Водородна връзка е взаимодействието между два електроотрицателни атома на един или различни молекули през водородния атом: A - H ... B (лентата обозначава ковалентна връзка, три точки - водородна връзка).

Един от признаците на водородна връзка може да бъде разстоянието между водородния атом и друг атом, който го образува. То трябва да е по-малко от сумата на радиусите на тези атоми.

Те възникват, като правило, между атомите на флуор, азот и кислород (най-електроотрицателните елементи), по-рядко - с участието на атоми на хлор, сяра и други неметали. Силни водородни връзки се образуват в такива течни вещества като вода, флуороводород, съдържащи кислород неорганични киселини, карбоксилни киселини, феноли, алкохоли, амоняк и амини. По време на кристализацията водородните връзки в тези вещества обикновено се задържат.

Зависимост физични свойства вещества с молекулярна структура за характера на междумолекулното взаимодействие. Влиянието на водородните връзки върху свойствата на веществата.

Междумолекулните водородни връзки водят до асоцииране на молекулите, което води до увеличаване на точките на кипене и топене на веществото. Например етилов алкохол C2H5OH, способен да се асоциира, кипи при + 78,3 ° С, а диметиловият етер СН3ОСН3, който не образува водородни връзки, само при -24 ° С ( молекулярна формула и на двете вещества C2H6O).

Образуването на Н-връзки с молекули разтворител спомага за подобряване на разтворимостта. И така, метиловият и етилов алкохол (CH3OH, C2H5OH), образувайки Н-връзки с водни молекули, се разтварят в него за неопределено време.

Вътремолекулната водородна връзка се образува с благоприятно пространствено разположение на съответните групи атоми в молекулата и специфично влияе върху свойствата. Например, Н-връзката в молекулите на салициловата киселина повишава нейната киселинност. Водородните връзки играят изключително важна роля за формирането на пространствената структура на биополимерите (протеини, полизахариди, нуклеинови киселини), което до голяма степен определя техните биологични функции.

Сили на междумолекулно взаимодействие (сили на Ван дер Ваалс). Взаимодействия с ориентация, индукция и дисперсия.

Междумолекулни взаимодействия- взаимодействие между електрически неутрални молекули или атоми.

ДА СЕ ван дер Ваалс силите включват взаимодействия между диполи (постоянни и индуцирани). Името идва от факта, че тези сили са причина за вътрешната корекция на налягането в уравнението на състоянието за реален газ ван дер Ваалс. Тези взаимодействия определят главно силите, отговорни за формирането на пространствената структура на биологичните макромолекули.

Ориентация: Полярните молекули, в които центровете на тежестта на положителните и отрицателните заряди не съвпадат, например HCl, H2O, NH3, са ориентирани по такъв начин, че краищата с противоположни заряди са близо. Между тях възниква влечение. (Keesom енергия) се изразява чрез съотношението:

E К \u003d −2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 r 3,

където μ1 и μ2 са диполните моменти на взаимодействащите диполи, r е разстоянието между тях. Дипол-диполното привличане може да се реализира само когато енергията на привличане надвишава топлинната енергия на молекулите; това обикновено се случва при твърди вещества и течности. Дипол-диполното взаимодействие се проявява в полярни течности (вода, флуороводород).

Индукция: Под действието на заредените краища на полярна молекула електронните облаци от неполярни молекули се изместват към положителен заряд и далеч от отрицателния. Неполярна молекула става полярна и молекулите започват да се привличат една друга, само много по-слаба от две полярни молекули.

(Debye енергия) се определя от израза:

ED \u003d -2 μ nav nav 2 γ / r 6,

където μ nav е моментът на индуцирания дипол.

Привличането на постоянни и индуцирани диполи обикновено е много слабо, тъй като поляризуемостта на молекулите на повечето вещества е ниска. Той работи само на много малки разстояния между диполите. Този тип взаимодействие се проявява главно в разтвори на полярни съединения в неполярни разтворители.

Дисперсивен: Привличане може да възникне и между неполярни молекули. Електроните, които са в постоянно движение, за момент могат да бъдат концентрирани от едната страна на молекулата, т.е. неполярната частица ще стане полюсна. Това води до преразпределение на зарядите в съседните молекули и между тях се установяват краткосрочни връзки.

