn lại là đồng vị phóng xạ 14C. Mặc dù chúng có khối
lượng hơi khác nhau nhưng chúng hoạt động như nhau trong các phản ứng hóa
học. 12C và 13C là các chất bền vững, 14C khơng bền vững nên có tính phóng xạ 5.
Nghiên cứu các chất đồng vị phóng xạ là 1 trong những phương pháp rất hữu

2

Từ điển bách khoa hóa học trẻ – NXB Mir Maxcova (1990) – Trang 240
Khối lượng hạt notron khoảng 1,7x10-24 gam gần bằng 1 dalton (Dalton là nhà khoa học Anh, Ông đã giúp phát triển
thuyết nguyên tử vào những năm 1800).
4()
Chất đồng vị là những chất có cùng vị trí trong Bảng tuần hồn nguyên tố hóa học nhưng chúng có số hạt neutron khác
nhau.
3

5()

Các ngun tố có ngun tử khơng bền vững tức là hạt nhân của chúng có xu hướng mất đi các hạt và
năng lượng thì được gọi là nguyên tố phóng xạ.
Chun đề HĨA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2

dụng trong nghiên cứu Sinh học phân tử và trong nghiên cứu con đường vận
chuyển các chất trong trao đổi chất 6
1.1.3. Năng lượng của electron và tính chất hóa học của nó
Các nguyên tử khi tương tác với nhau tạo thành nguyên tố, các hạt nhân của
chúng không đến được đủ gần để tương tác với nhau mà chỉ có hạt electron là có
thể tương tác được với nhau giữa các nguyên tử.
Các electron của nguyên tử có số năng lượng thay đổi (7), mỗi electron có có một
lượng năng lượng nhất định; thế năng của electron được xác định bởi mức năng
lượng của nó. Mức năng lượng của electron tương quan với khoảng cách trung bình
tính từ hạt nhân, các electron càng gần hạt nhân thì thì có thế năng càng nhỏ.
Các electron có khả năng hấp thụ thêm năng lượng, khi đó nó sẽ nhảy sang lớp
xa hạt nhân hơn và khi nó bị mất năng lượng thì nó lại trở về lớp gần hạt nhân hơn
khi đó năng lượng mất đi thường giải phóng vào mơi trường ở dạng nhiệt (8).
1.1.4. Sự phân bố electron và tính chất hóa học
Tính chất, mức đợ hoạt đợng hoá học của một nguyên tố phụ thuộc vào sự phân
bố của các lớp electron của nguyên tử, đặc biệt là lớp electron ngoài cùng (9). Các
electron ngoài cùng gọi là các electron hoá trị và lớp ngoài cùng là lớp electron
hoá trị.
Tính hoạt động hoá học của 1 nguyên tử có nguồn gốc từ sự có mặt của các
electron không có đôi ở một hoặc nhiều quĩ đạo của lớp electron.
1.2. Các nguyên tố quan trọng của sự sống
Có khoảng 25 trong tổng số 92 nguyên tố được biết là quan trọng đối với sự
sống. Trong đó 4 nguyên tố cácbon (C), hidro (H), oxy (O 2) và nitơ (N) chiêm
96% vật chất sống. Phốt pho (P), lưu huỳnh (S), canxi (Ca), kali (K) và các
nguyên tố khác chiếm 4% còn lại trọng lượng tế bào/cơ thể. Mỗi loại nguyên tố
chứa một hàm lượng nhất định và có chức năng khác nhau trong tế bào.

6()

Các nhà khoa học sử dụng các chất đồng vị phóng xạ để đánh dấu các hợp chất hóa học nhất định, tạo ra
các chất đánh dấu để có thể theo dõi q trình trao đổi chất hoặc định vị hợp chất trong cơ thể.
7()
Năng lượng là khả năng gây ra biến đổi ví dụ như sinh cơng...
8()
Ví dụ: ánh sáng mặt trời kích thích các electron trên bè mặt 1 tấm sắt lên mức năng lượng cao hơn. Khi
các electron quay lại mức năng lượng cũ, bề mặt của tấm sắt tỏa nhiệt. Năng lượng đó có thể truyền vào
khơng khí hoặc đến tay chúng ta nều chúng ta sờ vào nó.
9
Các nguyên tử có cùng số electron ở lớp ngoài cùng thì có cùng hoạt động hoá học . Các nguyên tử có lớp
electron hoá trị hoàn chỉnh (bão hoà) thì không sẵn sàng hoạt động hoá học với nguyên tử khác (Argon,
Heli, Neon…) và ngược lại.
Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Dựa vào hàm lượng của nó trong tế bào người ta chia làm 2 nhóm chính:
nhóm ngun tớ đa lượng và nhóm nguyên tố vi lượng.
1.2.1. Nguyên tố đa lượng
Hàm lượng các nguyên tố này lớn hơn 0,01% khối lượng khơ của tế bào.
Trong các ngun tố hố học có trong tế bào thì người ta mới chứng minh được
vai trò của hơn 20 nguyên tố. Các nguyên tố đa lượng thường gặp: C. H. O. N.
S. P. K. Na. Mg. Cl. Fe.
Lượng chứa các nguyên tố đa lượng có tới 99,95% chất sống của tế bào.
Các nguyên tố kết hợp với nhau tạo thành các hoá chất hữu cơ rất đa dạng.
1.2.2. Nguyên tố vi lượng
Nguyên tố hoá học mà hàm lượng của nó nhỏ hơn 0,01% khối lượng khô
của tế bào thì được gọi là nguyên tố vi lượng. Mặc dù hàm lượng rất nhỏ trong
tế bào nhưng các ngun tớ vi lượng lại có vai trị rất to lớn, ảnh hưởng trực tiếp

tới các hoạt động sinh lý của tế bào. Các nguyên tố vi lượng thường tham gia
vào cấu trúc các enzim xúc tác cho các phản ứng sinh hoá trong tế bào; các chất
điều tiết sinh trưởng (hoocmon); các chất bảo vệ cơ thể (kháng thể)....
1.2.3. Các dạng tồn tại của nguyên tố hoá học trong tế bào
Trong tế bào các nguyên tố hóa học tồn tại ở 2 dạng:
+ Dạng tự do (chủ yếu ở dạng ion hòa tan trong tế bào chất : Na+, K+, Cl-...
+ Dạng liên kết với các thành phần cấu tạo của tế bào: Liên kết bề mặt (bề mặt
các hạt keo hoặc bề mặt các tổ chức màng tế bào) hoặc liên kết chặt trong các hợp
chất hữu cơ: Mg++ trong Chlorophin, Fe trong Hemoglobin, Mo, Fe trong Enaim
Nitrogenaza, S trong axit amin, P trong Axit nucleic (ADN, ARN..)....
1.2.4. Vai trị của một số ngun tố hóa học với sự sống
Ion phổ
Nguyên
TT
biến trong
Vai trò sinh lý đối với tế bào và cơ thể
tố
tế bào
Tham gia cấu tạo bộ xương của cơ thể.
2+
1 Can xi
Ca
Ổn định cấu trúc màng tế bào
Tham gia vào quá trình co cơ và đơng máu.
2 Phốt pho H2PO4
Tham gia cấu tạo xương.
Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2

