§2.7 Водородная связь.
Атом водорода, имеющий лишь один электрон, может образовывать ковалентную связь только с одним атомом. Также он может участвовать в дополнительной электростатической связи со вторым атомом, обладающим сильной электроотрицательностью. Таким атомом может быть атом кислорода, фтора и в меньшей степени азота. Эта дополнительная связь будет называться водородной связью. Она осуществляется между двумя атомами или структурами. Энергия одной водородной связи может изменяться в пределах 0.1-0.5 эВ.
2.7.1
Механизм образования водородных связей
на примере молекулы воды (
).
Водородная связь обеспечивает сцепление между молекулами воды в кристаллах льда, причем расстояние между атомами кислорода соседних молекул составляет 2.76..Ǻ. Это расстояние более чем в два раза превышает межъядерное расстояние О-Н в изолированной молекуле воды. Как показывают нейтронографические исследования при образовании водородной связи, когда атом водорода оттягивается к соседней молекуле, связь О-Н увеличивается всего до 1.01.. Ǻ. Таким образом, лед состоит из почти нормальных молекул воды. Существуует много различных вариантов расположения молекул воды в кристаллах льда; равновесная конфигурация определяется температурой и давлением; при высоких давлениях известны аллотропные модификации льда.
Свойства водородной связи.
1) Существует множество подтверждений, что часть водородных связей продолжает существовать и в воде. Наличием водородных связей объясняется необыкновенно высокая для этого соединения с молекулярной массой 18 температура кипения и теплота испарения.
2) Поразительные диэлектрические свойства воды и льда также обусловлены существованием водородных связей. Отклик системы на внешнее низкочастотное электрическое поле проявляется главным образом в том, что полярные молекулы воды начинают вращаться. При этом два протона перескакивают на другие позиции и образовывают новые водородные связи.
Водородные связи важны не только для взаимодействия молекул воды. Они играют важную роль в полимеризации таких соединений, как HF, HCN.
Водородная связь ответственна за сегнетоэлектрические свойства твердых тел.
Учет водородных связей имеет большое значение для понимания свойств многих органических соединений и важных биологических веществ. В биологических веществах наиболее яркие водородные связи - это те, что связывают между собой части макромолекул в белках и нуклеиновых кислотах.
§2.8 Сопоставление различных видов связи.
Наиболее универсальной
является Ван-дер-Ваальса. Она возникает
во всех без исключения случаях. Вместе
с тем она наиболее слабая связь с энергией
порядка
.
В чистом виде она проявляется
При взаимодействии нейтральных атомов и молекул, имеющих заполненные внутренние электронные оболочки. В частности, силы Ван-дер-Ваальса обуславливают жидкое и твердое состояние инертных газов, водорода, кислорода, азота, и многих органических и неорганических соединений, обеспечивает связь в широкой группе валентно-молекулярных кристаллах. Вследствие того, что энергии ван-дер-ваальсовой связи мала, все, структуры, обусловленные ею, мало устойчивы, легко летучи и имеют низкую точку плавления.
Ионная связь
является типичной химической связью,
широко распространенной среди
неорганических веществ. К ним относятся
соединения металлов с галоидами, окислы
металлов, сульфиды и другие полярные
соединения. Ионная связь присуща также
многим интерметаллическим соединениям
(карбиды, селениды, нитриды и др.). Энергия
ионной связи значительно выше энергии
Ван-дер-ваальсовой и достигает
.
Поэтому тела с ионной связью имеют
высокие теплоты сублимации и высокие
точки плавления.
Ковалентная связь
имеет исключительно широкое распространение
в органических соединениях, но встречается
также в неорганических соединениях, в
некоторых металлах и во многих
интерметаллических соединениях. Эта
связь обуславливает образование
валентных кристаллов типа алмаз,
германия. Энергия ковалентной связи
также велика (
),
о чем говорит высокая температура
плавления и большая теплота сублимации
тел с этим видом связи.
Металлическая связь, возникающая в результате обобществления валентных электронов, характерна для типичных металлов и многих интерметаллических соединений. Энергия этой связи по порядку величины сравнима с энергией ковалентной связи.
Наконец, водородная связь. Хотя и является относительно слабой связью. Тем не менее, играет исключительно важную роль в природе.
В заключение следует подчеркнуть, что в реальных твердых телах каждая из рассмотренных связей в чистом виде почти никогда не встречается. Практически всегда имеет место наложение двух или более типов связи. Одна из них имеет, как правило, превалирующее значение, определяя структуру и свойства тела.