(Лондонска енергия) се дава от:

E Л \u003d −2 μ mg 2 γ 2 / r 6,

където μ mn е моментът на мигновения дипол. Лондонските сили на привличане между неполярни частици (атоми, молекули) са много близки. Стойностите на енергията на такова привличане зависят от размера на частиците и броя на електроните в индуцираните диполи. Тези връзки са много слаби - най-слабите от всички междумолекулни взаимодействия. Те обаче са най-гъвкави, тъй като възникват между всякакви молекули.

ВРЪЗКА С ВОДОРОД(Н-връзка) е специален тип взаимодействие между реактивни групи, докато една от групите съдържа водороден атом, склонен към такова взаимодействие. Водородното свързване е глобално явление, което обхваща цялата химия. За разлика от обикновените химически връзки, Н-връзката не се появява в резултат на целенасочен синтез, а възниква при подходящи условия и се проявява под формата на междумолекулни или вътремолекулни взаимодействия.

Характеристики на водородната връзка.

Отличителна черта на водородната връзка е относително ниската му якост, енергията му е 5-10 пъти по-ниска от енергията на химическата връзка. По отношение на енергията той заема междинно положение между химическите връзки и взаимодействията на ван дер Ваалс, тези, които задържат молекули в твърда или течна фаза.

При образуването на Н-връзката решаващата роля играе електроотрицателността на атомите, участващи в връзката - способността да се изтеглят електроните на химическата връзка от атома - партньорът, участващ в тази връзка. В резултат на това частичен отрицателен заряд d- възниква върху атома A с повишена електроотрицателност и положителен d + върху партньорския атом, химическа връзка в този случай той е поляризиран: A d- -H d +.

Полученият частичен положителен заряд върху водородния атом му позволява да привлече друга молекула, която също съдържа електроотрицателен елемент, като по този начин електростатичните взаимодействия правят основния дял в образуването на Н-връзката.

Три атома участват в образуването на Н-връзката, два електроотрицателни (А и В) и водородния атом Н, разположени между тях, структурата на такава връзка може да бъде представена по следния начин: BH d + -A d- (a водородната връзка обикновено се обозначава с пунктирана линия). Атом А, химически свързан с Н, се нарича протонен донор (лат. Donare - да давам, дарявам), а В - негов акцептор (лат. Acceptor - акцептор). Най-често няма истинско „дарение“ и Н остава химически свързан с А.

Не са много атомите - донори А, доставящи Н за образуването на Н-връзки, на практика само три: N, O и F, в същото време наборът от акцепторни атоми В е много широк.

Самата концепция и терминът "водородна връзка" са въведени от W. Latimer и R. Rodebusch през 1920 г., за да обяснят високи температури вряща вода, алкохоли, течен HF и някои други съединения. Сравнявайки точките на кипене на сродни съединения H 2 O, H 2 S, H 2 Se и H 2 Te, те обърнаха внимание на факта, че първият член от тази поредица - водата - кипи много по-високо, отколкото следва от формираната закономерност от останалите членове на поредицата. От този модел следва, че водата трябва да кипи с 200 ° C по-ниско от наблюдаваната истинска стойност.

Точно същото отклонение се наблюдава за амоняка в серия от свързани съединения: NH 3, H 3 P, H 3 As, H 3 Sb. Истинската му точка на кипене (-33 ° C) е с 80 ° C по-висока от очакваната.

Когато течността кипи, се разрушават само взаимодействията на ван дер Ваалс, тези, които задържат молекули в течната фаза. Ако точките на кипене са неочаквано високи, тогава молекулите са свързани с някои други допълнителни сили. В този случай това са водородни връзки.

По подобен начин повишената точка на кипене на алкохолите (в сравнение със съединенията, които не съдържат групата -ОН) е резултат от образуването на водородни връзки.

В момента спектралните методи (най-често инфрачервената спектроскопия) осигуряват надежден начин за откриване на Н-връзки. Спектралните характеристики на водородните AN групи се различават значително от онези случаи, когато такава връзка липсва. Освен това, ако структурните проучвания показват, че разстоянието между атомите B - H е по-малко от сумата на радиусите на ван дер Ваалс, тогава се счита, че е установено наличието на H-връзка.

