Возможно ли образование межмолекулярной водородной связи ch4. Механизм образования водородной связи. Виды кристаллов и их свойства
Читайте также
Водородная связь – это особый вид связи, свойственный только атомам водорода. Она возникает в тех случаях, когда атом водорода связан с атомом наиболее электроотрицательных элементов, прежде всего фтора, кислорода и азота. Рассмотрим образование водородной связи на примере фтороводорода. Атом водорода имеет единственный электрон, благодаря которому он может образовывать с атомами электроотрицательных элементов только одну ковалентную связь. При образовании молекулы фтороводорода возникает связь Н-F, осуществляемая общей электронной парой, которая смещена к атому более электроотрицательного элемента - фтора.
В результате такого распределения электронной плотности молекула фтороводорода представляет из себя диполь, положительный полюс которого – это атом водорода. Из-за того, что связывающая электронная пара смещается к атому фтора, ядро атома водорода частично обнажается и частично освобождается ls-орбиталь этого атома. У любого другого атома положительный заряд ядра даже после удаления валентных электронов экранируется внутренними электронными оболочками, которые обеспечивают отталкивание от электронных оболочек других молекул. У водорода же таких оболочек нет, а ядро представляет собой чрезвычайно малую положительно заряженную субатомную частицу – протон (его диаметр примерно в 10 5 раз меньше диаметров других атомов, вследствие отсутствия электронов он притягивается электронной оболочкой другого нейтрального атома или отрицательно заряженного иона).
Напряженность электрического поля вблизи частично оголенного атома водорода настолько велика, что он может интенсивно притягивать к себе отрицательный полюс соседней полярной молекулы. Поскольку этот отрицательный полюс не что иное, как атом фтора, имеющий три несвязывающие электронные пары, а 1s – орбиталь атома водорода частично вакантна, то между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом фтора другой, соседней молекулы, возникает донорно-акцепторное ваимодействие.
Таким образом, в возникновении водородной связи существенную роль, наряду с элетростатическим взаимодействием играет и донорно-акцепторное взаимодействие. В результате такого взаимодействия возникает дополнительная (вторая) связь с участием атома водорода. Это и есть водородная связь . Ее обычно обозначают точками: …F–Н F–H… Образующаяся за счет водородной связи система из трех атомов, как правило, линейна.
Водородная связь отличается от ковалентной по энергии и длине. Она более длинная и менее прочная, чем ковалентная. Энергия водородной связи 8 – 40 кДж/моль, ковалентной 80 – 400 кДж/моль. Так, в твердом фтороводороде длина ковалентной связи F–Н равна 95 пм, в то время как водородная связь Н–F имеет длину 156 пм. Благодаря водородным связям между молекулами HF кристаллы твёрдого фтороводорода состоят из бесконечных плоских зигзагообразных цепей.
Водородные связи между молекулами HF частично сохраняются и в жидком и даже в газообразном фтороводороде.
Водородная связь условно записывается в виде трёх точек и изображается так:
где X, Y – атомы F, O, N, Cl, S
Энергия и длина водородной связи определяются дипольным моментом связи X–H и размерами атома Y. Длина водородной связи уменьшается, а энергия возрастает с увеличением разности электроотрицательностей атомов X и Y (и соответственно дипольного момента связи X–H) и с уменьшением размера атома Y.
Водородные связи образуют также молекулы, в которых имеются связи О–Н (например, вода H 2 O, хлорная кислота НClO 4 , азотная кислота HNO 3 , карбоновые кислоты RCOOH, фенолы C 6 H 5 OH, спирты ROH) и N–Н (например, аммиак NH 3 , тиоциановая кислота HNCS, органические амиды RCONH 2 и амины RNH 2 и R 2 NH).
Вещества, молекулы которых соединены водородными связями, отличаются по своим свойствам от веществ, аналогичных им по строению молекул, но не образующих водородные связи. Температуры плавления и кипения соединений с водородом элементов IVA–группы, в которых нет водородных связей, плавно понижаются с уменьшением номера периода (рис. 15).У соединений с водородом элементов групп VA-VIIA наблюдается нарушение этой зависимости. Три вещества, молекулы которых соединены водородными связями (аммиак NH 3 , вода Н 2 О и фтороводород HF), имеют гораздо более высокие температуры кипения и плавления, чем их аналоги. Кроме того, у этих веществ более широкие температурные интервалы существования в жидком состоянии, более высокие теплоты плавления и испарения.
Важную роль играет водородная связь в процессах кристаллизации и растворения веществ, а также при образовании кристаллогидратов.
Водородная связь может возникать не только между молекулами (межмолекулярная водородная связь, МВС) ,как это имеет место во всех рассмотренных выше примерах, но и между атомами одной и той же молекулы (внутримолекулярная водородная связь, ВВС) . Например, благодаря внутримолекулярным водородным связям между атомами водорода аминогрупп и атомами кислорода карбонильных групп возникают спиральные полипептидные цепи, образующие молекулы белков.
Огромную роль водородные связи играют в процессах редупликации и биосинтеза белка. Две нити двойной спирали ДНК удерживаются вместе водородными связями. В процессе редупликации эти связи разрываются. При транскрипции синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы происходит также благодаря возникновению водородных связей. Оба процесса возможны потому, что водородные связи легко образуются и легко разрываются.
Рис. 15 Температуры плавления (а) и кипения (б)бинарных соединений элементов IV-VIIА - групп с водородом
Вопросы для самоконтроля
1. Может ли химическая связь осуществляться одним электроном?
2. Какими показателями характеризуют прочность химической связи?
Может ли длина связи быть равной сумме радиусов двух изолированных атомов, вступающих в химическую связь?4. Чем должны обладать химические частицы для установления между собой ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму?
