学习MCAT有关化学键和相互作用的关键概念，并练习问题和答案

(注:本指南是我们的一部分称MCAT普通化学系列)。

表的内容

第1部分:化学键和相互作用的介绍

第二部分:原子间的力

一)离子键

b)共价键

c)配位共价键

d)单键和双键

第3部分:分子间的作用力

一)氢键

b)偶极-偶极相互作用

c)伦敦色散力

第四部分:高收益条款

第五部分:基于短文的问题和答案

第6部分:独立的问题和答案

第1部分:化学键和相互作用的介绍

是什么将宇宙中的一切维系在一起?为什么原子和分子不会随机分裂并飘走呢?答案就在于成键和分子间的相互作用。了解原子和分子如何相互作用对于MCAT的化学部分来说是至关重要的。原子键和分子间的相互吸引是有机化学和生物化学中许多附加概念的基础。

化学键是在原子或分子之间产生吸引力的化学相互作用。存在着各种各样的化学键或引力。有些存在于分子的单个原子之间，而另一些则存在于分子之间。

在整个指南中，有几个重要的术语将被标记在大胆。请务必理解这些条款，因为它们将在测试日高收益!在本指南的最后，还有一些mct风格的问题，你可以用来测试你的知识。

让我们开始吧!

第二部分:原子间的力

一)离子键

原子间键的最简单形式是离子键。离子键是由电负性相差很大的两个原子相互作用而形成的。因为两个原子的电负性不同，一个原子会给另一个原子电子。这就产生了一个带正电的离子(阳离子)和带负电荷离子(阴离子）.带负电荷和正电荷的原子相互吸引，形成离子键。

由于离子键利用不同的电负性，组成元素通常有很大不同的特性。事实上，离子键通常是由金属和非金属组成的。氯化钠(化学式:NaCl)是一种由离子键结合在一起的分子。钠是一种高度活性的金属，而氯是一种高度活性的气体。它们就构成了我们每天食用的食盐!

b)共价键

原子间键的第二种形式是共价键。一个共价键通常在两个电负性相似的原子之间形成。因此，非金属或类金属之间通常形成共价键。

由于原子具有相似的电负性，原子之间不会互赠电子。相反，它们共享电子。两个原子之间的这种共享可以是相等的，也可以是不相等的。在一个共价键中，原子是平等地还是不平等地共用电子，取决于它们电负性的不同。两种元素之间的电负性差越大，则电负性差越大部分离子特性(例如，越相似于离子键)它们之间的键。

共价键的极性可以用偶极矩．偶极矩是一个可以用下式计算的量:

p = qd

在哪里p=偶极矩,

问=净电荷,

d =部分电荷之间的距离

这个方程可能与另一个定律类似:库仑定律，它描述了两个带电粒子之间产生的吸引力。这里，偶极矩描述了一个类似的量。较大的偶极矩表明较大的极性，或部分电荷之间的电子分布差异。

路易斯结构是表示共价键的常用方法。在路易斯点结构中价轨道由原子元素符号两边的一个点表示。(要了解更多关于价电子的知识，请参阅我们的原子和周期趋势指南。）

要画出路易斯点结构，首先要写出感兴趣的原子的基本符号。然后，计算价电子的数量年代和p轨道。一旦计算出来，在元素符号的顶部放一个点。继续按顺时针方向在符号周围放置圆点，直到圆点的数量等于价电子的数量。这个过程对共价键中的每个元素都重复进行。

在说明了参与共价键的每个原子之后，参与sigma键的电子可以用一条线连接起来。

使用路易斯点图的一个好处是共振结构可以显示。共振结构是共价键的另一种模型。一个显示共振的分子在任何给定的时间都可能有这些共振构型中的任何一个电子。一般来说，这样一个分子中的键被假定为结合所有这些共振结构。分子中的电子被称为非定域化的在这些共振结构中都能以相同的概率找到。由此产生的组合配置可以用虚线显示。

最稳定的共振形式是提供最低的共振形式形式电荷的原子。形式电荷指的是一个原子的“功能”电荷的数量，假设所有的电子都是平均分配的。因此，可以用下式计算:

形式电荷= #价电子-非成键电子-成键电子÷ 2

回想一下我们以前关于臭氧的讨论。在臭氧分子中，每个氧原子都有不同的形式电荷。一个原子带0电荷，而另外两个原子带-1和+1电荷。这是臭氧相对稳定的形式，因为每个物种的形式电荷都相当低。相反，在臭氧中只形成单键会产生-1、-1和+2的形式电荷，这些形式电荷要高得多。这种共振形式几乎不可能发生!