3
4
5

Kali
Natri
Clo

6

Lưu
huỳnh

7

Sắt

8

Hyđro

9

Oxy

10

iôt

11
12
13

Đồng
Mangan
Kẽm

14

Coban

15

Flo

Thành phần cấu tạo của nhiều phân tử hữu cơ
(axit nucleic, Protein phức tạp, ATP,
NADPH2....)
Cân bằng điện tích của các dịch lỏng trong cơ
thể. (điện hoá màng tế bào)

K+
Na+
Cl Nằm trong
Hình thành cầu nối đisulfit (- S- S -), có vai trị
các hợp
ổn định cấu trúc bậc của prơtein.
chất hữu cơ.
Thành phần của hemoglobin (Hb) và hệ thống

Fe2+ , Fe3+
enzim xitocrom.
Tồn tại
Tham gia cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ và
trong các
nước.
hợp chất
Tham gia cấu tạo nên các hợp chất hữu cơ và
nước.
Oxy nguyên tử tham gia oxy hoá các chất hữu
cơ giải phóng năng lượng cung cấp cho hoạt
động sống của tế bào.
-Thành phần tham gia vào cấu tạo nên hooc
Imơn tyrozin.
- Thiếu nó gây bệnh bướu cổ.
Cu 2+
Đây là các nguyên tố vết, thường là các
2+
côfactor tham gia cấu tạo enzim.
Mn
(ví dụ Cu2+ là cơfactor của xitocrom ôxydaza).
Zn2+
Tham gia cấu tạo vitamin B12. VTMB12 là
Co
coenzim của enzim sinh hồng cầu. Thiếu nó sẽ
gây bệnh thiếu máu ác tính.
Phối hợp với canxi tham gia cấu tạo răng và
F
xương.

2. Đơn chất và hợp chất hóa học
2.1. Đơn chất
Đơn chất là chất, kim loại hoặc á kim, với nhiều dấu hiệu vật lý và phản ứng
hóa học. Đơn chất được cấu tạo từ 1 loại nguyên tử hóa học. Ví dụ như Hidro
được cấu tạo từ 2 nguyên tử hidro, Oxy được cấu tạo từ 2 nguyên tử oxy.
2.2. Hợp chất
Là chất được cấu tạo từ hai hoặc nhiều nguyên tố kết hợp lại theo một tỷ lệ
nhất định. Ví dụ muối ăn (natri clorit - NaCl) là hợp chất được cấu tạo từ 1
nguyên tử natri và 1 nguyên tử clorine; nước (H 2O). là hợp chất được cấu tạo từ
1 nguyên tử Oxy và 2 nguyên tử Hidro.
Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Hình 2: Những đặc tính nởi trợi của hợp chất Natri kim loại kết hợp với
khí Clo (là 1 loại khí cực độc) tạo nên muối ăn (là một loại chất không độc)
Khi các nguyên tử kết hợp lại với nhau thành hợp chất thì tính chất hóa học
của đơn chất sẽ bị thay đổi. Ví dụ: Natri tinh khiết là 1 kim loại kiềm, Clo tinh
khiết là 1 loại khí cực độc còn NaCl lại là một loại muối ăn thông thường của
người và động vật.
3. CACBON – NGUYÊN TỐ TẠO NÊN BỘ XƯƠNG SỐNG CHO CÁC HỢP
CHẤT HỮU CƠ

3.1. Cấu tạo nguyên tố cacbon
Cacbon có vị trí ở ô thứ 6, nhóm IVA, chu kỳ 2 trong bảng tuần hoàn hóa học
Cấu hìnNatri
h electron của nguyên tử cacbon
p ngoà
i cùng có 4

Clo là: 1s2 2s2 2p2, lớNatri
clorit
electron, nên trong các hợp chất, nguyên tử cacbon có thể tạo được tối đa 4 liên
kết cộng hóa trị với các nguyên tử khác.
Các số oxy hóa của cacbon là - 4, 0, +2 và +4
3.2. Các nguyên tử cacbon có thể tạo ra nhiều loại phân tử bằng cách liên
kết với bốn nguyên tử khác
Chìa khoá mở ra các đặc tính hoá học của nguyên tử là cấu hình electron
của nó. Cấu hình electron xác định loại và số lượng liên kết mà nguyên tử đó sẽ
tạo ra với các nguyên tử khác.
Cacbon có cấu trình electron 1s2 2s2 2p2 , như vậy nó có thể cho hoặc nhận 4
electron để hoàn chỉnh lớp hoá trị của nó và trở thành ion. Trong thực tế, cacbon
thường hoàn chỉnh lớp hoá trị bằng cách góp chung 4 electron với các nguyên tử
khác trong các liên kết cộng hoá trị để có 8 electron.
Như vậy mối nguyên tử cacbon có thể hoạt động như điểm giao cắt để từ đó
phân tử có thể phân nhánh theo nhiều nhất là 4 hướng. Tính hoá trị 4 của nguyên
tử cacbon là một trong những linh hoạt của cacbon để tạo ra các đại phân tử,
phức tạp (Hình 3)