5. Чем определяется валентность атомов элементов в химическом соединении?
6. Чем ограничивается число ковалентных связей, образуемых атомом какого-либо элемента в химическом соединении?
7. Что является причиной гибридизации электронных орбиталей атомов участвующих в образовании ковалентных связей?
8. Какие атомные орбитали могут гибридизоваться?
9. Какой тип гибридизации атомных орбиталей наиболее часто осуществляется в неорганических соединениях?
10. Что является мерой полярности ковалентной связи? Чем она измеряется?
11. Что называется электроотрицательностью атома элемента?
12. Дайте определение ковалентной, ионной, металлической и водородной связям.
13. Почему метан по аналогии с аммиаком, фтороводородом и водой не имеет аномально высокой температуры кипения?
14. Чему равна валентность атома углерода в молекуле СО?
15. Может ли произойти реакция между HF и SiF?
16. Какова кратность ковалентной связи в молекуле NО?
17. Укажите тип гибридизации электронных орбиталей атома углерода в молекуле СО 2 .
18. Одинакова ли геометрическая конфигурация молекул BF 3 и NF 3 ?
19. Дипольный момент молекулы HCN равен 2,9 D. Вычислите длину диполя.
Тесты
1. Длина ковалентной связи наибольшая в молекуле … .
1) НСl 2) НI 3) НВr 4) НF
2. Максимальную тенденцию образовывать химические соединения с ионной связью проявляют атомы элементов … .
1) Сu и Сl 2) Н и Сl 3) Li и Сl 4) С и Сl
3. Молекула ВеF 2 (газообразный фторид бериллия) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
1) НF, Н 2 О, NН 3 2) Н 2 О, Н 2 Sе, Н 2 S
3) НСl, НI, НВr 4) NН 3 , NСl 3 , NF 3
2. π-Связи могут образовываться в результате перекрывания электронных облаков … типа.
1) s и р 2) s и s 3) р и р 4) s и d
3. Молекула аммиака имеет … строение.
1) тригональное 2) пирамидальное
3) угловое 4) тетраэдрическое
1. Полярность ковалентной связи увеличивается в ряду … .
1) ССl 4 , СН 4 , СО 2 2) СН 4 , NН 3 , Н 2 О
3) НF, Н 2 О, Н 2 Sе 4) NН 3 , NСl 3 , NВr 3
2. В молекуле сероводорода возможны … .
1) только σ-связи
2) только π-связи
3) как σ-, так и π-связи
3. Молекула SnСl 4 (газообразный хлорид олова) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
1. Полярность ковалентной связи в ряду НСl – НВr – НI … .
1) увеличивается
2) не изменяется
3) уменьшается
4) вначале уменьшается, а затем увеличивается
2.Число двойных связей одинаково в молекулах … .
1) СО 2 и SО 3 2) Н 2 SО 4 и НСlО 4
3) SО 2 и Н 2 SО 4 4) N 2 и С 2 Н 2
3. Молекула SnСl 2 (газообразный хлорид олова) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
3) тетраэдрическое 4) пирамидальное
1. В кристаллах NаF, RbСl, СsСl химическая связь … .
Число π-связей одинаково в молекулах … .1) С 2 Н 4 и СО 2 2) SО 3 и Н 2 SО 4
3) N 2 и С 2 Н 4 4) СО 2 и С 2 Н 2
3. Молекула метана имеет … строение.
1) угловое 2) тетраэдрическое
3) пирамидальное 4) тригональное
1. В молекулах О 2 , N 2 , Сl 2 , Н 2 связь … .
1) ионная 2) ковалентная полярная
3) ковалентная неполярная 4) металлическая
2. Число σ-связей одинаково в молекулах … .
1) С 2 Н 4 и РСl 5 2) SО 2 и С 2 Н 2
3) SО 2 Сl 2 и СОСl 2 4) Н 2 SО 4 и РОСl 3
3. Молекула сероводорода имеет … строение.
1) угловое 2) тетраэдрическое
3) линейное 4) пирамидальное
1) Сl 2 2) SО 2 3) NН 3 4) Н 2 S
2. В молекуле азота существуют … .
3) одна σ- и две π-связи 4) одна π- и две σ-связи
3. Молекула АlСl 3 (газообразный хлорид алюминия) имеет … строение.
3) тетраэдрическое 4) угловое
1. Длина ковалентной связи больше во второй молекуле в случае соединений … .
1) Сl 2 и N 2 2) SО 2 и СО 2 3) СF 4 и СН 4 4) F и НВr
2. Валентный угол в ряду NН 3 – РН 3 – АsН 3 … .
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
3. Молекула GаСl 3 (газообразный хлорид галлия) имеет … строение.
1) пирамидальное 2) тригональное
3) тетраэдрическое 4) угловое
1. В ряду LiF – ВеF 2 – ВF 3 – СF 4 – NF 3 – ОF 2 – F 2 … .
2. Ионный тип связи имеет … .
1) хлорид калия 2) фторид кислорода(II)
3) фторид углерода(IV) 4) хлорид фосфора(III)
3. Молекула МgСl 2 (газообразный хлорид магния) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
1) КСl 2) НСl 3) ССl 4 4) NН 4 Сl
2. Ковалентную полярную связь имеет … .
1) алмаз 2) аммиак 3) фтор 4) кобальт
3. Молекула АsН 3 имеет строение … .
1) линейное 2) тригональное
3) пирамидальное 4) тетраэдрическое
1. В ряду NаСl – МgСl 2 – АlСl 3 – SiСl 4 – РСl 3 – Сl 2 … .
