Относительный вклад каждой составляющей в энергию межмолекулярного взаимодействия для различных молекул

Молекула	Ориентационное	Индукционное	Дисперсионное	, Клм Дипольный момент	, м3 Поляризуемость
	%
				1030
CO	 0,01	0,1	99,9	0,33	1,926
HCl	14,4	4,2	81,4	3,47	2,561
NH3	44,9	5,3	49,7	4,94	2,145
H2O	76,9	4,0	19,0	6,10	1,444

3.2.2.Водородная связь

Особым типом межмолекулярного взаимодействия является водородная связь. Она возникает между молекулами, которые содержат в своей структуре атом водорода и малый по размерам атом элемента с большим значением электроотрицательности (кислород, фтор, азот и др.). Поскольку разница в электроотрицательностях водорода и этих элементов велика, то связь сильно поляризована, на атомах возникают сравнительно большие отрицательные и положительные заряды. В то же время небольшой размер этих атомов позволяет им близко подходить друг к другу при диполь-дипольном взаимодействии. Поэтому энергия ориентационного взаимодействия значительно больше (примерно на порядок), чем в других случаях. Кроме того, энергия связи существенно увеличивается за счет частичного образования ковалентной составляющей связи между взаимодействующими атомами соседних молекул по донорно-акцепторному механизму. 1s-орбиталь водорода частично оголена благодаря сильной поляризации связи (это еще не Н⁺, но уже и не Н⁰), а на электроотрицательном атоме имеются неподеленные электронные пары.

Оба эти фактора приводят к увеличению энергии связи по сравнению с энергией межмолекулярного взаимодействия. Энергия водородной связи составляет величину порядка 100 кДж/моль, энергия межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса) – 10-20 кДж/моль.

При конденсации молекул, способных к образованию водородных связей, их взаимное расположение будет определяться как направлением в пространстве атомов водорода внутри молекулы, так и направлением в пространстве электронных орбиталей электроотрицательного атома, связанного с атомом водорода соседней молекулы.

Водородная связь определяет многие физические и химические свойства веществ, в частности увеличивается температура плавления и кипения, изменяется плотность вещества. Особую роль водородная связь играет в биохимии, органические молекулы (в том числе и полимеры), содержащие H-O, H-N связи, образуют большое число водородных связей.

Примеры.

Вода H₂O.

В конденсированном состоянии каждая молекула воды может иметь четыре водородные связи: две между атомом кислорода (функции донора) и атомами водорода двух соседних молекул воды; еще две – за счет двух атомов водорода (функция акцептора). В кристаллическом состоянии образуется правильная алмазоподобная структура. В узлах располагаются большие атомы кислорода, которые связаны между собою через атом водорода. В жидком состоянии часть водородных связей разорвана (рис.3.1).

Нd+ Нd+

Оd Оd

Нd+ Нd+ Нd+ Нd+

Оd

Длина связи О Н 0,99 Ǻ

Длина связи О Н 1,77 Ǻ

Угол связи 104,5^о

Рис.3.33. Схема образования тетраэдрической пространственной структуры воды в кристаллическом и жидком состояниях: - ковалентная связь, - водородная связь

Фтористый водород HF.

Вгазообразном состоянии при невысоких температурах, за счет образования водородных связей, образуются ассоциаты (HF)₂, (HF)_6.. В конденсированном состоянии, в частности в твердом, HF образует зигзагообразные цепи (рис. 3.2).

Рис.3.34. Схема образования зигзагообразной цепи в твердом HF: - ковалентная связь, - водородная связь