分子和化合物通常可以用多种方法画出来。要了解更多信息，请参阅我们的异构体指南．

c)配位共价键

回想一下，共价键仅仅是原子之间形成的键，其中电子被不均匀地共享。一个协调共价键,有时被称为配位键,是一种特殊的共价键，通常在过渡金属之间形成。在这种共价键中，这两个键中的电子是由a提供的单原子。

由于其独特的轨道结构，过渡金属很容易接受其他原子的电子。因此，过渡金属可以与其他原子形成2、3或4个配位共价键!锌、铁和镁就是这类金属的例子，它们通常会与我们体内的酶结合。由于它们被整合到酶中，并且通常对酶的功能至关重要，这些过渡金属被称为代数余子式。(有关酶和辅助因子的更多信息，请参阅我们的酶指南．）

d)单键和双键

在化学中,八隅体规则指出每个原子在包含满8个电子的价电子层时是最稳定的。这意味着价电子层中只有一个电子的原子会放弃电子，而价电子层几乎满了的原子则不会。因此，分子中的每个原子必须暴露于八个电子:或通过电子转移(如离子键)或共享(如共价键)。

在很多情况下，一个分子中的原子有不止一个键。单键、双键和三键的键长和键能都不同。键长是两个成键原子的原子核之间的距离。单键的键长最大，其次是双键和三键。

键能量化了打破化学键所需的能量。因为三键有更多的键要断裂，所以它们的键能最大。

键长和键能对分子的刚性有重要的影响。短而能量大的键(例如三键)会增加分子的刚性。这些结合的原子不易旋转和振动。相比之下，单键具有更大的流动性，因为单键更长，能量更低。

让我们仔细看看键和。键是2时形成的键年代轨道重叠。键是2时形成的键p同一平面上的轨道重叠。(进一步了解年代和p轨道，一定要参考我们的原子和周期趋势指南．）

注意，两个原子之间可以形成多个sigma键和键，从而形成单键、双键或三键。单键仅由sigma键组成。双键由键和组成。三键由一个键和两个键组成。

回想一下原子在轨道上排列电子，轨道包括年代和p轨道。当分子形成时，原子的s轨道和p轨道结合形成杂化轨道。这个过程被称为杂交允许两个或两个以上的原子轨道变成分子轨道。

第3部分:分子间的作用力

离子键和共价键是分子内力的例子，或将分子连接在一起的力。相反，分子间的力是吸引分子而不是物理上将它们连接在一起的力。

一)氢键

氢键由于氢原子与氧、氟或氮原子(O、F或N)结合而形成。这些原子的电负性造成电子的不平衡共享。结果，氢获得部分正电荷，而O、F或N原子获得部分负电荷。

一个分子上氢原子的部分正电荷可以与另一个分子上O、F或N的部分负电荷相互作用，从而在两个分子之间形成一个键。氢键特别强。例如，水分子之间的氢键吸引是导致水沸点如此之高的原因!破坏氢键需要大量以热的形式存在的能量。

氢键存在于许多不同的地方，如核苷酸、水和像酒精这样的有机溶剂。

在描述分子间的相互作用时，习惯上用虚线来表示氢键。

b)偶极-偶极相互作用

偶极-偶极相互作用是极性分子在液体或固体中排列时形成的吸引力。极性分子的部分正电荷与相邻分子的部分负电荷相互作用。回想一下，这个极性是两个电负性不同的原子之间电子不均匀共享的结果。

氢键是偶极-偶极相互作用的一种特殊形式。由于氢和N、O或F原子之间的电负性差异很大，氢键趋于高度稳定。偶极-偶极相互作用可能比氢键更不稳定，因为电负性差更低，电子共享更平等。

c)伦敦色散力

伦敦色散力,也被称为范德瓦耳斯相互作用,由于分子周围电子分布不均而形成的。虽然我们可以想象它们是平均分布的，但随机运动可以在分子中产生极化。

在很短的一段时间内，一个分子的电子可能会聚集到分子的一边。这就在分子的同侧产生了一个暂时的部分负电荷。临时的部分负电荷会在邻近的分子中产生临时的部分正电荷，以此类推。这些暂时的部分电荷产生一种引力，称为伦敦色散力。

这是最弱和最暂时的力，因为它们依赖于暂时的，不均匀的电子分布。这些力也依赖于分子之间的距离——两个分子之间距离越近，范德瓦尔斯相互作用的大小就可能越大。尽管这些力很弱，但它们在保持分子处于液态和固态方面起着重要作用!

