Водородная связь

Водородная связь

Водородная связьПоскольку межмолекулярные силы имеют электростатическую природу, они возрастают с увеличением молекулярных масс, т. е. с усложнением электронного строения взаимодействующих частиц. С ростом молекулярной массы М изучаемых однотипных соединений обычно наблюдается повышение температуры их кипения, например:

F(—138,3°С), Cl (—33,7°С), Вr2 (58°С), I(138°С).

Однако при сопоставлении свойств гидридов элементов главных подгрупп V, VI и VII групп периодической системы обнаруживаются исключения из этого правила (рис.). Так, фтороводород, вода и аммиак кипят при гораздо более высокой температуре, чем это можно было бы ожидать, исходя из малых значений их молекулярных масс. Это объясняется возникновением между молекулами дополнительных сил притяжения за счет образования водородной связи, первые представления о которой были развиты еще в 1887 г. русским ученым М. А. Ильинским.

Рис. Температуры кипения некоторых гидридов

Водородная связь — это специфическая химическая связь, значительно более слабая, чем ионная или ковалентная, но более сильная, чем обычное межмолекулярное взаимодействие. Энергия водородной связи составляет 20—30 кдж/моль. Она обусловлена способностью атома водорода, соединенного с электроотрицательным элементом, глубоко внедряться в электронную оболочку близко расположенного, но ковалентно с ним не связанного, отрицательно поляризованного атома. Водородная связь наиболее характерна для соединений фтора, кислорода, азота и в меньшей степени хлора и серы. Рассмотрим несколько конкретных примеров.

В молекулах воды связи Н—О сильно поляризованы и ведут себя как маленькие диполи с зарядом δ+ на водороде и δ на кислороде. В результате атом водорода одной молекулы взаимодействует с неподеленной парой электронов атома кислорода другой молекулы с образованием водородной связи:

Образование водородной связи

Взаимодействие между молекулами воды оказывается настолько сильным, что даже в газообразном состоянии наряду с отдельными молекулами Н2О присутствуют их димеры (Н2O)2 и тримеры (Н2O)3. В жидком состоянии молекулы воды образуют ассоциаты состава (Н2O)х. Наиболее устойчивы удвоенные молекулы (Н2O)2, удерживаемые друг около друга двумя водородными связями. Высокая температура кипения воды обусловлена дополнительной энергией, которую необходимо затратить, чтобы разрушить ассоциаты перед переводом молекул в газообразное состояние.

В жидком состоянии ассоциированы также молекулы фтороводорода и аммиака. Газообразный фтороводород, кроме молекул HF, содержит полимеры состава вплоть до (HF)6:

Ассоциаты

Водородная связь возникает между молекулами органических соединений, содержащих полярные группы: —ОН, —NH2, —SH. Особенно заметно она проявляется у спиртов и карбоновых кислот. Множество водородных связей содержат основные вещества биологического происхождения: белки, жиры и углеводы. Водородная связь может образовываться и между двумя функциональными группами одной молекулы, как, например, в случае салициловой кислоты:

Водородная связь в салициловой кислоте

Наличие водородной связи устанавливают экспериментально с помощью различных физических и физико-химических методов.

Статья на тему Водородная связь