15. Водневий зв'язок
Крім універсальної Ван-дер-ваальсової взаємодії між молекулами може виникати водневий зв'язок. Водневий зв'язок є специфічною міжмолекулярною взаємодією, тому що можливість її виникнення і міцність залежать від хімічної природи речовини.
Водневий зв'язок виникає між молекулами, у яких атом Гідрогену зв'язаний з атомом другого елемента, який має високе значення електронегативності. Найчастіше водневий зв'язок утвориться за участю атомів Оксигену, Хлору, Флору, Нітрогену. Його прийнято зображувати крапками: О – Н...О. Звичайно енергія водневого зв'язку (880 кДж/моль) значно менше енергії хімічного зв'язку, але набагато більше енергії ван-дер-ваальсової взаємодії (15 кДж/моль). Однак в іоні (FHF) існує сильний водневий зв'язок (250 кдж/моль).
Виникнення водневого зв'язку обумовлено двома причинами:
Атом водню, зв'язаний полярним ковалентним зв'язком з іншим атомом, фактично не має електронів і здатний легко впроваджуватися в електронні хмари інших часток.
Наявність вакантної s-орбіталлю у атомі Гідрогену дає можливість приймати неподілену електронну пару іншого атома та утворювати з ним донорно-акцепторний зв'язок.
Значений внесок в утворення водневого зв'язку вносить електростатична взаємодія між позитивно поляризованим атомом Гідрогену в молекулі та іншим негативно поляризованим атомом в другій молекулі.
Найбільш типовий приклад сполуки з водневими зв'язками — це вода. У рідкому стані вода знаходиться у виді асоциатів (Н2О)n, а в кристалах льоду кожний атом Оксигену утворює по два водневих зв'язки, що визначає його тетраедричне оточення. Цей міжмолекулярний зв'язок зумовлює утворення просторової структури великого числа часток. У розчині мурашиної кислоти, завдяки таким же зв'язкам, молекули утворюють димери.
Крім міжмолекулярного водневого зв'язку при сприятливих умовах існує і внутрішньомолекулярний водневий зв'язок. Який здійснюється між різними частинами однієї молекули. На приклад, такий зв’язок є в молекулах о-хлорфенолу та саліцилового альдегіду:
Водневий зв'язок істотно впливає на властивості речовин. Так, при його наявності підвищуються температура кипіння, теплоти випаровування та плавлення, молекули речовин у рідкому стані асоційовани. Структура і властивості більшості органічних речовин визначаються утворенням саме таких зв'язків. Так, молекули протеїнів зберігають свою спіральну форму через водневі зв'язки. Вони ж утримують разом подвійні спіралі ДНК.
Мірою енергії міжмолекулярної взаємодії служать температура кипіння і теплота випаровування Нвип рідини. Порівняно високі значення Ткип і Нвип води є наслідком асоціації в результаті виникнення водневих зв'язків. Насамперед, вода має аномально високу температуру кипіння. Відомо, що температури кипіння рідин підвищуються зі збільшенням молярної маси. Температура кипіння сірководню, у якому водневі зв'язки виражені слабко, дорівнює –60,8 °С. Якби у воді були відсутні водневі зв'язки, він кипіла б при більш низькій температурі і на Землі не було би водойм – уся вода знаходилася б у газоподібному стані. Завдяки ажурній структурі льоду він має меншу густину, ніж рідка вода. Тому лід плаває на поверхні води, узимку водойми не промерзають до дна, що забезпечує збереження живих істот. Утворенням тетраедричної структури пояснюється унікальна властивість води – розширюватися при замерзанні. При плавленні льоду при атмосферному тиску структура зберігається, з цим зв'язані біологічні властивості «поталої» води.