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Hình 3: Sơ đờ cấu trúc của 3 hợp chất cacbon đơn giản nhất
Cấu hình electron của cacbon cho phép nó tương hợp hoá trị với nhiều
nguyên tử khác. Trong số đó, nguyên tử C thích hợp nhất với các nguyên tử O,
H, N. Chúng ta hãy xem xét sự liên kết của C với các nguyên tử khác thông qua
2 ví dụ sau:
Ở cacbon dioxide (CO2), một nguyên tử C liên kết với 2 nguyên tử O bằng 2

liên kết đôi: O = C = O. Hai nối đôi tương ứng với bốn liên kết cộng hoá trị đơn.
Sự sắp xếp đó đã hoàn chỉnh lớp hoá trị của mọi nguyên tử trong phân tử.
Ở urê, CO (NH2)2, một ngun tử C tham gia vào liên Hình 4: Cơng thức cấu
tạo phân tử của Urê
kết cộng hoá trị đơn và đôi.
Urê và cacbon dioxide là những phân tử có 1 nguyên tử
C, trong tự nhiên nguyên tử C cũng có thể sử dụng một
hoặc nhiều electron hoá trị để tạo liên kết cộng hoá trị với
các nguyên tử C khác, kết nối các nguyên tử C lại với nhau
thành chuỗi đa dạng dường như không giới hạn.
3.3. Tính đa dạng của các hợp chất C bắt nguồn từ bộ khung xương C
Các chuỗi cacbon hình thành nên bộ xương hầu hết các phân tử hữu cơ. Những
bộ xương đó có độ dài khác nhau và có hình dạng khác nhau (thẳng, nhánh,
vòng, phức hợp, nối đơn, nối đôi…) Những biến dạng bợ khung xương cacbon

Chun đề HĨA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


là nguồn quan trọng tạo nên tính phức tạp và đa dạng, đặc trưng của vật chất
sớng (Hình 5)
B. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC PHÂN TỬ PHỤ THUỘC VÀO
LIÊN KẾT HOÁ HỌC

I. Liên kết hóa học
1. Khái niệm về liên kết hóa học
Liên kết hóa học là lực hấp dẫn giữa các nguyên tử với nhau. Sự kết tụ của
các ngun tử thành một khối có kích thước xác định được gọi là phân tử.
Các liên kết hóa học được phân loại dựa trên một số đặc tính như lực liên

kết, số liên kết, góc liên kết …(10)

a. Dạng mạch thẳng
chỉ có liên kết đơn

b. Dạng mạch thẳng
có liên kết đơi
10

Các liên kết hóa học được phân loại dựa trên một số đặc tính như:
+ Lực liên kết: Các liên kết mạnh hầu như không bao giờ tự đứt gãy trong điều kiện sinh lý cơ thể, vì vậy các nguyên tử được
tập hợp bởi các liên kết cộng hóa trị ln thuộc về cùng một phân tử. Các liên kết yếu thì dễ đứt gãy hơn nhiều và khi tồn
tại đơn lẻ, thời gian tồn tại của chúng thường rất ngắn. Nhưng, khi tập hợp lại theo một trật tự nhất định thì các liên kết yếu có
thể tồn tại lâu dài. Lực của một liên kết hóa học tương quan với "chiều dài" của chúng. Vì vậy, hai nguyên tử được giữ bởi
liên kết mạnh luôn gần nhau hơn hai nguyên tử cùng loại được giữ bởi liên kết yếu.
+ Số liên kết tối đa mà mỗi nguyên tử có thể tạo ra: Số liên kết cộng hóa trị tối đa mà một nguyên tử có thể có được gọi là hóa
trị của nguyên tử đó. Ví dụ: oxy có hóa trị 2, nghĩa là nó khơng bao giờ hình thành được nhiều hơn hai liên kết cộng hóa trị
+ Góc liên kết: đó là góc được hình thành giữa hai liên kết xuất phát từ cùng một nguyên tử. Góc liên kết giữa hai
liên kết cộng hóa trị đặc thù thường là ổn định. Ví dụ như khi nguyên tử cacbon có bốn liên kết cộng hóa trị đơn
(CH4), mỗi liên kết tạo thành một góc của khối tứ diện đều (góc liên kết ≈ 109o). Ngược lại, góc tạo thành giữa các liên
kết yếu thường không ổn định.
+ Mức quay tự do: Các liên kết cộng hóa trị đơn cho phép các nguyên tử quay tự do xung quanh nguyên tử liên kết, trong khi
các liên kết cộng hóa trị kép (liên kết đơi hoặc liên kết ba) thì cứng nhắc. Vì lý do này, nên các nhóm cacbonyl (C=O) và
imino (N=C) gắn kết với nhau qua liên kết peptide phải nằm trên cùng một "mặt phẳng tương đối". Các liên kết yếu hơn (như
liên kết ion) thì ngược lại khơng có hạn chế nào về việc định hướng tương đối giữa các nguyên tử.

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2

c. Dạng phân nhánh
Dạng mạch vòng
Hình 5: Các biến dạng của bợ khung cacbon
2. Liên kết hóa học trong các đại phân tử Sinh học
2.1. Liên kết cộng hóa trị
Là hai nguyên tử cùng chia sẻ 1 cặp electron 11. Ví dụ: sự chia sẻ của 2
electron trong 2 nguyên tử hidrogen dưới đây để tạo thành phân tử hidro.
Mỗi nguyên tử có thể chia sẻ được các electron hoá trị, có khả năng tạo số
liên kết tương ứng với số liên kết hoá trị mà nguyên tử đó có thể hình thành. Khi
liên kết hình thành, chúng bù thêm electron vào lớp hoá trị cho đầy đủ.

11

Sự chia sẻ các electron có thể được biểu diễn bàng nhiều cách khác nhau: dùng dấu chấm tượng trưng cho các electron ở lớp
ngoài cùng, cũng có thể dùng dấu (-) tượng trưng cho 1 cặp electron, hoặc biểu diễn dưới dạng cấu trúc khơng gian .

Chun đề HĨA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Hình 6: Sự hình thành liên kết cợng hoá trị trong phân tử Hidro
Khi 2 hay nhiều nguyên tử giống nhau liên kết với nhau tạo thành một phân
tử đơn chất của nguyên tử đó. Trường hợp 2 hay nhiều nguyên tử khác nhau liên
kết với nhau thì sẽ tạo nên 1 phân tử chất mới được gọi là hợp chất.
Khả năng hút electron của 1 loại nguyên tử nhất định được gọi là độ âm điện
của nó. Một nguyên tử có độ âm điện càng lớn thì nó càng kéo mạnh các
electron dùng chung về phía nó 12.