1) ионный характер связи усиливается
2) ковалентный характер связи усиливается
3) ковалентный характер связи ослабевает
4) ионный характер связи не изменяется
2. Ковалентную неполярную связь имеет … .
1) хлорид натрия 2) хлор
3) хлороводород 4) цинк
3. Молекула ССl 4 имеет строение … .
1) угловое 2) пирамидальное
1. Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется в … .
1) NаF 2) НF 3) (НF) 2 4) НВrF 4
2. В молекуле N 2 у атомов азота … .
1) валентность равна степени окисления
2) валентность больше степени окисления
3) валентность и степень окисления противоположны по знаку
4) валентность меньше степени окисления
3. Молекула сероводорода имеет строение … .
1) линейное 2) угловое
3) пирамидальное 4) тетраэдрическое
1. Валентный угол в ряду молекул Н 2 О, Н 2 S, Н 2 Sе, Н 2 Те … .
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
2. Максимальную тенденцию образовывать соединения с ионной связью проявляют элементы … .
1) Rb и F 2) Сu и F 3) Н и F 4) С и F
3. Молекула GеСl 2 [газообразный хлорид германия(II)] имеет … строение.
1) линейное 2) угловое
3) пирамидальное 4) тетраэдрическое
1. Валентный угол в ряду молекул NН 3 , РН 3 , АsН 3 … .
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
2. При образовании связи в молекуле НВr перекрываются электронные облака … типа.
3. Молекула GеСl 4 [газообразный хлорид германия (IV)] имеет … строение.
1) линейное 2) угловое
3) пирамидальное 4) тетраэдрическое
Прочность химической связи в ряду ВF 3 – АlF 3 – GаF 3 – InF 3 … .1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
2. При образовании связей в молекуле кислорода перекрываются электронные облака … типа.
1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d
3. Молекула ВСl 3 имеет … строение.
1) линейное 2) тригональное
3) пирамидальное 4) тетраэдрическое
1. Прочность ковалентной связи в ряду Н 2 S – Н 2 Sе – Н 2 Те … .
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала уменьшается, а затем увеличивается
2. При образовании связей в молекуле азота перекрываются электронные облака … типа.
1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d
3. Молекула ОF 2 имеет строение … .
1) линейное 2) пирамидальное
3) тетраэдрическое 4) угловое
1. Прочность химической связи в ряду SnСl 4 – GеСl 4 – SiСl 4 – ССl 4 … .
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
2. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .
1) Сl 2 2) F 2 3) I 2 4) Вr 2
3. Молекула фосфина РН 3 имеет … строение
1) пирамидальное 2) тетраэдрическое
3) угловое 4) тригональное
1.Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .
1) РН 3 2) Н 2 S 3) SiН 4 4) НСl
2. В молекуле аммиака образуются … .
1) только σ-связи 2) только π-связи
3) одна σ- и две π-связи 4) две σ- и одна π-связи
1) пирамидальное 2) тригональное
3) тетраэдрическое 4) угловое
1. Длина ковалентной связи увеличивается в ряду … .
1) Сl 2 , N 2 , О 2 2) НСl, НF, НВr
3) АlСl 3 , GаСl 3 , InСl 3 4) Н 2 Sе, Н 2 S, Н 2 Те
2. Ионный тип связи имеет … .
1) хлорид бора 2) хлорид цезия
3) хлорид фосфора(III) 4) хлороводород
3. Молекула GеСl 2 (газообразный хлорид германия) имеет строение … .
1) угловое 2) линейное
1. Прочность ковалентной связи в ряду Н 2 Sе – Н 2 S – Н 2 О … .
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
2. Ковалентная связь образуется между атомами … .
1) неметаллов
2) типичных неметалла и металла
3) металла
1. Молекула РbСl 2 (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
3) тригональное 4) пирамидальное
1. Длина связи увеличивается в ряду … .
1) F 2 , О 2 , N 2 2) НВr, НСl, НF
3) ВСl 3 , АlСl 3 , GаСl 3 4) Н 2 S, Н 2 О, NН 3
1) N 2 2) Н 2 О 3) ССl 4 4) ВСl 3
3. Молекула РbСl 4 (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
3) пирамидальное 4) тетраэдрическое
1. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .
1) Н 2 Те 2) Н 2 О 3) Н 2 Sе 4) Н 2 S
2. Примером неполярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является … .
1) О 2 2) ССl 4 3) Н 2 S 4) НСl
3. Молекула ССl 4 имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
3) тетраэдрическое 4) пирамидальное
1. Ионный тип связи имеет … .
1) лёд 2) поваренная соль
3) алмаз 4) металлическая медь
2. Электронные орбитали атома бериллия в молекуле ВеН 2 (газообразный гидрид бериллия) гибридизованы … по типу.
3. Молекула ВеН 2 (газообразный гидрид бериллия) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
3) тригональное 4) тетраэдрическое
1. Образование ионной кристаллической решетки характерно для … .
1) иодида цезия 2) графита
3) иода 4) льда
2. Электронные орбитали атома алюминия в молекуле АlСl 3 (газообразный хлорид алюминия) гибридизованы … по типу.
1) sр 2) sр 2 3) sр 3 4) s 2 р
3. Молекула АlСl 3 (газообразный хлорид алюминия) имеет строение … .
1) угловое 2) линейное
3) тригональное 4) пирамидальное
1. Полярность ковалентной связи уменьшается в ряду … .
1) НF, НI, НСl 2) NН 3 , Н 2 О, НF
3) Н 2 О, Н 2 S, Н 2 Sе 4) NН 3 , Н 2 S, НF
2. Электронные орбитали атома германия в молекуле GеСl 4 (газообразный хлорид германия) гибридизованы … по типу.
3. Молекула GеСl 4 (газообразный хлорид германия) имеет … строение.