В допълнение към повишена температура кипящите водородни връзки също се проявяват по време на образуването на кристалната структура на веществото, повишавайки точката му на топене. В кристалната структура на леда Н-връзките образуват обемна мрежа, докато водните молекули са подредени по такъв начин, че водородните атоми на една молекула са насочени към кислородните атоми на съседните молекули:

Борната киселина B (OH) 3 има слоеста кристална структура, всяка молекула е водородно свързана с три други молекули. Опаковането на молекули в слой образува паркет, сглобен от шестоъгълници:

Повечето органични вещества са неразтворими във вода, когато такова правило е нарушено, тогава най-често това е резултат от намесата на водородните връзки.

Кислородът и азотът са основните донори на протони; те поемат функцията на атом А в разглежданата по-рано триада B ··· H d + -A d-. Те най-често действат като акцептори (атом В). Поради това някои органични вещества, съдържащи О и N в ролята на атом В, могат да се разтварят във вода (ролята на атом А се играе от водния кислород). Водородните връзки между органичното вещество и водата спомагат за „откъсването“ на молекулите на органичното вещество, като ги прехвърлят във воден разтвор.

Има правило: ако органична материя съдържа не повече от три въглеродни атома на кислороден атом, след което лесно се разтваря във вода:

Бензенът е много слабо разтворим във вода, но ако заменим една СН група с N, получаваме пиридин C 5 H 5 N, който се смесва с вода във всяко съотношение.

Водородните връзки могат да се проявят и в неводни разтвори, когато върху водорода възниква частичен положителен заряд и наблизо се намира молекула, съдържаща "добър" акцептор, обикновено кислород. Например, хлороформът HCCl 3 разтваря мастните киселини и ацетиленът HCêCH е разтворим в ацетон:

Този факт е намерил важни технически приложения, ацетиленът под налягане е много чувствителен към лек удар и се взривява лесно, а разтворът му в ацетон под налягане е безопасен за работа.

Водородните връзки в полимерите и биополимерите играят важна роля. В целулозата - основният компонент на дървото - хидроксилните групи са разположени под формата на странични групи на полимерна верига, събрани от циклични фрагменти. Въпреки относително слабата енергия на всяка отделна Н-връзка, тяхното взаимодействие в цялата полимерна молекула води до толкова мощно междумолекулно взаимодействие, че разтварянето на целулозата става възможно само при използване на екзотичен силно полярен разтворител - реагент на Швейцер (амонячен комплекс от меден хидроксид).

Водородна връзка (Н-връзка)Представлява връзка, образувана от протониран водороден атом със силно електрически отрицателен атом на същата или друга молекула. При нормални условия валентността на водорода е 1 и той е в състояние да социализира една електронна двойка с други атоми, образувайки ковалентна връзка: водородният атом може да прикачи електрон, образувайки хидриден йон Н +.

Водородният атом има характеристика, която го отличава от всички останали атоми: отказвайки се от своя електрон, той остава под формата на ядро \u200b\u200bбез електрони, т.е. под формата на частица, чийто диаметър е хиляди пъти по-малък от диаметъра на останалите атоми. При липса на електрони, йонът H + не се отблъсква от електронните обвивки на други атоми или йони, а, напротив, се привлича; той може да се доближи до други атоми, да взаимодейства с техните електрони и дори да проникне в техните електронни обвивки. В течностите йоните H + в по-голямата си част не остават под формата на независима частица, а се свързват с молекули на две вещества: във вода с молекули вода, образувайки H 3 O + йон на хидрония; с амонячна молекула - NH 4 + -амониев йон.

Свързан с атом от един от най-електроотрицателните елементи: флуор, кислород, хлор и азот, водородният атом придобива относително висок положителен заряд, ненадвишаващ един. Тъй като този заряд е концентриран върху изключително малко атомно ядро, той е много близо до друг атом, носещ отрицателен заряд. Това води до образуването на доста силна дипол-диполна връзка с енергия 20-30 kJ / mol и повече. Водородната връзка възниква в резултат на междудиполното взаимодействие на две силно полярни връзки, принадлежащи на различни молекули или една и съща молекула. Тя е по-слаба от обикновено ковалентна връзка, чиято енергия е приблизително 125-420 kJ / mol и може да бъде увеличена поради взаимната поляризация на връзките поради посочените характеристики на водородния атом. Водородната връзка (Н-връзка) се обозначава с Х-НхЧЧЧЧ.

