1.5.6. Водневий зв’язок
Водневий зв’язок пояснюється здатністю атома Гідрогену, сполученого з атомом сильно електронегативного елемента (F, O, N, Cl, S тощо), утворювати ще один хімічний зв’язок з електронегативним елементом. З позиції методу валентних зв’язків ковалентний зв’язок є двоцентровим зв’язком, а водневий –трицентровим (одна електронна орбіталь атома Гідрогену забезпечує зв’язок між трьома атомами). У графічних формулах водневий зв’язок позначається трьома крапками. Для нього характерні напрямленість у просторі та насиченість. За міцністю водневий зв’язок перевищує Ван-дер-Ваальсовські сили, проте на порядок слабший за ковалентний зв’язок. Його енергія складає 8-40 кДж/моль. Однак цієї енергії достатньо, щоб викликати асоційованість молекул, тобто їх об’єднання у димери або полімери, які існують не тільки в рідкому стані, а й зберігаються при переході у газоподібний. Ця асоційованість молекул утрудняє відрив їх один від одного і є причиною аномально високих температур плавлення і кипіння таких речовин, як HF, H2O, NH3.
Механізм утворення водневого зв’язку значною мірою зводиться до донорно-акцепторної взаємодії, де донором електронної пари є атом електронегативного елемента, а її акцептором – атом Гідрогену.
Водневий зв’язок дуже поширений у структурі багатьох неорганічних та органічних сполук (білки, нуклеїнові кислоти). Водневий зв’язок відіграє важливу роль у процесах розчинення, кристалізації, гідролізу, утворення кристалогідратів, електролітичної дисоціації. Енергія водневого зв’язку зменшується зі збільшенням температури. Розрізняють водневий зв’язок міжмолекулярний, внутрішньомолекулярний і міжатомний.
У твердому, рідкому й навіть газоподібному станах молекули гідроген флуориду асоційовані в зигзагоподібні ланцюги:
що зумовлено водневими зв’язками. Асоціація молекул спричинює аномально високі температури плавлення й кипіння гідроген флуориду порівняно з водневими сполуками елементів головної підгрупи VII групи. Те, що флуоридна кислота на відміну від хлоридної, бромідної та йодидної є слабкою кислотою (Кдис. = 7∙10–4), також є результатом асоціації молекул HF у водневому розчині.
Кожна молекула води може брати участь в утворенні двох водневих зв’язків; при цьому атом Оксигену зв’язується із чотирма атомами Гідрогену:
Внаслідок утворення водневого зв’язку молекули води асоційовані й мають ажурну просторову структуру, у якій кожний атом Оксигену розміщений у центрі тетраедра, вершини якого займають атоми Гідрогену. Це призводить до аномально високих температур плавлення льоду й кипіння води, великих значень теплоємності й теплоти випаровування порівняно зі своїми аналогами в групі елементів (Н2S, H2Se). Полярний зв’язок О–Н у воді має енергію 457 кДж/моль, а водневий зв’язок між молекулами води дорівнює лише 42 кДж/моль. В амоніаку неподільна електронна пара Нітрогену й полярність зв’язку N–H зумовлюють утворення між молекулами NH3 водневого зв’язку. Тому амоніак легко зріджується й має високу температуру кипіння.