1) угловое 2) линейное
3) пирамидальное 4) тетраэдрическое
1. В молекулах НСl, NН 3 , Н 2 Sе химическая связь … .
1) водородная 2) ковалентная полярная
3) ковалентная неполярная 4) ионная
2. Примером полярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является … .
1) Н 2 О 2) N 2 3) АlСl 3 4) ССl 4
3. Молекула Н 2 Sе имеет … строение.
1) пирамидальное 2) угловое
3) тетраэдрическое 4) линейное
1. Степень ионности связи в ряду NiСl 2 – СаСl 2 – КСl – RbСl … .
1) усиливается
2) ослабевает
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
2. Примером неполярной молекулы, имеющей ковалентные полярные связи является … .
1) Н 2 2) АsН 3 3) ВеН 2 4) Н 2 S
3. Водородная связь соединяет молекулы … .
1) водорода 2) фтороводорода
3) теллуроводорода 4) гидрида мышьяка
1. Степень ионности связи в ряду АlСl 3 – SiСl 4 – РСl 5 … .
1) уменьшается
2) увеличивается
3) не изменяется
4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
2. Орбитали атома кремния в молекуле SiН 4 гибридизированы … по типу.
1) sр 2) sр 2 3) sр 3 4) s 2 р 2
3. Молекула силана SiН 4 имеет … строение.
1) пирамидальное 2) угловое
3) тетраэдрическое 4) тригональное
Литература
1) Килеев Р.Г., Векшин В.В. Пособие по общей химии, – Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2004. – С.101-138.
2) Химия: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Н.Н. Волков, М.А. Мелихова. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – С.28-44.
3) Слесарев С.31-47
4) Глинка С.97-157 (учебник и задачник)
5) Князев С.145-193
6) Угай С.56-98
Термин «химическая связь» введен А.М.Бутлеровым в 1863г.
1 Джоуль есть работа силы в 1 Н на пути в 1 м.
Энергия в 1 кДж может поднять 1 кг груза на 102 м или 102 кг груза на 1 м. Ю.Майер в 1842 г. Определил механический эквивалент теплоты, равный 427 кгм/ккал. Из этого (с учётом того, что 1 ккал = 418,68 кДж) следует, что прои образовании хим. связей в 1 моль вещ-ва выделяется энергия, которая может произвести работу, равную 10 200 – 102 000 кгм. Это значит, что 1 моль вещ-ва обладает энергией, достаточной для того, чтобы поднять груз массой в 10,2 – 102 т на 1м или, наоьорот, 1 кг поднять на 102 – 1020 м.
По аналогии с атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали обозначают греческими буквами σ, π, δ, φ.
1 пм (пикометр) = 10 -12 м.
Валентность
(от лат. valentia
– сила) атома – это способность атома элемента образовывать химические связи; количественной меры валентности (в рамках метода валентных связей) является число связей, образованных данным атомом с другими атомами или атомными группировками.
Валентность (ковалентность) атома элемента в общем случае определяется числом орбиталей, которые могут быть использованы в образовании химических связей.
Гибридные орбитали обозначают буквой «g».
Ковалентной полярной будет также связь между атомами нетипичных металлов и неметаллов в случае небольшой разницы в значениях их ЭО, например AlBr 3 , GeH 4 и др.
Эффективный (реальный) заряд атома – заряд, возникающий на атоме вследствие смещения электронной плотности в молекуле в сторону более электроотрицательного атома. При этом более электроотрицательный атом приобретает отрицательный эффективный заряд (он обозначается «-δ», а атом-партнер в молекуле – положительный заряд «+δ»). Величина эффективного заряда измеряется в единицах абсолютного заряда электрона. Для атомов, образующих ковалентную неполярную связь, эффективный заряд равен нулю, например, Н–Н. Эффективный заряд может служить мерой ионности ковалентной связи. Например, для хлороводорода HCl δ H = +0,2, δ Cl = -0,2, и связь в молекуле HCl примерно на 20 % имеет ионный характер, то есть она полярна и близка к ковалентной; в хлориде натрия NaCl δ Na = +0,8, δ Cl = -0,8 и можно говорить, что связь на 80 % ионная.
В пределах Периодической системы хим. элементов с увеличением порядкового номера элемента значения эффективных зарядов атомов в одноатомных соединениях уменьшаются. В главных подгруппах с ростом порядкового номера элемента эффективные заряды увеличиваются. Эффективный заряд атома одного и того же элемента в различных соединениях снижается с уменьшением полярности связи.
В молекулах соединениях HF, H 2 O, NH 3 существуют связи водорода с сильно электроотрицательным элементом (Н–F, Н–O, Н–N). Между молекулами таких соединений могут образовываться межмолекулярные водородные связи . В некоторых органических молекулах, содержащих связи Н–O, Н–N, могут возникать внутримолекулярные водородные связи .
Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно – акцепторный характер. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором - атомы водорода, соединенные с этими атомами. Как и для ковалентной связи, для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость .
Водородную связь принято обозначать точками: Н ··· F. Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнера и чем меньше его размеры. Она характерна прежде всего для соединений фтора, а также кислорода, в меньшей степени азота, в еще меньшей степени для хлора и серы. Соответственно меняется и энергия водородной связи (табл. 1).
Таблица 1. Средние значения энергий водородных связей
Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь
Благодаря водородным связям молекулы объединяются в димеры и более сложные ассоциаты. Молекулы воды образуют ассоциаты (Н 2 О) 2 , (Н 2 О) 3 , (Н 2 О) 4 ; спирта ( C 2 H 5 ОН) 4 . Этим и объясняется увеличение температуры кипения спиртов по сравнению с углеводородами, Наблюдается хорошее растворение метанола и этанола в воде. Водородная связь, возникшая между молекулами, называется межмолекулярной.
