4.7.2. Водородная связь

Водородная связь возникает между молекулами, имеющими в своем составе атомы водорода и атом сильно электроотрицательного элемента (например, азота, кислорода, фтора). Образование водородной связи обусловлено тем, что в полярных молекулах или полярных группах поляризованный атом водорода имеет очень малый размер, у него отсутствуют внутренние электронные оболочеки, электронная пара связи сдвинута к более электроотрицательному атому. Поэтому водород способен внедряться в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы.

Водородные связи могут возникать как между одинаковыми молекулами F-H  F-H , так и разными, как при взаимодействии воды и фтороводорода: Н₂О…НF.

Энергия водородной связи возрастает с увеличением ЭО и уменьшением радиуса атомов неметалла. Энергия связи (кДж/моль) приведена в ряду:

–H  F − (25 - 42); –Н  О< (13-19); –Н  N ≡ (8-21) .

Несмотря на высокую ЭО, у хлора водородная связь –HCl– относительно слабая из-за большого размера атома хлора.

Как видно, энергия водородной связи ниже энергии ковалентной связи, а длина больше. Так, у воды длина связи О–Н - 0,096 нм, а связи ОН - 0,177 нм.

При возникновении водородных связей образуются димеры, тримеры или полимерные структуры. Образование межмолекулярных водородных связей приводит к существенному изменению свойств веществ: повышению вязкости, диэлектрической постоянной, температуры кипения и плавления, теплоты плавления и парообразования.

Водородная связь может также возникнуть между атомами водорода и отрицательными атомами полярных групп в одной и той же молекуле. Например в белках, у которых спиральные полимерные структуры объединяются связями =N-H  О<. Спирали нуклеиновых кислот также соединяются между собой водородными связями.

4.8. Химическая связь и строение вещества

Вещества в газообразном состоянии характеризуются большими по сравнению с размерами молекул межмолекулярными расстояниями и пренебрежительно малыми силами взаимодействия между молекулами.

У веществ в конденсированном (жидком или твердом) состоянии растояния между частицами вещества малы и силы взаимодействия, удерживающие их вместе могут быть очень велики. Эти силы имеют электрическую природу, но прочность связи между частицами зависит от того, являются ли они молекулами, атомами, ионами и, следовательно, каков тип связи между ними – ковалетная, ионная, металлическая, водородная или ванн-дер-ваальсова.

4.8.1. Общая характеристика жидкого состояния.

Жидкости в отличие от газов обладают значительно большей плотностью, почти постоянным объемом. Сжимаемость жидкостей очень мала, что говорит о наличии сил межмолекулярного взаимодействия. Но отсутствие у жидкостей постоянной формы свидетельствует о сравнительной непрочности этих сил. Поэтому имея постоянный объем при данной температуре, жидкости обладают текучестью.

Объем жидкостей приблизительно равен сумме объемов атомов элементов, входящих в состав молекулы. При малых расстояниях между молекулами большую роль играет не только их объем, но и их строение. Если молекулы жидкости полярны, то они могут притягиваться противоположными полюсами и образовывать ассоциаты из двух или более молекул. Ассоциация может быть вызвана также образованием водородных связей. К ассоциированным жидкостям относятся вода, ацетон, сжиженный аммиак. Они отличаются большей теплотой испарения, меньшей летучестью.

Жидкости имеют поверхность раздела с газовой фазой. Поверхностный слой молекул обладает особенными свойствами, т.к. на эти молекулы действуют силы притяжения преимущественно со стороны жидкости, вследствие чего они как бы втягиваются внутрь жидкости, возникает поверхностное натяжение, под действием которого поверхностный слой стремится сократиться. Эта особенность поверхностных молекул связана с внутренним давлением жидкостей.

Молекулы жидкости, скорость и кинетическая энергия которых больше средней, могут, достигая поверхностного слоя, переходить в парообразную фазу, преодолев притяжение остальных молекул (испарение). Молекулы из парообразной фазы, сталкиваясь с поверхностью жидкости, могут переходить в жидкость (конденсация). Когда оба процесса протекают с одинаковой скоростью, устанавливается равновесие. Над жидкостью устанавливается равновесная концентрация пара (насыщенный пар), которая характеризуется давлением насыщенного пара. Если давление насыщенного пара равно внешнему давлению, то испарение протекает не только с поверхности, но и изнутри жидкости, путем образования пузырьков пара во всем объеме жидкости (кипение), что имеет место при температуре кипения. Температура, при которой поверхность раздела исчезает – критическая температура. При этом исчезают различия между жидкостью и газом.