Тема 6а. Донорно-акцепторный механизм формирования ковалентной связи. Водородная связь.

Образование полярной ковалентной связи может происходить не только путем объединения двух неспаренных электронов, первоначально принадлежавших атомам с разными значениями ЭО, но и за счет передачи электронной пары от одного атома (атома-донора) к другому атому (атому-акцептору). Например, рассмотрим молекулу аммиака NH₃. Валентный слой атома азота содержит пять электронов. Три из них участвуют в образовании пар с валентными электронами трех атомов водорода. Остаются два электрона, которые образуют электронную пару. Эта электронная пара принадлежит атому азота.

Но представим себе: аммиак оказался в водной среде, куда добавлена сильная кислота. Кислота в водной среде диссоциирована на катион (катионы) Н⁺ и анион кислотного остатка. Катион водорода – это «голый» протон, несущий положительный заряд. Он «прилипает» к свободной электронной паре атома N, и между атомами азота и водорода возникает четвертая полярная ковалентная связь. Донорно-акцепторный механизм возникновения этой связи не такой, как трех других связей атома N с атомами H. Но все четыре связи атома N с атомами H в ионе аммония NH₄⁺ совершенно одинаковы и направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится атом N (рис. 12). По аналогичному донорно-акцепторному механизму возникают полярные ковалентные связи в самых разных соединениях.

С участием атомов водорода реализуется еще один вид межатомного взаимодействия – так называемая водородная связь. Этот тип связи реализуется чаще всего при межмолекулярном взаимодействии, но известны и случаи внутримолекулярной водородной связи.

Водородная связь – это связь, в которой атом водорода связывает атомы двух электроотрицательных элементов X и Y, располагаясь между ними на одной прямой (рис.13). В качестве атомов X и Y прежде всего могут выступать атомы фтора и кислорода (а также азота, хлора и некоторые другие с большими значениями ЭО). В водородной связи X и Y могут быть атомами двух разных элементов, а могут – одного и того же элемента.

Еще раз подчеркнем: при возникновении водородной связи три атома: X, H и Y расположены на одной прямой. Обусловлено это тем, что атом Н, лишенный электрона, имеет очень маленький размер, а отрицательно заряженные электронные оболочки более электроотрицательных атомов X и Y взаимно отталкиваются друг от друга (рис. 13). По прочности водородная связь занимает промежуточное положение между ван-дер-ваальсовой и химической связью. Водородная связь имеет важнейшее значение для свойств воды, плавиковой кислоты HF, аммиака NH₃ и других веществ, содержащих атомы Н и атомы наиболее электроотрицательных элементов. Так, в воде водородные связи обеспечивают сильное межмолекулярное взаимодействие (рис. 14) и, в частности, то, что вода при замерзании расширяется, характеризуется высокой температурой кипения, высокой теплоемкостью. Водородные связи играют важную роль в биохимических процессах.