Например, образование димера парагидроксибензальдегида можно представить следующей схемой (рис. 1).
Рис. 1. Образование межмолекулярных водородных связей в парагидроксибензальдегиде.
Водородные связи могут возникать как между различными молекулами (межмолекулярная водородная связь), так и внутри молекулы (внутримолекулярная водородная связь). Внутримолекулярные водородные связ и имеются в многоатомных спиртах, углеводах, белках и других органических веществах.
Влияние водородной связи на свойства веществ
Наиболее удобным индикатором существования межмолекулярной водородной связи является температура кипения вещества. Более высокая температура кипения воды (100 o C по сравнению с водородными соединениями элементов подгруппы кислорода (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te) объясняется наличием водородных связей: на разрушение межмолекулярных водородных связей в воде необходимо затратить дополнительную энергию.
Водородная связь существенным образом может влиять на структуру и свойства веществ. Существование межмолекулярной водородной связи повышает температуры плавления и кипения веществ. Наличие внутримолекулярной водородной связи приводит к тому, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) оказывается свернутой в воде двойной спирали.
Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.
Примеры соединений: одноатомные (метанол, этанол) и многоатомные спирты (глицерин, этиленгликоль), карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, белки, вода, аммиак, фтороводород, кислородсодержащие карбоновые кислоты.
Водород — простейший химический элемент во Вселенной. Его атом состоит всего из одного протона в ядре и одного электрона. Несмотря на свою физическую и химическую простоту, водород является основным элементом мироздания, благодаря ему горят и светятся звезды, наша планета покрыта водой, а сложнейшие органические соединения дали начало самому удивительному явлению во Вселенной — .
Вконтакте
Особенности вещества
В природе встретить водород в составе других элементов таблицы Менделеева можно повсюду. Самым ярким примером такого соединения является такое вещество, как .
Водород имеет три изотопа:
- протий Н (тот самый первый элемент таблицы Менделеева, привычный нам всем водород);
- дейтерий (так называемый тяжелый водород, содержащий в ядре не только протон, но и нейтрон);
- тритий — радиоактивный изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов.
Водородная связь характерна и присутствует в большинстве органических соединений. Соединяясь с хлором, водород образует хлорную кислоту, с кислородом — воду, с азотом — аммиак. Данные явления, обнаруженные в конце 19 века, были открыты русскими химиками М. Ильинским и Н. Бекетовым.
Ученые установили, что содержащая водород группа атомов чаще всего образует стабильные объединения с заряженным отрицательно атомом, который может входить в состав той или ной молекулы (не исключено, что даже в ту же самую). Данная дополнительная «сцепка» называется водородной связью.
Природа явления
Дадим определение водородной связи (в.с.). Это взаимодействие между отрицательно заряженными частицами молекул, реализованным атомом водорода.
Если чертой обозначить связь ковалентного типа, а тремя точками — водородную, то символически можно отобразить в.с. между молекулами А и В таким образом: .
Природу данного межатомного явления понять довольно просто. Атом Н несет положительные заряды δ+, если он встречает на своем пути заряженный отрицательно и обладающий зарядом δ−, то вступает с ним в электростатический контакт.
Важно! Чаще всего в.с. заметно слабее по сравнению с ковалентными. Однако они намного крепче, чем стандартное молекулярное притяжение частиц, свойственное твердым и жидким телам.
Ковалентность
Несмотря на то, что в.с. может протекать в рамках двух частиц пары совершенно разных молекул, водородная химическая не является молекулярной связью. Свойство направления и насыщения — одно из качеств в.с., которое делает ее очень похожей на ковалентную. Отметим, что во многих теориях, в.с. считается видом и это совершенно никак не влияет на результаты, поэтому можно считать данное мнение корректным. Более того, сама природа в.с. очень близка к ковалентной.
Это можно легко продемонстрировать при помощи традиционных химических методов, рассчитывающих орбитали внутри молекул. В этом исчислении она будет представлять собой трехцентровые двухэлектронные связи. В очередной раз это доказывает, что отнесение ВС к разновидности ковалентной не несет ничего антинаучного.
Процесс образования
Каков способ образования. Образуются водородные связи между электроотрицательными атомами, один из которых имеет свободную электронную пару.
Самым убедительным признаком в.с. является дистанция между атомом Н и вторым атомом. Все дело в том, что дистанция между атомами меньше, чем сумма двух атомарных радиусов. Не смотря на часто встречающуюся асимметрию (когда в , дистанция превышает расстояние ) все равно сумма радиусов атомов больше, чем расстояние между ними.
Да, асимметрия в в.с. встречается часто, однако существуют и симметричные конструкции, например HF. Угол между первым и вторым атомом в системе приближен к 180 градусам. Вспоминая фтороводороды HF, следует заметить, что соединение с фтором — одно из самых крепких. HF представляет собой ион симметричного типа 
. В нем энергия водородных соединений составляет порядка 150 килоджоулей в одном моле. Ковалентная связь фтороводорода приблизительно такая же. В воде Н 2 О в.с. значительно меньше — около 20 килоджоулей на моль.
Соединение частиц через водород найдено в большом количестве различных соединений. Химическая связь часто возникает между фтором, азотом и , так как последние являются самыми электроотрицательными элементами. Редко обнаруживается между хлором, серой и прочими элементами, не являющимися металлами.
Важно! Азот и кислород — основа жизни, эти элементы содержатся в особо высокой концентрации в углеводах, белках и нуклеиновой кислоте. Если бы между этими веществами не было прочного контакта через атом Н, жизнь на Земле была бы невозможна.