12

Trong các liên kết cộng hoá trị, 2 nguyên tử của cùng 1 nguyên tố có lực kéo các electron dùng chung là
ngang bằng nhau tạo ra liên kết cộng hoá trị không phân cực (O 2, H2..). Trong trường hợp khác, khi một
nguyên tử có độ âm điện nhỏ liên kết với 1 nguyên tử có độ âm điện lớn thì các đôi electron dùng chung sẽ
bị nguyên tử có độ âm điện lớn kéo lệch về chúng tạo ra liên kết hoá trị phân cực (H 2O). Oxy là trong số
nguyên tử có độ âm điện cao nhất trong số tất cả các nguyên tử (điều này chúng ta sẽ gặp lại trong cấu trúc
phân tử nước ở phần sau).
Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


(a) Hai nguyên tử Hidrogen có
thể hình thành liên kết đơn
(b) Hai nguyên tử Oxy cùng chia
sẻ hai cặp electron để hình thành
lên liên kết đôi
(c) Hai nguyên tử Hidrogen và 1
nguyên tử Oxy cùng chia sẻ hai
cặp electron để hình thành lên 2
liên kết cộng hoá trị tạo ra phân
tử nước.
(d) Bốn nguyên tử Hidrogen và 1
nguyên tử Cacbon cùng chia sẻ
bốn cặp electron để hình thành
lên 4 liên kết cợng hoá trị tạo ra
phân tử Metan.

Hình 7: Liên kết hoá trị ở 4 loại phân tử Hidro, Oxy, Nước, Metan

2.2. Liên kết ion
Trong một số trường hợp, hai nguyên tử rất không cân bằng về độ hút các
electron (e) hoá trị tới mức nguyên tử có độ âm điện cao hoàn toàn giành lấy
electron khỏi đối tác của chúng và trở thành nguyên tử thừa electron (tích điện
âm - anion), đối tác của chúng mất e và trở thành nguyên tử thiếu e (tích điện
dương - cation), khi đó 2 nguyên tử tích điện trái dấu nhau hút bám lẫn nhau.
Lực hút giữa các nguyên tử trái dấu nhau, chính là liên kết ion. Liên kết ion
có thể hình thành giữa 2 ion tích điện trái dấu, thậm chí cả khi chúng được hình
thành không phải do sự dịch chuyển electron từ phân tử này sang phân tử khác.
Các hợp chất được hình thành bằng liên kết ion được gọi là các hợp chất ion,
hay còn gọi là ḿi.

Chun đề HĨA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


1. Electron hoá trị đơn độc của Na được
truyền sang kết hợp với 7 electron hoá trị
của nguyên tử Cl

2. Mỗi ion được tạo ra đều có lớp hoá trị
hoàn chỉnh. Liên kết ion có thể hình
thành giữa các ion tích điện trái dấu

Hình 8: Sự truyền electron và hình thành liên kết ion
giữa 2 nguyên tử Na và Cl
2.2.1. Liên kết hidro
Liên kết hidro là loại liên kết hóa học yếu được hình thành giữa một nguyên
tử mang điện tích âm (nguyên tử nhận A – acceptor) và một nguyên tử hidro (H)

đang nằm trong một liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử khác (nguyên tử cho
D – donnor). Liên kết cộng hóa trị giữa D và H phải là liên kết phân cực và đám
mây điện tử của A phải mang những điện tử không liên kết có khả năng thu hút
điện tích +δ của H.
D – H + A => D – H ··· A
Năng lượng cần để phá vỡ một liên kết hidro là khoảng 5kcal / mol. Một đặc
điểm quan trọng của các liên kết hidro là H, nguyên tử nhận A, nguyên tử cho D
đều xếp trên một đường thẳng. Nguyên tử N trong liên kết N – H cũng như O
trong liên kết O – H đều là những nguyên tử cho chính. Trong hệ thống sống, đó
là các nhóm amine (- NH2) và hidroxyl (- OH). Sự hiện diện của các nhóm này
khiến cho các phân tử có mang chúng dễ ḥịa tan trong nước do có sự hình thành
của các liên kết hidro giữa chúng với các phân tử H2O.
Trong nước các phân tử H2O, luôn luôn liên kết với nhau bởi các liên kết
hidro hình thành một mạng lưới đều đặn những hình tứ diện dù ở thể lỏng hay
thể rắn.

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


a. Liên kết hidro được hình thành
giữa các phân tử nước

b. Liên kết hidro được hình thành
giữa phân tử nước với phân tử amoniac

Hình 9: Liên kết hidro giữa các phân tử nước
Bảng 2: Chiều dài một số liên kết hidro quan trọng trong sinh học 13
TT

Liên kết

Chiều dài liên kết A0

1

O-H ….O

2.7 ± 0.10

2

O-H ….O-

2.63 ± 0.10

3

O-H ….N

2.88 ± 0.13

4

N-H ….O

3.40 ± 0.13

5

N-H ….O

3.04 ± 0.1

6

N+-H ….O

2.93 ± 0.1

7

N-H ….N

3.10 ± 0.13

2.2.2. Liên kết Vander Walls
Liên kết Vander Waals là các tương tác không đặc hiệu xuất hiện giữa hai
nguyên tử hoặc 2 phân tử khi chúng tiến đến gần nhau. Tương tác này không do
sự phân phối lệch của các điện tử giữa hai phân tử mà do các biến động thoáng
qua của đám mây điện tử gây ra sự phân cực nhất thời trên phân tử. Liên kết
Vander Waals khơng phụ thuộc tính phân cực của các phân tử mà chỉ phụ thuộc
vào khoảng cách giữa chúng.
Lực Vander Waals là kết quả của lực hút và lực đẩy. Hai lực này cân bằng ở
một khoảng cách nhất định, đặc trưng cho từng loại nguyên tử. Khoảng cách này
được gọi là bán kính Vander Waals. Đây là lực liên kết yếu nhất, với giá trị chỉ
khoảng 1 kcal/mol.
13

Đinh Đoàn Long và Đỗ Lê Thăng (2008) Cơ sở Di truyền học phân tử và tế bào - Tr 6

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Để liên kết này thật sự có ý nghĩa, nó phải tồn tại với số lượng lớn, nghĩa là
bề mặt tiếp xúc của hai phân tử phải cực đại. Điển hình là khi một phân tử có
mang một hốc có hình dạng phù hợp với chỗ lồi trên phân tử kia như trường hợp
tương tác kháng nguyên với kháng thể, enzym với cơ chất,…
2.2.3. Tương tác kị nước
Các phân tử không phân cực, tức là các phân tử không chứa nhóm ion hóa
lẫn liên kết phân cực, đều khơng hịa tan trong nước. Chúng là những phân tử kị
nước.
Lực thúc đẩy các phân tử hay các vùng không phân cực của các phân tử liên
kết với nhau thay vì với các phân tử H 2O được gọi là liên kết kị nước. Đây
không phải là một lực liên kết đúng nghĩa mà là khuynh hướng loại trừ các
nhóm khơng phân cực ra khỏi mạng nước. Còn liên kết thật sự tồn tại giữa các
phân tử không phân cực và liên quan đến Vander Waals. Các tương tác kị nước
đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định các protein, các phức hợp protein với
các phân tử khác cũng như sự phân bố các protein trong các màng sinh học.
Bảng 3. Năng lượng liên kết của một số liên kết hoá học 14
Mối liên kết