在大分子和形状相似的分子之间，伦敦色散力往往更强。大分子拥有更大的电子储藏库;因此，任何暂时的部分负电荷往往具有较大的量级。此外，相似形状的分子能够在短距离内形成最大数量的键。

伦敦色散力也往往是碳氢化合物分子中起作用的主要分子间作用力。碳氢化合物是由碳和氢(C和H)组成的大分子，由于相对缺乏高电负性元素，碳氢化合物不形成强氢键或偶极-偶极相互作用。相反，碳氢化合物通过伦敦色散力相互吸引。由于伦敦分散力依赖于大小和形状，长而直的碳氢化合物之间的吸引力往往最大。

第四部分:高收益条款

离子键:在两个电负性截然不同的原子之间形成的

阳离子:带正电的离子

阴离子:带负电荷的离子

共价键:在两个电负性相似的原子之间形成的

离子特性:共价键与离子键的相似度

偶极矩:描述化学键极性的量

极性:两种物质之间电子共享的方向和大小

路易斯结构:表示共价键的方法;描述原子的元素符号及其价电子

共振结构:共价键和电子共享的另一种模型

正式收费:描述如果所有电子都被平均分配，原子所具有的“功能”电荷量

八隅体规则:指出原子在包含满价电子层时是最稳定的

债券长度:两个成键原子的原子核之间的距离

键能:打破化学键所需的能量

杂交:结合两个或多个原子轨道形成一个分子轨道

VSEPR:价层电子对斥力理论;用来预测分子的几何形状

氢键:一个氢原子与另一个氧原子、氟原子或氮原子结合的结果

偶极-偶极相互作用:极性分子之间形成的分子间相互吸引

伦敦色散力/范德华相互作用:由于分子周围电子的自发和暂时不均匀分布而产生的分子间相互吸引

第五部分:基于短文的问题和答案

近红外荧光蛋白(NIR FPs)是用于组织和细胞群成像的大分子体内。近红外成像已经被发现是成像哺乳动物组织的最佳方法，因为存在一个光学“透明窗口”，其中光的吸收和散射似乎是最小的。使用近红外荧光技术可以在多个深度对组织进行光学探测，从而实现全身成像。miRFP蛋白是一种明亮的、单体的近红外FPs的亚类，它包含两个特别开发的结构域:PAS结构域和GAF结构域，这两个结构域可能形成蛋白质结合袋的一部分。

胆绿素是一种四吡咯发色团，可在刺激下发出荧光，并可能与近红外FPs共价连接以提供荧光。胆绿素结合效率直接影响荧光的程度、亮度和质量。

研究人员希望了解胆绿素结合的性质。为此，将未结合胆绿素(BV)分子暴露于miRFP中。选择几种miRFP蛋白进行结合。在这个家族中，miRFP670蓝移最多，对多色近红外成像具有很高的意义。假设分子上的半胱氨酸残基有助于bv结合结构的刚性，从而提高荧光产量。

研究人员在几分钟到几十分钟的时间内实时监测结合反应。用计算方法分析了得到的边界结构。确定BV经历异构化，定位到载脂蛋白上的结合袋，质子化和分子间键的重排。

问题1:以下哪个键最可能在两个相邻的miRFP分子之间形成?

A)共价，氢，离子和范德华

B)氢，离子，范德华和偶极子-偶极子

C)共价，氢，范德华，偶极-偶极

D)氢、范德华和偶极子-偶极子

问题2:根据文中给出的数据，胆绿素分子中有多少个键?

一)11

B) 12

C) 14

D) 15

问题3:下面哪一个最能描述胆绿素分子中的化学键?

1)共价;所涉及的原子是具有不同电负性的非金属，导致电子交换

B)离子;所涉及的原子是具有不同电负性的金属和非金属，促进了电子交换

C)共价;所涉及的原子是具有类似电负性的非金属，导致电子共享

D)离子;所涉及的原子是具有不同电负性的金属和非金属，导致电子共享

问题4:在为文中描述的实验做准备的过程中，科学家们成功地分离和纯化了miRFPs。为了减少分子损伤和变性，miRFPs应该储存在以下哪一种物质中?

1)盐酸;盐酸能中和任何碱

B)氢氧化钠;氢氧化钠会中和任何可能影响胆绿素的酸

C)甲烷;甲烷不会与胆绿素发生反应，从而保持其结构

D)甘油;甘油会与胆绿素形成氢键

问题5:位于标记为“B”的吡咯环内的碳原子可能的分子杂化是什么?