Межмолекулярная водородная связь — разновидность образования крепкой структуры, связывающей через атом Н одну молекулу с другой. Ярким примером является муравьиная кислота. Она представляет собой молекулу, состоящую из двух или более простых молекул (димер).
Внутримолекулярная ВС — разновидность, при которой атом Н является связующим звеном в рамках одной молекулы.
То же самое относится к фтороводороду, который находится в газообразном состоянии. Он содержит такие полимерные структуры, которые могут состоять из четырех простых молекул НF, объединенных друг с другом через водород.
Примеры водородной межмолекулярной конструкции искать не приходится: растворимость глюкозы, фруктозы, сахарозы в водном растворе объясняются именно при помощи водорода и его соединительным свойствам. Молекулярные структуры живых организмов (молекула , например) содержат миллионы сложных конструкций, связанных водородом.
Функция соединений
Насколько важна социальная роль данных связей. Рассмотрим несколько веществ, которые существуют благодаря водородному соединению. Мы будем сравнивать эти молекулы с водой. Чтобы наши размышления были честными, мы будем выбирать для сравнения исключительно неметаллы. Эти вещества называются халькогеноводородами.
Например, теллур. Водородное соединение H 2 Te кипит при температуре -2 градуса. Что касается, селена, то H 2 Se кипит при температуре -42 градуса, а серный халькогеноводород H 2 S кипит при -60 градусах. Поразительно то, что вода кипит при +100 градусах.
Внимание! Если бы не было в.с., а кислород не обладал настолько «цепкими» качествами, при существующем климате на Земле не существовало бы воды в жидком состоянии. Такая высокая температура кипения — непосредственное следствие водородной связи.
«Сцепление» атомов кислорода с водородом показано на следующем изображении.
Но на этом удивительные свойства воды не заканчиваются. Следует также помнить о ее плавлении. И снова водородная связь — именно из-за нее при плавлении плотность начинает расти. При таянии льда, каждое десятое водородное соединение разрушается, из-за чего молекулы воды приближаются друг к другу.
Типы и свойства водородной связи.
Водородная связь. Самоподготовка к ЕГЭ и ЦТ по химии
Вывод
Образования водородной связи влияют на кислотность веществ. К примеру, плавиковая кислота НF является достаточно слабой. При этом другие галогеноводородные кислоты довольно сильны. Причина этого в том, что Н соединен сразу с двумя атомами F, а это не дает им возможности отцепиться. Именно благодаря этому, НF- единственная кислота, образующая кислую соль NaHF 2 .
Природа
Часто водородную связь рассматривают как электростатическое взаимодействие, усиленное небольшим размером водорода, которое разрешает близость взаимодействующих диполей. Тогда об этом говорят как о разновидности донорно-акцепторной связи , невалентном взаимодействии между атомом водорода H , ковалентно связанным с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR" . Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-H BR" различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли «моста», связывающего фрагменты RA и BR" .
Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность , её распространенность и важность, особенно в органических соединениях , а также некоторые побочные эффекты, связанные с малыми размерами и отсутствием дополнительных электронов у водорода.
Свойства
Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, то есть их объединение в димеры или полимеры . Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород , вода , аммиак .
Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, тем не менее играет очень важную роль во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях. Водородные связи во многом обусловливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры).
Прочность водородной связи (энтальпия образования комплекса) зависит от полярности комплекса и колеблется от ~ 6 кДж/моль для комплексов молекул галогеноводородов с инертными газами до 160 кДж/моль для ион-молекулярных комплексов (AHB) ± ; так, для комплекса (H 2 O H OH 2) + образованного H 2 O и H 3 O + - 132 кДж/моль в газовой фазе.
В воде
Механизм Гротгуса
В нуклеиновых кислотах и белках
Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты . В частности, элементы вторичной структуры (например, α-спирали , β-складки) и третичной структуры в молекулах белков , РНК и ДНК стабилизированы водородными связями. В этих макромолекулах, водородные связи сцепляют части той же самой макромолекулы, заставляя её сворачиваться в определенную форму. Например, двойная спиральная структура ДНК, определяется в значительной степени наличием водородных связей, сцепляющих пары нуклеотидов, которые связывают одну комплементарную нить с другой.
В полимерах
Много полимеров усилены водородными связями в их главных цепях. Среди синтетических полимеров самый известный пример - нейлон , где водородные связи играют главную роль в кристаллизации материала. Водородные связи также важны в структуре полученных искусственно полимеров (например, целлюлозы) и в многих различных формах в природе, таких как древесина , хлопок и лён .
См. также
Примечания
Литература
- Химическая Энциклопедия. Советская Энциклопедия, М., 1988
- В. В. Москва. Водородная связь в органической химии. Соросовский образовательный журнал, 11999,N 2, с.58-64
| Химическая связь | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|||||||
| Межмолекулярное взаимодействие |
|||||||
Wikimedia Foundation . 2010 .
Исключительно большое значение в биологических системах имеет особый тип межмолекулярного взаимодействия, водородная связь, которая осуществляется между атомами водорода, химически соединенными в одной молекуле, и электроотрицательными атомами F, О, N, Cl, S, принадлежащими другой молекуле. Понятие «водородная связь» было введено впервые в 1920 г. Латимером и Родебушем для объяснения свойств воды и других ассоциированных веществ. Рассмотрим отдельные примеры такой связи.