Năng lượng (KJ/mol)

Khoảng cách (A0)

C=C

610

1,33

C-H

413

1,07; 1.08

C-O

358

1.43; 1.36

C-C

345

1.54; 1.40

C-N

304

1.47; 1.34

H-H

435

N-N

163

O–O

146

1.21

2.3. Vai trò của các loại liên kết yếu đối với sự sống
Vai trò chủ yếu của các liên kết yếu trong hệ thống sống thể hiện một cách
đa dạng trong việc hình thành cấu hình khơng gian và sự linh hoạt của các phân
tử sinh học, trong quá trình điều hịa các hoạt đợng sống...
2.3.1.Tương tác enzyme – cơ chất

14

W.D Phillips – T.J. Chilton – Sinh học - Tập 1; Nhà xuất bản Giáo dục – 1998, Trang 13; Nguyễn Tiến
Thắng, Nguyễn Đình Huyên – Giáo trình Hoá sinh hiện đại (1998) – Nhà xuất bản Giáo dục – Trang 446.
Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Trong các phản ứng xúc tác, các enzyme
không gắn lên một phân tử bất kỳ. Chúng có

ái lực đặc biệt với chình cơ chất của chúng.
Năng lượng liên kết của tương tác enzyme –
cơ chất thường có giá trị 5- 10 kcal/ mol cho
thấy nó thuộc loại liên kết hóa học chủ yếu,
nghĩa là các phức hợp enzyme - cơ chất được
hình thành và phá vỡ rất nhanh dưới ảnh hưởng của các chuyển động nhiệt. Điều
này giải thích vì sao các enzyme có khả năng hoạt động với vận tốc đôi khi đạt đến
106 lần trong một giây. Một lực liên kết mạnh hơn giữa enzyme và cơ chất hay giữa
enzyme và sản phẩm sẽ làm cho hoạt động enzyme chậm hơn rất nhiều.
2.3.2. Cấu hình khơng gian của các phân tử
Khó có thể tiên đốn cấu hình của những đại phân tử như protein và nucleic
axit nếu chỉ dựa vào cấu trúc cộng hóa trị của chúng. Cấu hình này phụ thuộc
chủ yếu vào số lượng và bản chất các liên kết yếu tồn tại trên các đại phân tử đó.
Các tương tác kị nước có chức năng ổn định phân tử protein nhưng chính
các liên kết hidro mới quy định cấu hình và đặc trưng của nó. Các liên kết hidro
đòi hỏi một khoảng cách xác định và sự sắp xếp có định hướng các nguyên tử
cho và nhận trong không gian. Để thỏa mãn nhu cầu của các nguyên tử cho và
nhận trên bộ khung polypeptit, trong phân tử protein thường hình thành những
cấu trúc bậc hai đều đặn, các chuỗi xoắn anpha hay những cấu trúc dạng lớp
mỏng beta. Các cấu trúc đối xứng đều đặn này có tính ổn định rất cao.
Một phân tử protein thường bao gồm cả hai loại cấu trúc trên, bên cạnh đó
có những vùng có cấu trúc khơng đều đặn cần cho sự cuộn gấp của chuỗi
polypeptit.
Phân tử ADN thường có dạng xoắn kép. Dạng xoắn kép này xuất phát từ
nhiều nguyên nhân:
- Hai mạch đơn bắt cặp với nhau nhờ liên kết bổ sung. Trong các liên kết bổ
sung này, một bên bao giờ cũng là một purine (A và G có cùng kích thước) và
bên kia là pyrimidine (C, T có cùng kích thước). Điều này đảm bảo khoảng cách
đều đặc giữa hai mạch đơn tức là tổng kích thước của một purine và một
pyrimidine.

Chuỗi xoắn kép cho phép các base purine và pyrimidine có cấu trúc phẳng
xếp chồng khít lên nhau ở bên trong phân tử ADN, hạn chế sự tiếp xúc của
chúng với nước.
Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Các nguyên tử đường và các nhóm photphat xoay ra ngồi hình thành liên
kết với nước đảm bảo tính ổn định cho phân tử ADN.
Cấu hình chuỗi xoắn kép của phân tử ADN là một cấu trúc ổn định vì 2 lí do:
+ Nếu hai mạch đơn tách rời nhau, các base purine và pyrimidine kị nước sẽ
phải tiếp xúc với nước, điều này đặt chúng vào một tình thế bất lợi, không ổn định.
+ Mỗi phân tử ADN mang một số lượng liên kết hidro rất lớn nên dù
chuyển động nhiệt phá vỡ các liên kết nằm ở hai đầu của phân tử hai mạch nhiệt
đơn vẫn được gắn với nhau bởi các liên kết vùng giữa. Chỉ trong những điều
kiện rất khắc nghiệt. Ví dụ nhiệt độ cao hơn hẳn nhiệt độ sinh lí mới có sự vỡ
đồng thời q trình liên kết hidro khiến phân tử khơng cịn giữ được cấu hình
ban đầu, phân tử bị biến tính.
2.3.3. Các liên kết yếu đảm bảo mối liên lạc giữa protein và ADN 15
Các protein đóng vai trị cấu trúc nén chặt ADN như các histone liên kết với
phân tử ADN nhờ các liên kết ion. Các liên kết ion này đựoc hình thành giữa các
nhánh bên mang điện tích âm của các histone với các nhóm phosphate mang
điện tích dương của ADN. ADN quấn quanh lõi cấu tạo từ ADN vẫn có khả
năng tiếp xúc với nhiều protein khác. Đó là các protein đóng vai trị quan trọng
trong sao chép như các ADN polymerase, trong sự phiên mã như các ARN
polymerase hay các protein có chức năng điều hòa hoạt động của các gen... Các
protein này nhận biết một trình tự xác định trên ADN và gắn vào đó ở vị trí các
nhóm cặp base đặc trưng nhờ các liên kết ion. Sự nhận biết trình tự này phần lớn là
kết quả của sự bổ sung hình dạng giữa protein và ADN.

