Водородная связь

Образование водородной связи обусловлено специ­фикой водорода как элемента, состоящего из протона и электрона. В соединениях водорода с резко электроотрицатель­ными элементами (фтор, кислород, азот), атом водорода приобретает положительную степень окисления. Такой во­дород обладает уникальными свойствами, очень малым раз­мером и отсутствием электронов. Поэтому он может прони­кать в электронное облако электроотрицательного атома соседней молекулы, в результате между атомами возникает дополнительная водородная связь.

Водородная – это связь которая образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом сильно электро­отрицательного элемента другой молекулы. Возникновение водородной связи приводит к ассоциации (соединению) мо­лекул. Она характерна для веществ в жидком и твердом со­стояниях.

H–F^– + ⁺H–F = H–F _ _ _ H–F или H–F • • • H–F

водородная связь

Обозначают водородную связь тремя точками или тремя пунктирами.

При установлении каждой молекулой двух Н-связей вещест­во может иметь линейную (зигзагообразную) надмолекулярную структуру, как во фтороводороде (а). При участии каждой мо­лекулы в четырех Н-связях образуются трехмерные структуры (б), рис. 11.

(в) (г)

Рисунок 11 – Образование водородных связей в молекулах фтороводорода (а), воды (б), метановой кислоты (в), салицилового альдегида (г)

Такие структуры имеются в воде, каждая молекула которой обладает двумя атомами Н и двумя неподеленными электронными парами от атома кислорода О. Молекулы Н₂О объединяются в ажурные тетраэдрические структуры. В вершинах тетраэдров находятся атомы О, от которых под углами, близкими к 109° (вследствие sр³-гибридизации четырех орбиталей кислорода), расходятся четыре связи – две атомные и две водородные*. Атомы кислорода, лежащие в одной плоскости, образу­ют вершины не квадратов, а правильных шестиугольников, располагающихся слоями и определяющих гексагональную симметрию кристалли­ческого льда. Такое расположение молекул, приводящее к образованию многочис­ленных пустот, объясняет меньшую плотность льда по сравнению с жидкой водой, в которой около 15 % молекул воды уходят из узлов кристаллической решетки и за­полняют ее полости. Однако и в жидком состоянии вода сохраняет, в основном, структуру льда.

За счет образования водородных связей в веществе могут возникать межмолекулярные и внутримолекулярные циклические структуры. Например, молекулы органических кислот типа муравьи­ной, рис. 11в, соединяются попарно своими полярными концами, так как в их карбоксильных группах атом водорода и карбонильный атом кислорода направлены в одну сторону, что приводит к образова­нию из двух таких групп замкнутого цикла. Димеры этих кислот существуют даже в их парах, рис. 11.

Если в одной и той же молекуле имеются две сильно полярные атомные группы, одна из которых содержит атом водорода, то меж­ду ними может возникнуть Н-связь с образованем внутримолеку­лярного цикла, как это показано на примере салицшювого аль­дегида, рис. 11г.

Образование водородных связей приводит к усложнению струк­туры вещества, как, например, в полимерах. Изучение этих связей позволяет расшифровывать не только строение веществ, но и глуб­же понимать механизм многих физико-химических и химических процессов, особенно протекающих в водных средах – диссоциацию кислот и оснований, гидролиз веществ, набухание полимеров и пр.

Наличие водородных связей объясняет отклонение свойств некоторых соединений. Например, вследствие ассо­циации фтороводородная кислота более слабая кислота по сравнению с другими галогеноводородными кислотами, тем­пература кипения HF выше температуры кипения НС1. Спо­собностью к ассоциации обладают вода, спирты, аммиак и другие соединения.

Энергия водородной связи составляет 8–40 кДж/моль, т.е. значительно меньше энергии ковалентной свя­зи. Чем больше электроотрицательность элемента, с которым образует соединение водород, тем больше энергия водород­ной связи. Водородная связь, как и ковалентная, имеет на­правленность в пространстве и насыщаемость. Длина ее больше, чем у обычной ковалентной связи.