Водородният атом, участващ във водородната връзка, може да бъде разположен точно в средата между два силно отрицателни атома - симетрично разположение, или може да се приближи до този, който има голяма електроотрицателност - асиметрично разположение.

Енергията на водородната връзка е достатъчна, за да предизвика забележима дисоциация на молекулите при обикновени и ниски температури. Дори близо до точката на кипене, флуороводородът има среден състав (HF) 4. Асоциацията води до необичайно високи точки на топене и кипене на флуороводород. Съществуването на димера H2 F2 обяснява образуването на кисели соли от типа KHF 2 × NaHF 2. Фактът, че флуороводородната киселина, за разлика от солната, бромоводородната и йодноводородната киселина, е слаба киселина (K d \u003d 7 × 10 -4) - също е следствие от асоциирането на HF молекули поради водородни връзки.

При наличието на асиметрична водородна връзка, която се среща в кислородните и азотните съединения, водородът се намира малко по-близо до един от двата съседни атома, тук междумолекулна Н-връзка... Всяка молекула H2O участва в образуването на две Н-връзки, така че кислородният атом е свързан с четири водородни атома. Асоциираните водни молекули образуват ажурна пространствена структура, където всеки кислороден атом е разположен в центъра на тетраедъра, а водородните атоми са разположени в ъглите.

Ажурна пространствена структура на водата

Ажурната структура на леда обяснява по-ниската му плътност от водата. По време на топенето част от Н-връзките се скъсва и плътността на водата се увеличава, тъй като молекулите са по-плътно опаковани. Рентгеново проучване показа, че за повечето от молекулите в течна вода се запазва и тетраедрична среда: разположението на съседните молекули е почти същото като в леден кристал, а в следващия слой се повтаря

известно отклонение от посочения ред; отклонението се увеличава с разстоянието от взетата молекула. Водата се характеризира с наличието на "близки разстояния", както и за други течности, и в по-малка степен, в сравнение с други течности, наличието на "далечни разстояния". Това обяснява наличието на кристална структура във вода.

Свойства на водата като високи стойности на топлинен капацитет и топлина на изпаряване, необичайно високи точки на топене и кипене, висока диелектрична константа - поради свързването на водните молекули с водородни връзки. Без H-връзки, t стопена вода \u003d -100 o C, t вряща вода \u003d -80 o C.

В течния амоняк присъстват водородни връзки. Водородният атом, свързан с въглерод, може да придобие способността да образува водородна връзка, ако останалите валентности на въглерода са наситени със силно електроотрицателни атоми или съответни атомни групи, например хлороформ (CHCI3), пентахлороетан (CCI 3 -CHCl 2), т.е. близостта на електроотрицателните атоми може да активира образуването на водородна връзка при атомите на СН-групи, въпреки че електроотрицателността на атомите С и Н е почти еднаква. Това обяснява появата на Н-връзки между молекулите в течен HCN, CHF 3 и т.н.

Водородната връзка е присъща на всяко състояние на агрегиране на материята. Образува се между една и съща и между различни молекули, между различни части на една и съща молекула - вътремолекулна водородна връзка... Най-често срещана е Н-връзката между молекулите, съдържащи ОН - хидроксилни групи.

Етерите, дори с по-висока моларна маса, са по-летливи от алкохолите, тъй като в етерите всички водородни атоми са свързани с въглеродни атоми и не са в състояние да образуват Н-връзки.

Ролята на Н-връзката в биохимичните системи е голяма. Свойствата на протеините и нуклеиновите киселини до голяма степен се дължат на наличието на водородна връзка. Н-връзката играе важна роля в процесите на разтваряне. Водородните връзки са особено широко разпространени в молекулите на протеини, нуклеинови киселини и други биологично важни съединения; следователно тези връзки играят важна роля в химията на жизнените процеси.