Nói chung, năng lượng của liên kết hóa học yếu (2- 5 kcal mol -1) thường
đảm bảo cho một phân tử gắn một cách ưu tiên lên một phân tử khác. Điều quan
trọng hơn là năng lượng liên kết đó lại khơng đủ lớn để tạo ra những mạng lưới
cứng nhắc bên trong tế bào, chính nhờ đó mà bên trong tế bào sống khơng bao
giờ đặc lại.
3. Phản ứng hóa học và năng lượng liên kết hóa học
3.1. Phản ứng hóa học
Phản ứng hóa học là một sự biến đổi các chất trong đó những liên kết cũ giữa
các nguyên tử bị phá vỡ hình thành những liên kết mới (16)
3.2. Năng lượng liên kết hóa học
Sự hình thành một liên kết hóa học giữa hai ngun tử ln gắn liền với
sự giải phóng một phần năng lượng bên trong của các nguyên tử ở dạng
15
16()

Phần này ta sẽ xem xét kỹ hơn ở phần cấu trúc các đại phân tử và tổng hợp axit nucleic và protein
Từ điển bách khoa nhà hóa học trẻ – NXB Mir Maxcơva (1990) - Trang 280

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


không liên kết và chuyển chúng thành một dạng năng lượng mới. Liên kết
được hình thành càng mạnh thì năng lượng "thoát" ra ngoài càng lớn.
Tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với tần số va chạm của các nguyên tử.
A + B => AB + năng lượng (17)
Trong tự nhiên các nguyên tử liên kết hóa học với nhau khơng phải ln
duy trì ở trạng thái liên kết ma chúng có thể bị tách ra bởi các loại lực khác
nhau trong đó có nhiệt năng hoặc sự va đập giữa các nguyên tử hoặc phân tử khi

chuyển động nhanh cũng có thể phá vỡ các liên kết hóa học.
AB + năng lượng => A + B
Lượng năng lượng cần được bổ sung để phá vỡ một liên kết đúng bằng
lượng năng lượng được giải phóng khi liên kết đó hình thành theo Định luật
bảo toàn và chuyển hoá năng lượng.
Như vậy, sự hình thành hay phá vỡ một liên kết hóa học là kết quả của các
hoạt động kết hợp giữa các lực hình thành và phá vỡ liên kết.
Một hệ thống kín đạt đến trạng thái cân bằng, thì số liên kết hình thành qua
một đơn vị thời gian sẽ đúng bằng số liên kết bị phá vỡ. Khi đó, tỉ lệ các nguyên tử
ở trạng thái liên kết sẽ được biểu diễn bằng công thức sau:
Kcb = [AB]/([A]x[B])
Trong đó, Kcb là hằng số cân bằng; [AB], [A] và [B] tương ứng là nồng độ
của AB, A và B, tính theo đơn vị mol/l. Dù cho chúng ta bắt đầu hệ thống chỉ với
A và B riêng rẽ, hoặc phức hợp AB, hay cả phức hợp AB và A, B riêng rẽ, thì
cuối cùng hệ thống kín sẽ đạt đến các nồng độ tương quan của Kcb.
4. Một số nhóm chức hoá học quan trọng về mặt sinh học
4.1. Khái niệm về nhóm chức hoá học
Các nhóm nguyên tố hoá học tác động đến hoạt động chức năng của các phân tử
bằng cách tham gia trực tiếp và phản ứng hoá học gọi là các nhóm chức.
Mỗi nhóm chức tham gia vào các phản ứng hoá học theo cách riêng, thay đổi từ
phân tử hữu cơ này sang phân tử hữu cơ khác.
Như vậy, những tính chất khác biệt của các phân tử hữu cơ không chỉ do sự
sắp xếp các nguyên tử C trong bộ khung xương mà còn phụ thuộc vào thành
phần các nhóm chức hoá học gắn vào bộ khung xương đó. Các nhóm chức đó có
thể tham gia vào các phản ứng hoá học hoặc đóng góp vào hoạt động chức năng
17

Đơn vị thường được dùng để biểu diễn năng lượng là calo; đó là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ 1
gam nước lên 1oC. Nhưng để làm vỡ các liên kết hóa học của một mole phân tử nào đó, thường cần hàng nghìn calo, vì vậy
mức thay đổi năng lượng trong các phản ứng hóa học thường được biểu diễn bằng đơn vị kcal/mol.

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


một cách gián tiếp nhờ tác động của nó đến hình dạng phân tử. Số lượng và sự
sắp xếp các nhóm chức trong cấu trúc phân tử đã tạo cho mỗi phân tử có những
tính chất riêng. Ví dụ: Các hoocmon sinh dục nam, nữ ở người và các động vật
có xương sống; cả hai đều có bản chất là steroid, chúng đều có bộ khung xương
C gồm 4 vòng dính với nhau. Các hoocmon sinh dục đó chỉ khác nhau ở các
nhóm định chức hoá học gắn với các vòng trong khung xương C (Hình 10)
Estradiol
(hoocmon sinh dục cái)
Hình 10. Cấu trúc phân tử của hoocmon sinh dục
(estradiol – một dạng của estrogen) và đực (testosterone)
Hai phân tử chỉ khác nhau ở các nhóm (phần tô xanh) chức gắn vào bộ khung C gồm 4 vòng dính với
nhau đã tạo nên sự khác biệt về chức năng của hai loại hooc mon giới tính đực và cái.

Tác động khác nhau của các nhóm chức lên nhiều đích trên khắp cơ thể là
Testosterone
nguyên nhân tạo ra những khác biệt về mặt cấu tạo giữ
a con đực và con cái.
(hoocmon sinh dục đực)
4.2. Một số nhóm chức quan trọng nhất trong các quá trình sống
Trong số các nhóm chức hoá học thì có bảy nhóm chức quan trọng nhất đối với các
quá trình sống là: Hidroxil (-OH), cacbonyl, carboxyl (-COOH), amin (-NH 2),
sulhydril (sulfit -SH), phosphat (-PO4), metyl (- CH3). Sáu nhóm đầu ưa nước,
chúng hoạt động như các nhóm chức, nhóm thứ 7 không ưa nước không hoạt động
như nhóm chức hoá học nhưng có lại có vai trò như những dấu chuẩn để nhận biết

các phân tử sinh học.
Bảng 4. Một số nhóm định chức và vai trị của chúng đối với sống

