2. Визначення водневого зв'язку
Зв'язок, який утвориться між атомів водню однієї молекули і атомом сильно електронегативного елементу (O, N, F) іншої молекули, називається водневим зв'язком.
Може виникнути питання: чому саме водень утворює таку специфічну хімічну зв'язок?
Це пояснюється тим, що атомний радіус водню дуже малий. Крім того, при зміщенні або повній віддачі свого єдиного електрона водень набуває порівняно високий позитивний заряд, за рахунок якого водень однієї молекули взаємодіє з атомами електронегативних елементів, що мають частковий негативний заряд, що виходить до складу інших молекул (HF, H 2 O, NH 3) .
Розглянемо деякі приклади. Зазвичай ми зображуємо склад води хімічною формулою H 2 O. Однак це не зовсім точно.Правильніше було б склад води позначати формулою (H 2 O) n, де n = 2,3,4 і т. д. Це пояснюється тим, що окремі молекули води пов'язані між собою за допомогою водневих зв'язків.
Водневу зв'язок прийнято позначати точками. Вона набагато слабша, ніж іонна або ковалентний зв'язок, але більш сильна, ніж звичайне міжмолекулярної взаємодії.
Наявність водневих зв'язків пояснює збільшення об'єму води при пониженні температури. Це пов'язано з тим, що при зниженні температури відбувається зміцнення молекул і тому зменшується щільність їх «упаковки».
При вивченні органічної хімії виникало і таке питання: чому температури кипіння спиртів набагато вище, ніж відповідних вуглеводнів? Пояснюється це тим, що між молекулами спиртів теж утворюються водневі зв'язки.
Підвищення температури кипіння спиртів відбувається також внаслідок укрупнення їх молекул. Водневий зв'язок характерна і для багатьох інших органічних сполук (фенолів, карбонових кислот та ін.) З курсів органічної хімії і загальної біології відомо, що наявністю водневого зв'язку пояснюється вторинна структура білків, будова подвійної спіралі ДНК, тобто явище комплементарності.
3. Види водневого зв'язку
Існує два види водневого зв'язку внутримолекулярная і міжмолекулярних водневі зв'язку. Якщо воднева зв'язок об'єднує частини однієї молекули, то говорять про внутрішньомолекулярної водневого зв'язку. Це особливо характерно для багатьох органічних сполук. Якщо ж воднева зв'язок утворюється між атомом водню однієї молекули і атомом неметалла іншої молекули (міжмолекулярних воднева зв'язок), то молекули утворюють досить міцні пари, ланцюжки, кільця. Так, мурашина кислота і в рідкому і в газоподібному стані існує у вигляді димерів:
а газоподібний фтороводород містять полімерні молекули, які включають до чотирьох частинок HF. Міцні зв'язки між молекулами можна знайти у воді, рідкому аміаку, спиртах. Необхідні для утворення водневих зв'язків атоми кисню та азоту містять всі вуглеводи, білки, нуклеїнові кислоти. Відомо, наприклад, що глюкоза, фруктоза і сахароза чудово розчиняються у воді. Не останню роль в цьому відіграють водневі зв'язки, що утворюються в розчині між молекулами води і численними OH-групами вуглеводів.
4. Енергія водневого зв'язку
Існують декілька підходів до характеристики водневих зв'язків. Основний критерій - це енергія водневого зв'язування (R-X-H ... B-Y), яка залежить як від природи атомів Х і В, так і загального будови молекул RXH і BY. Здебільшого вона становить 10-30 кДж / моль, але в деяких випадках може досягати 60-80 кДж / моль і навіть вище. За енергетичними характеристиками розрізняють сильні і слабкі водневі зв'язки. Енергія освіти сильних водневих зв'язків становить 15-20 кДж / моль і більше. До них відносять зв'язку О-H ... О в воді, спиртах, карбонових кислотах, зв'язку О-Н ... N, N-H ... O і N-H ... N у з'єднаннях, що містять гідроксильні, амідні і амінні групи, наприклад в білках. Слабкі водневі зв'язки мають енергію освіти менше 15 кДж / моль.Нижньою межею енергії водневого зв'язку є 4-6 кДж / моль, наприклад зв'язку С-Н ... О в кетонах, ефірах, водних розчинах органічних сполук.
Найбільш міцні водневі зв'язки утворюються у випадках, коли маленький водень (жорстка кислота) одночасно пов'язаний з двома малими за розміром сильно електронегативними атомами (жорсткі основи). Орбітальний відповідність забезпечує краще кислотно-основна взаємодія і призводить до утворення більш міцних водневих зв'язків. Тобто утворення сильних і слабких водневих зв'язків можна пояснити з позицій концепції жорстких і м'яких кислот і основ (принцип Пірсона, принцип ЖМКО).
Енергія Н-зв'язку зростає із збільшенням позитивного заряду на атомі водню зв'язку Х-Н і з підвищенням протоноакцепторності атома В (його основності). Хоча освіту водневої зв'язку розглядається з позицій кислотно-основної взаємодії, однак енергія утворення Н-комплексів нестрого корелюється як зі шкалою кислотності, так і зі шкалою основності.
Подібна картина спостерігається і в разі меркаптанів і спиртів. Меркаптани є більш сильними кислотами, ніж спирти, однак більш міцні асоціати утворюють спирти. Причина таких здаються аномалій цілком зрозуміла, якщо врахувати, що кислотність визначаться величиною pКа за результатами повної схеми кислотно-основної взаємодії (до утворення сольватовані іонів), а утворення молекулярного комплексу з Н-зв'язком тільки перший етап цього процесу, не передбачає розриву зв'язку Х- Н. У інертних розчинниках кислотно-основна взаємодія зазвичай зупиняється на стадії Н-комплексу.
Що стосується основності органічних сполук та їх здатності приймати участь в утворенні Н-зв'язку, то тут теж спостерігаються великі відмінності. Так, при одній і тій же здатності до утворення водневих зв'язків ступінь основності амінів на 5 порядків вище, ніж у піридинів, і на 13 порядків вище, ніж у заміщених карбонільних сполук.
На основі експериментальних даних встановлена лінійна кореляція між ступенем переносу заряду і енергією міжмолекулярних Н-зв'язків, що є важливим аргументом на користь донорно-акцепторної природи останніх. Істотний вплив на освіту водневої зв'язку можуть надавати стерические фактори. Наприклад, орто-заміщені феноли менш схильні до самоассоціаціі, ніж відповідні мета-і пара-ізомери, повністю відсутня асоціація у 2,6-ді-трет .- бутілфенола. З підвищенням температури кількість молекулярних комплексів у суміші зменшується, і вони значно рідше зустрічаються в газовій фазі.
На початку курсової було відзначено, що воднева зв'язок займає проміжне положення між істинною (валентної) хімічної зв'язком і слабким міжмолекулярним взаємодією. Куди ближче? Відповідь неоднозначний, оскільки діапазон коливань енергій Н-зв'язків досить широкий. Якщо ж мова йде про сильні водневих зв'язках, здатних впливати на властивості речовин, то вони ближче до істинних хімічним зв'язкам. І це визначається не тільки досить високою енергією Н-зв'язку, а й тим, що він розташований в просторі, водневий місток має своїх "персональних" партнерів. Напрямок дії водневого зв'язку також фіксоване, хоча і не настільки жорстко, як для істинних хімічних зв'язків.