В п. 5.2 речь шла о молекуле пиридина и было отмечено, что атом азота в ней имеет два внешних электрона с антипараллельными спинами, не участвующих в образовании химической связи. Эта «свободная» или «неподеленная» пара электронов будет притягивать протон и образовывать с ним химическую связь. При этом молекула пиридина перейдет в ионное состояние . Если имеются две пиридиновые молекулы, то они будут соревноваться в захвате протона, в результате образуется соединение
в котором тремя точками обозначен новый тип межмолекулярного взаимодействия, называемый водородной связью. В этом соединении протон находится ближе к левому атому азота. С таким же успехом протон может оказаться ближе к правому атому азота. Следовательно, потенциальная энергия протона как функция расстояния до правого или левого атома азота при фиксированном расстоянии между ними (примерно ) должна изображаться кривой с двумя минимумами. Квантовомеханический расчет такой кривой, проведенный Рейном и Харрисом , приведен на рис. 4.
Квантовомеханическую теорию водородной связи А-Н...В на основе донорно-акцепторных взаимодействий одним из первых развивал Н. Д. Соколов . Причиной связи является вызываемое протоном перераспределение электронной плотности между атомами А и В. Кратко говорят, что происходит обобществление «неподеленной пары» электронов. В действительности же в
Рис. 4. Потенциальная кривая энергии протона в зависимости от расстояния между атомами азота двух пиридиновых молекул.
образовании потенциальных кривых водородной связи участвуют и другие электроны молекул, хотя и в меньшей степени (см. ниже).
Энергия типичных водородных связей варьирует в пределах от 0,13 до 0,31 эВ. Она на порядок меньше энергии химических ковалентных связей, но на порядок больше энергии вандерваальсовых взаимодействий.
Наиболее простым межмолекулярным комплексом, образованным водородной связью, является комплекс Этот комплекс имеет линейную структуру. Расстояние между атомами фтора 2,79 А. Расртояние между атомами в полярной молекуле равно 0,92 А. При образовании комплекса выделяется энергия около 0,26 эВ.
С помощью водородной связи образуется димер воды с энергией связи около 0,2 эВ. Эта энергия равна примерно двадцатой части энергии ковалентной связи ОН. Расстояние меж двумя атомами кислорода в комплексе равно примерно 2,76 А. Оно меньше сумш вандерваальсовых радиусов атомов кислорода, равной 3,06 А. На рис. 5 указано рассчитанное в работе изменение электронной плотности атомов воды при образовании комплекса. Эти расчеты подтверждают, что при образовании комплекса изменяется распределение электронной плотности вокруг всех атомов реагирующих молекул.
О роли всех атомов в установлении водородных связей в комплексе можно судить также по взаимному влиянию двух водородных связей между азотистыми основаниями, тимином и аденином, входящими в состав двойной спирали молекулы ДНК . Расположение минимумов потенциальных кривых протонов в двух связях отражает их взаимную корреляцию (рис. 6).
Наряду с обычной или слабой водородной связью, образованной водородом с выделением энергии, меньшей 1 эВ, и характеризуемой потенциальной энергией с двумя минимумами, водород образует некоторые комплексы с большим энерговыделением. Например, при создании комплекса выделяется энергия, равная 2,17 эВ. Такой тип взаимодействия называют сильной
Рис. 5. Изменение электронной плотности около атомов в комплексе, образованном водородными связями из двух молекул воды.
Заряд электрона принят равным единице. В свободной молекула воды заряд 10 электронов распределен так, что около атома кислорода находится заряд 8,64, а у атомов водорода
Рис. 6. Водородные связи междк азотистыми основаниями: а - тимином (Т) и аденипом (А), входящими в состав молекул ДНН (стрелками указаны места присоединения оснований к цепям молекул сахара и фоофорной кислоты); - потенциальные кривые водородных связей; О - кислород; - водород; - углерод; - азот.
водородной связью. При образовании комплексов с сильной водородной связью значительно изменяется конфигурация молекул. Потенциальная энергия протона имеет один сравнительно плоский минимум, расположенный примерно в центре связи. Поэтому протон легко смещается. Легкая смещаемость протона под влиянием внешнего поля обусловливает большое значение поляризуемости комплекса.
Сильная водородная свягь не проявляется в биологических системах. Что же касается слабой водородной связи, то она имеет решающее значение во всех живых организмах.
Исключительно большая роль водородной связи в биологических системах обусловлена прежде всего тем, что она определяет вторичную структуру белков, имеющую основное значение для всех жизненных процессов; с помощью водородных свявей удерживаются пары оснований в молекулах ДНК и обеспечивается их устойчивая структура в виде двойных спиралей, и, наконец, водородная связь ответственна за весьма необычные свойвтва воды, важные для существования живых систем.
Вода является одним из основных компонентов всего живого. Организмы животных почти на две трети состоят из воды. Человеческий эмбрион в течение первого месяца содержит около 93% воды. Бег воды не было бы жигни. Вода служит основной средой, в которой происходят биохимические реакции в клетке. Она образует жидкую часть крови и лимфы. Вода необходима для пищеварения, так как расщепление углеводов, белков и жиров происходит с присоединением молекул воды. Вода выделяется в клетке при построении белков из аминокислот. Физиологические
Рис. 7. Структура льда. Каждая молекула воды соединена водородными связями (три точки) с четырьмя молекулами воды, находящимися в вершинах тетраэдра.
Рис. 8. Водородная связь в димере и «линейная» водородная связь
свойства биополимеров и многих надмолекулярных структур (в частности, клеточных мембран) весьма существенно зависят от их взаимодействия с водой.
Рассмотрим некоторые свойства воды. Каждая молекула воды обладает большим электрическим моментом. Вследствие высокой электроотрицательности атомов кислорода молекула воды может образовывать водородные связи с одной, двумя, тремя и четырьмя другими молекулами воды. В результате получаются сравнительно устойчивые димеры и другие полимерные комплексы. В среднем каждая молекула в жидкой воде имеет четыре соседа. Состав и структура межмолекулярных комплексов зависят от температуры воды.