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


C. NƯỚC – PHÂN TỬ NUÔI DƯỠNG SỰ SỐNG
Các nhà du hành vũ trụ nghiên cứu các hành tinh, họ rất mong muốn tìm
thấy dấu vết của nước. Bởi lẽ các nhà khoa học đã cho rằng ở đâu có nước thì ở
đó có sự sống.
Trong tự nhiên, nước là chất duy nhất trong tự nhiên tồn tại ở cả ba trạng thái:
rắn, lỏng và khí. Các nhà khoa học đã tính toán ba phần tư diện tích bề mặt Trái đất
là nước, chính sự dư thừa nước là nguyên nhân cho Trái đất có sinh vật định cư.
Sự sống được hình thành trên Trái đất bắt đầu trong nước và tiến hóa ở đó
cách đây khoảng ba tỷ năm trước khi tiến lên đất liền. Cho đến nay, mọi sinh vật
cũng đều sinh ra từ nước và cần nước hơn bất kỳ chất nào khác. Ví dụ, cong
người có thể sống được vài tuần không có thức ăn nhưng chỉ sống được khoảng
1 tuần nếu thiếu nước.
I. CẤU TRÚC PHÂN TỬ NƯỚC
1. Cấu tạo phân tử

Hình 11. Cấu trúc phân tử nước
Một nguyên tử oxy liên kết với 2 nguyên
tử hidro bằng liên kết cộng hoá trị.

Một phân tử nước trong nước có thể liên kết
tối đa với 4 phân tử nước khác bằng liên kết
hidro và các liên kết hidro luôn thay đổi

Nước được cấu tạo tử các nguyên tử Oxy và Hidro. Một phân tử nước được
cấu tạo từ 2 nguyên tử hidro và 1 nguyên tử oxy. Trong đó, các nguyên tử H với
nguyên tử oxy liên kết với nhau và tạo thành 1 góc 104,50. (Hình 11)
Chun đề HĨA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Trong cấu trúc phân tử, mỗi nguyên tử H góp 1 điện tử vào đôi điện tử chung
với nguyên tử Oxy để hình thành lên liên kết cộng hoá trị.
Hạt nhân nguyên tử Oxy có điện tích dương mạnh (độ âm điện cao) nên
chúng hút đôi điện tử dùng chung lệch về phía mình và tạo ra tính phân cực của
phân tử nước (phía nguyên tử Oxy mang điện âm -δ, phía nguyên tử Hidro mang
điện dương +δ)..
2. Tính phân cực của các phân tử nước tạo nên liên kết hidro
Ở điều kiện tự nhiên, phân tử nước phân cực, phía nguyên tử hidro tích điện
dương yếu sẽ bị hấp dẫn bởi nguyên tử oxy tích điện âm yếu của phân tử bên cạnh.
Kết quả là 2 phân tử nước hình thành liên kết hidro và các phân tử nước liên kết với
nhau bằng liên kết hidro. Liên kết này mạnh nhất khi nó nằm trên đường thẳng qua
trục O – H của phân tử nước bên cạnh và yếu khi nó ở dạng lệch trục O – H với
phân tử nước bên cạnh. Một phân tử nước có thể liên kết với tối đa 4 phân tử nước
khác bởi các liên kết hidro.
Khi ở dạng lỏng, các liên kết hidro rất dễ bị đứt gãy và tái hình thành với tần
số cao (mỗi liên kết chỉ tồn tại khoảng vài phần tỷ giây). Vì thế, vào bất cứ lúc
nào trong lịng dung dịch nước cũng có sự phá vỡ và hình thành liên kết hidro
giữa các phân tử nước kề nhau.
II. MỘT SỐ TÍNH CHẤT LÝ HOÁ CỦA NƯỚC
1. Tính chất lý hoá của nước
Nước là một hợp chất vô cơ không màu, không mùi, không vị, trong tự

nhiên tồn tại ở cả 3 trạng thái: lỏng, rắn, khí (hơi). Ở điều kiện áp suất khơng khí
là 1 atm thì nước sơi ở nhiệt độ 100 0C, và đóng băng dạng tinh thể chuẩn ở nhiệt
độ dưới 00C.
Ở nhiệt độ 40C nước có tỷ trọng lớn nhất, khi ở nhiệt độ dưới 4 0C, hầu hết
các liên kết hidro giữa các phân tử nước liên kết với nhau ở dạng thẳng trục và
đạt 100% khi nước ở nhiệt độ 00C tạo thành cấu trúc dạng tinh thể.
Nước có được những đặc tính độc đáo đó là do tính chất phân cực của phân
tử nước. Tính chất phân cực của nước đã làm cho mỗi phân tử nước có thể liên
kết tối đa với 4 phân tử nước khác bằng liên kết hidro 18.
Khi các phân tử nước ở trạng thái đóng băng thì tất cả các liên kết đều ở
dạng liên kết thẳng trục O - H – O; khoảng cách các phân tử nước đạt cực đại,
nước có dạng tinh thể chuẩn và có tỷ khối nhỏ hơn 1. Ở dạng lỏng các phân tử
18

Liên kết hidro mạnh khi chúng nằm trên đường thẳng qua trục O-H-O của phân tử nước bên cạnh. Liên
kết hidro yếu khi chúng nằm lệch trục.
Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


nước liên kết với nhau bằng các liên kết hidro (80% phân tử có liên kết hidro ở
dạng liên kết đồng trục, 20 % ở dạng lệch trục) Sự sắp xếp ngẫu nhiên của các
phân tử nước tự do trong nước lỏng làm cho chúng xếp gần nhau hơn so với
trong cấu trúc mạng tinh thể chuẩn. Do đó “nước đá” các phân tử có cấu trúc
thưa hơn và nổi trên mặt nước lỏng.
2. Phản ứng hoạt tính của các dung dịch nước (19)
2.1. Nước như là chất điện ly
Nước tinh khiết, về mặt hoá học, giống với các axit, các baz ơ và các muối,
phân ly một phần thành các ion.