回答基于文章的问题

1.选项D是正确的。共价键和离子键是原子间的力，而不是分子间的力(选项A、B和C是错误的)。氢键、范德华相互作用和偶极-偶极相互作用都是分子间作用力的类型。范德瓦尔斯相互作用可以在任意两个分子之间形成;当两个电负性不同的原子结合在同一个分子上时，就形成了偶极-偶极相互作用和氢键。根据胆绿素分子的结构，所有这些分子间作用力都有可能存在(选项D是正确的)。

2.选项D是正确的。键在双键和三键中是第二键和第三键。双键和三键形成的第一个键一定是sigma键。因此，要回答这个问题，只要计算分子双键中的键数就足够了。不要忘记显示为COOH的羧基!仔细计算得到15个键(选项D是正确的)。

3.选项C是正确的。回想一下，共价键存在于非金属之间，而离子键则需要金属和非金属。根据所提供的胆绿素结构，结构内的原子均为非金属。因此，胆绿素必须通过共价键连接在一起(选项B和D是错误的)。此外，记得非金属有类似的电负性，这导致电子共享而不是电子转移(选择C是正确的)。

4.选项D是正确的。miRFPs是必须小心储存的蛋白质。蛋白质往往在极端条件下变性，包括pH值过低或过高的条件(选择A和B是不正确的)。为了保持稳定性，蛋白质也必须处于一种有助于减少其自发活动的确认状态。甘油能够通过促进蛋白质和溶剂之间的氢键来稳定蛋白质(选择D是正确的)。

5.选项B是正确的。位于所示吡咯环内的任何碳原子都与另外三个原子相连。因此，成键必须有三个原子轨道:一个年代轨道,和两个p轨道。这些原子轨道杂化形成一个sp2分子轨道(选项B是正确的)。

第6部分:独立的问题和答案

问题1:下列哪个陈述最好地描述了离子键和共价键之间的主要区别?

离子键涉及原子共享电子，而共价键转移电子

B)共价键共享电子，而离子键转移电子

C)离子键只发生在非金属之间，而共价键发生在金属之间

D)共价键只发生在非金属之间，而离子键发生在金属之间

问题2:水的沸点相对较高，为100摄氏度。下面哪个陈述是对这种现象最好的解释?

A)氢和氧之间的共价键提供了水原子的高稳定性

B)水和溶解盐之间的离子键增加了分子间吸引力的数量

C)相邻水分子之间的氢键提供了很强的原子间键

D)原子轨道的分子杂化需要大量的能量来扰乱

问题3:从左到右，下列分子中每个原子的形式电荷是多少?

A) 0,0,0

B) -2 +1 -2

C) +1， -2， +1

D) -1 +2 +1

问题4:甘油三酯分子是由一个甘油头基团和三个碳氢化合物尾组成的。下列哪项最好地描述了两个单独的甘油三酯分子之间的相互作用?

A)分子上的烃尾通过偶极-偶极相互作用相互吸引

B)两个相邻分子上的甘油头主要是通过范德华相互作用相互吸引的

C)完全饱和甘油三酯之间的相互作用比不饱和甘油三酯之间的相互作用更强

D)短甘油三酯之间的相互作用比长甘油三酯之间的相互作用更强

独立问题的答案

1.选项B是正确的。离子键是通过两个电负性不同的元素之间的电子转移而形成的(选项A是错误的)。共价键是通过两个电负性相似的元素共享电子而形成的(选项B是正确的)。

2.选项C是正确的。回想一下，水是由氧和氢两种元素组成的。由于氢和氧的电负性差异很大，它们之间的键是极性的，并与其他水分子形成非常强的氢键。这些氢键形成了一个超强晶格，需要大量的热能来打破和破坏(选项C是正确的)。盐的溶解可能导致分子间形成离子“盐桥”;然而，这将有助于降低沸点而不是增加它(选项B是不正确的)。虽然原子间的共价键导致了分子内的高度稳定性，但它不是分子间稳定性的主要原因(选项A是错误的)。

3.答案A是正确的。要确定正式收费，可应用下列公式:

形式电荷= #价电子-非成键电子-成键电子÷ 2

首先，确定每个元素的价电子数。氧有6个价电子，而碳有4个。然后，减去非成键电子的数量(氧为4个非成键电子)和每个元素的成键电子的一半(氧为2个成键电子，碳原子为4个成键电子)。因此，每个碳原子的形式电荷为:4-8÷2=0，每个氧原子的形式电荷为6-4-4÷2=0。

4.选项C是正确的。甘油三酯含有烃类尾部，不能形成偶极-偶极相互作用或氢键(选项A是错误的)。一个含有氢原子和氮、氧或氟结合的分子可以形成相对强的氢键(选项B是错误的)。烃尾之间的相互吸引是通过范德华相互作用形成的。回想一下，范德华相互作用高度依赖于组成分子的形状和大小;长度较长的分子倾向于形成较强的范德华相互作用(选项D是错误的)。饱和是指碳与其他原子结合的程度;完全饱和的甘油三酯只有碳之间的单键。不饱和甘油三酯可能有双键或三键，它们在烃链中形成“扭结”。这破坏了碳氢化合物的常规线性结构，降低了分子与其他分子形成范德华相互作用的能力(选择C是正确的)。