Наиболее упорядоченную структуру имеет кристаллическая вода (лед) при нормальном давлении и температуре ниже нуля градусов Цельсия. Кристаллы ее имеют гексагональную структуру. В элементарную ячейку входят четыре молекулы воды. Структура ячейки изображена на рис. 7. Вокруг центрального атома кислорода располдженьг в вершинах правильного тетраэдра на расстояниях 2,76 А четыре других атома кислорода. Каждая молекула воды соединена с соседними четырьмя водородными связями. При этом угол между ОН-связями в молекуле приближается к «тетраэдрическому» значению 109,1°. В свободной молекуле он равен приблизительно 105°.
Структура льда напоминает структуру алмаза. Однако в алмазе между атомами углерода действуют химические силы. Кристалл алмаза - это большая молекула. Кристаллы льда относятся к молекулярным кристаллам. Молекулы в кристалле сохраняют в основном свою индивидуальность и удерживают друг друга водородными связями.
Рис. 9. Экспериментальное значение смещения инфракрасной частоты колебаний в воде при образовании водородной связи под углом .
Решетка льда весьма рыхлая и содержит много «пустот», так как число ближайших молекул воды у каждой молекулы (координационное число) равно только четырем. При расплавлении решетка льда частично разрушается, одновременно заполняются некоторые пустоты и плотность воды становится больше плотности льда. Это одна из основных аномалий воды. При дальнейшем нагревании до 4° С процесс уплотнения продолжается. При нагревании выше 4° С возрастает амплитуда ангармонических колебаний, уменьшается число ассоциированных молекул в комплексах (роях) и плотность воды уменьшается. По грубым оценкам в состав роев при комнатной температуре входит около 240 молекул, при 37° С - около 150, при 45 и 100° С соответственно 120 и 40.
Вклад водородной связи в полную энергию межмолекулярных взаимодействий (11,6 ккал/моль) составляет около 69%. Вследствие водородных связей температуры плавления (0° С) и кипения (100° С) воды существенно отличаются от температур плавления и кипения других молекулярных жидкостей, между молекулами которых действуют только вандерваальсовы силы. Например, для метана эти значения соответственно равны-186 и -161° С.
В жидкой воде наряду с остатками тетраэдрической структуры льда имеются линейные и циклические димеры и другие комплексы, содержащие 3, 4, 5, 6 и более молекул. Существенно, что в зависимости от числа молекул в цикле меняется угол Р, образованный между связью ОН и водородной связью (рис. 8). В димере этот угол равен 110°, в пятичленном кольце 10°, а в шестичленном кольце и гексагональной структуре льда он близок к пулю («линейная» водородная связь).
Оказывается, что наибольшая энергия одной водородной связи соответствует углу Энергия водородной связи пропорциональна (правило Бадгера - Бауера) смещению частоты валентных инфракрасных колебаний группы ОН в молекуле воды но сравнению с частотой колебаний свободной молекулы. Максимальное смещение наблюдается в случае «линейной» водородной связи. В молекуле воды в этом случае частота уменьшается на , а частота - на . На рис. 9 приведен график зависимости отношения смещения
частоты к максимальному смещению от угла . Следовательно, этот график характеризует также зависимость энергии водородной связи от угла . Такая зависимость является проявлением кооперативного характера водородной связи.
Предпринимались многократные попытки теоретического вычисления структуры и свойств воды при учете водородных связей и других межмолекулярных взаимодействий. Согласно статистической физике термодинамические свойства системы взаимодействующих молекул, находящейся в объеме V при постоянном давлении Р в статистическом равновесии с термостатом, определяются через статистическую сумму состояний
.
К сожалению, вследствие сложного характера взаимодействий между молекулами в воде (анизотропные дипольные молекулы, водородные связи, приводящие к комплексам переменного состава, в которых энергия водородных связей сама зависит от состава и структуры комплекса и т. д.) мы не можем записать оператор Н в явном виде. Поэтому приходится прибегать к очень большим упрощениям. Так, Намети и Шерага вычислили статистическую сумму, исходя того, что можно учесть только пять энергетических состояний молекул в комплексах соответствии
с числом образуемых ими водородных связей (0, 1, 2, 3, 4) с соседними молекулами. С помощью этой модели им даже удалось показать, что плотность воды максимальна при 4° С. Однако в дальнейшем сами авторы подвергли критике развитую ими теорию, так как она не описывала многие экспериментальные факты. С другими попытками теоретических расчетов структуры воды можно познакомиться в обзоре Бен-Наима и Стиллингера .
Вследствие дипольного характера молекул воды и большой роли водородных связей исключительно важную роль играют и взаимодействия молекул воды с ионами и нейтральными молекулами в живых организмах. Взаимодействия, приводящие к гидратации ионов и особому типу взаимодействий, получивших название гидрофобных и гидрофильных, будут рассмотрены в следующих разделах этой главы»
Говоря о роли воды в биологических явлениях, следует отметить, что все живые организмы весьма успешно приспособились к определенной величине водородной связи между молекулами . Об этом свидетельствует тот факт, что замена молекулами тяжелой воды оказывает весьма существенное влияние на биологические системы . Уменьшается растворимость полярных молекул, уменьшается скорость прохождения нервного импульса, нарушается работа ферментов, замедляется рост бактерий и грибов и т. д. Возможно, все эти явления связаны с тем, что водородное взаимодействие между молекулами сильнее, чем взаимодействие между молекулами На большее значение водородной связи между молекулами тяжелой воды указывает бояее высокая температура ее плавления (3,8° С) и большая теплота плавления (1,51 ккал/моль). Для обычной воды теплота плавления 1,43 ккал/моль.