HOH <=> H+ + OH+
Ion H được hình thành lập tức liên kết với các phân tử nước khác tạo thành
H3O+ (hidroxon)
H+ + HOH <=> H3O+
Hằng số phân ly của nước được tính theo công thức: K=[H+].[OH-]/[H2O] (a)
Hằng số phân ly của nước đã được chứng minh bằng thực nghiệm ở nhiệt độ
220C là K = 1,8. 10-16. Do các phân tử nước phân ly không đáng kể, nồng độ của
các phân tử không phân ly có thể coi là một trị số không đổi. Khi thể hiện ra
thành mol/l ta có:
[H2O] = 1000/18 = 55,56 mol/l
Từ công thức (a) ta có:
[H+].[OH-] = [H2O]. K = 55,56. K = Kn
Tức là tích số của nồng độ các ion hidro và hidroxyl trong mọi dung dịch nước
là một trị số không đổi và được gọi là tích số ion của nước (20).
2.2. Chỉ số hidro (Độ pH) (21)
Dung dịch gọi là trung tính nếu [H+] = [OH-], là môi trường axit nếu [H+]>
[OH- ] và là môi trường kiềm nếu [H +] < [OH- ]. Để xác định môi trường nào đó
là kiềm hay axits, ta chỉ cần biết [H+] là đủ vì giữa [H+] và [OH- ] có mối tương
quan qua công thức:
[H+]= 10 -14/[OH-]
Nồng độ ion H+ trong thực tế là rất nhỏ, vì vậy để thuận tiện cho việc tính toán
người ta biểu diễn nồng độ H+ thông qua hàm số logarit . Giá trị [H+] được tính
thông qua hàm logarit được gọi là chỉ số hidro và được ký hiêu là pH.
19

Nguyễn Như Khanh – Võ Văn Toàn (2001); Một số vấn đề Hoá – Lý cơ sở trong sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được ở điều kiện nhiệt độ 250C nước điện ly cho [H+] = [OH-] = 10-7 (mol/l).
21()
Khái niệm này được S.P.L. Sørensen và Linderstrưm-Lang đưa ra vào năm 1909 và có nghĩa là "pondus hydrogenii"
("độ hoạt động của hiđrô") trong tiếng Latinh. Tuy nhiên, các nguồn khác thì cho rằng tên gọi này xuất phát từ thuật ngữ

tiếng Pháp "pouvoir hydrogène." Trong tiếng Anh, pH có thể là viết tắt của "hydrogen power," "power of
hydrogen," hoặc "potential of hydrogen." Tất cả các thuật ngữ này đều đúng về mặt kỹ thuật.
20()

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


Như vậy, về mặt toán học pH được tính bằng công thức sau: pH = -lg[H +] (22).
Đặc trưng toán học đó giúp thu gọn giá trị [H +] trong dung dịch và thể hiện bằng
thang pH. Giá trị pH của dung dịch dao đợng từ 0 đến 14 (Hình 12)
Bảng 5. Mối phụ thuộc giữa [H+] và pH
Phản ứng
Axit
Trung tính
Kiềm
+
-7
-7
[H ]
> 10
10
< 10 -7
pH
<7
=7
>7
Cần chú ý rằng: đơn vị pH thể hiện sự sai khác gấp 10 lần về [H +]. Dung dịch có
pH = 3 không phải là dung dịch có độ axit gấp đôi dung dịch có độ pH = 6 mà

thực tế gấp nhau 1000 lần. Vì vậy trong thực tế khi pH thay đổi một giá trị nhỏ
cũng đã ảnh hưởng rất lớn đến [H+] và [OH-].
Trị số

Hình 12:Thang pH và giá trị pH của một số dung dịch nước
Đa số dịch tế bào cũng như dịch cơ thể sống có độ pH = 7 và độ pH này cần
được duy trì ổn định, sự thay đổi giá trị pH trong tế bào và cơ thể sẽ ảnh hưởng
22()

Được đọc là trừ logrit cơ số 10 của nồng độ ion H +, hàm số logarit là 1 hàm số nghịch. Tức là giá trị biểu thức càng
lớn thì giá trị logarit càng nhỏ và ngược lại…

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2


lớn đến các phản ứng sinh hoá trong tế bào. Để duy trì mức độ cân bằng đó,
trong tế bào có cơ chế điều chỉnh để ổn định bằng các hệ đệm: H 2CO3,
Hemoglobin, protein, phosphat (23)
III. NƯỚC ĐỐI VỚI TẾ BÀO VÀ SINH VẬT
1. VAI TRÒ CHUNG CỦA NƯỚC ĐỐI VỚI TẾ BÀO VÀ SINH VẬT
Ở trong tế bào nước tự do chiếm khoảng 95% và nước liên kết chiếm khoảng
5%. Nước tự do có vai trị quan trọng trong hoạt động trao đổi chất của tế bào và
giữa tế bào với môi trường. Một số lớn các chất hồ tan trong mơi trường nước.
Các phân tử các ion tan trong nước phân phối đều vào nước. Các chất khí khi
hồ tan vào trong nước các ion được bao bọc bằng các phân tử nước do đó các
ion đó không tập trung lại với nhau được.
+ Nước là dung mơi phổ biến của muối khống và các hợp chất hữu cơ.
Chính là nhờ các phân tử nước có thể hình thành thêm các liên kết hidro với các

phân tử chất tan khác và kéo chúng ra khỏi dạng tinh thể. (Hình 16)
+ Nước là môi trường phân tán và phản ứng của các hợp chất hoá học. Giúp
cho cơ thể vận chuyển dễ dàng các chất từ nơi này đến nơi khác trong từng tế
bào. Đảm bảo tính thống nhất trong nội bộ tế bào và giữa cơ thể và môi trường.
+ Nước không phải là một chất trơ: Do có khả năng dẫn nhiệt toả nhiệt và
bốc hơi cao nên có vai trị điều tiết nhiệt độ cơ thể. Ví dụ: Một cầu thủ bóng đá
có thể trọng 100 kg trong 90 phút thải ra ngồi mơi trường 2 lít mồ hơi và phóng
ra mơi trường: 574 × 2 = 1148 kcal. Nếu không thải mồ hôi ra mơi trường thì
nhiệt độ cơ thể tăng 11,5°C.
+ Nước tham gia trực tiếp vào các phản ứng sinh hoá hoặc đóng vai trò là
chất cung cấp nguyên liệu (H +) cho các phản ứng oxy hoá khử của tế bào (Xem
thêm phần quang hợp và Hơ hấp)
2. CÁC ĐẶC TÍNH NỞI TRỢI CỦA NƯỚC VÀ Ý NGHĨA CỦA NĨ ĐỐI VỚI
TẾ BÀO VÀ SỰ SỚNG

2.1. Một số đặc tính của nước và ý nghĩa của nó
Đặc tính của nước
Ý nghĩa sinh học
Phân tử nước có tính lưỡng - Dung môi hịa tan các chất vơ cơ và hữu cơ
cực, có thể hình thành liên kết - Mơi trường phản ứng, môi trường vận
hidro giữa các phân tử nước chuyển của các chất trong tế bào.
23

Xem thêm Tr 168, Chương máu ở Sinh học tập 1. Tác giả W.D Phillips – T.J. Chilton , NXB Giáo dục 2002.

Chuyên đề HÓA HỌC CỦA SỰ SỐNG – Chương trình dành cho học sinh khối chuyên Sinh THPT

2