Hidrogén kötés egy vagy két elektronegatív atom közötti kölcsönhatás különböző molekulák a hidrogénatomon keresztül: A - H ... B (a sáv kovalens kötést jelöl, három pont - hidrogénkötést).

A hidrogénkötés egyik jele lehet a hidrogénatom és az azt alkotó másik atom közötti távolság. Ennek kisebbnek kell lennie, mint ezen atomok sugarainak összege.

Rendszerint a fluor-, nitrogén- és oxigénatomok (a legtöbb elektronegatív elem) között keletkeznek, ritkábban - klór-, kén- és egyéb nemfém atomok részvételével. Erős hidrogénkötések keletkeznek olyan folyékony anyagokban, mint a víz, hidrogén-fluorid, oxigéntartalmú szervetlen savak, karbonsavak, fenolok, alkoholok, ammónia és aminok. A kristályosítás során ezekben az anyagokban általában megmaradnak a hidrogénkötések.

Függőség fizikai tulajdonságok molekuláris felépítésű anyagok az intermolekuláris interakció jellegére. A hidrogénkötések hatása az anyagok tulajdonságaira.

Az intermolekuláris hidrogénkötések a molekulák társulását idézik elő, ami az anyag forrás- és olvadási hőmérsékletének emelkedéséhez vezet. Például az asszociációra képes C2H5OH etil-alkohol + 78,3 ° С hőmérsékleten forr, és a dimetil-éter СН3ОСН3, amely nem hoz létre hidrogénkötéseket, csak -24 ° С hőmérsékleten ( molekulaképlet mindkét C2H6O anyag).

H-kötések képződése oldószermolekulákkal javítja az oldhatóságot. Tehát a metil- és etil-alkoholok (CH3OH, C2H5OH), a vízmolekulákkal H-kötéseket képezve, a végtelenségig feloldódnak benne.

Az intramolekuláris hidrogénkötés a molekula megfelelő atomcsoportjainak kedvező térbeli elrendezésével jön létre, és specifikusan befolyásolja a tulajdonságokat. Például a szalicilsavmolekulák H-kötése növeli savasságát. A hidrogénkötések rendkívül fontos szerepet játszanak a biopolimerek (fehérjék, poliszacharidok, nukleinsavak) térszerkezetének kialakulásában, amely nagyban meghatározza biológiai funkcióikat.

Az intermolekuláris interakció erői (van der Waals erők). Tájékozódás, indukció és diszperzió kölcsönhatások.

Intermolekuláris interakció- kölcsönhatás elektromosan semleges molekulák vagy atomok között.

NAK NEK van der Waals az erők magukban foglalják a dipólusok (állandó és indukált) kölcsönhatásait. A név onnan származik, hogy ezek az erők okozzák a belső nyomáskorrekciót egy valós van der Waals-gáz állapotegyenletében. Ezek az interakciók elsősorban a biológiai makromolekulák térszerkezetének kialakulásáért felelős erőket határozzák meg.

Irányultság: Azok a poláris molekulák, amelyekben a pozitív és negatív töltések súlypontjai nem esnek egybe, például HCl, H2O, NH3, úgy vannak orientálva, hogy az ellentétes töltésű végek közel vannak. Vonzás keletkezik közöttük. (Keesom energiát) az arány fejezi ki:

E К \u003d −2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 r 3,

ahol μ1 és μ2 az egymással kölcsönhatásban lévő dipólusok dipólusmomentumai, r a köztük lévő távolság. A dipól-dipól vonzás csak akkor hajtható végre, ha a vonzerő energia meghaladja a molekulák hőenergiáját; ez általában szilárd és folyékony anyagokban fordul elő. A dipól-dipól kölcsönhatás poláris folyadékokban (víz, hidrogén-fluorid) nyilvánul meg.

Indukció: A poláros molekula töltett végeinek hatására a nem poláros molekulák elektronfelhői elmozdulnak a pozitív töltés felé, és távolodnak a negatívaktól. A nem poláros molekula polárissá válik, és a molekulák vonzani kezdik egymást, csak sokkal gyengébbek, mint két poláros molekula.

(Debye energiát) a következő kifejezés határozza meg:

ED \u003d −2 μ nav 2 γ / r 6,

ahol μ nav az indukált dipólus pillanata.

Az állandó és indukált dipólusok vonzereje általában nagyon gyenge, mivel a legtöbb anyag molekuláinak polarizálhatósága alacsony. Csak nagyon kis távolságokon működik a dipólusok között. Ez a fajta kölcsönhatás elsősorban a poláros vegyületek nem poláros oldószerekben történő oldatában nyilvánul meg.

Szétszórt: Vonzás előfordulhat a nem poláros molekulák között is. Az állandó mozgásban lévő elektronok egy pillanatra koncentrálódhatnak a molekula egyik oldalára, vagyis a nem poláros részecskék polárosakká válnak. Ez a töltések újraeloszlását idézi elő a szomszédos molekulákban, és rövid távú kötések jönnek létre közöttük.

(Londoni energia):

E Л \u003d −2 μ mn 2 γ 2 / r 6,

ahol μ inst a pillanatnyi dipólus pillanata. A nem poláros részecskék (atomok, molekulák) közötti londoni vonzerők nagyon rövid hatótávolságúak. Ennek a vonzásnak az energiája a részecskék méretétől és az indukált dipólusokban lévő elektronok számától függ. Ezek a kötések nagyon gyengék - a leggyengébb az intermolekuláris interakciók közül. Ezek azonban a leguniverzálisabbak, mivel bármilyen molekula között felmerülnek.

HIDROGÉN CSATLAKOZÁSA (H-kötés) egy speciális típusú kölcsönhatás a reaktív csoportok között, míg az egyik csoport tartalmaz egy ilyen kölcsönhatásra hajlamos hidrogénatomot. A hidrogénkötés globális jelenség, amely magában foglalja az összes kémiát. A közönséges kémiai kötésekkel ellentétben a H-kötés nem a célzott szintézis eredményeként jelenik meg, hanem megfelelő körülmények között keletkezik, és intermolekuláris vagy intramolekuláris interakciók formájában nyilvánul meg.

A hidrogénkötés jellemzői.

A hidrogénkötés megkülönböztető jellemzője viszonylag alacsony szilárdsága, energiája 5-10-szer alacsonyabb, mint a kémiai kötés energiája. Energia szempontjából közbenső helyet foglal el a kémiai kötések és a van der Waals kölcsönhatások között, amelyek a molekulákat szilárd vagy folyékony fázisban tartják.

A H-kötés kialakulásában meghatározó szerepet játszik a kötésben részt vevő atomok elektronegativitása - az a képesség, hogy a kémiai kötés elektronjait lehúzza az atomról - az ebben a kötésben részt vevő partner. Ennek eredményeként részleges negatív töltés keletkezik a megnövekedett elektronegativitású A atomon és a partner atomon - pozitív d +, kémiai kötés ebben az esetben polarizált: A d- -H d +.

Az így létrejövő részleges pozitív töltés a hidrogénatomon lehetővé teszi, hogy vonzzon egy másik molekulát, amely szintén tartalmaz egy elektronegatív elemet, így az elektrosztatikus kölcsönhatások teszik ki a fő szerepet a H-kötés kialakulásában.

Három kötés vesz részt a H-kötés kialakulásában, két elektronegatív (A és B) és egy közöttük elhelyezkedő H hidrogénatom. Az ilyen kötés szerkezete a következőképpen ábrázolható: BH d + -A d- (a a hidrogénkötést általában pontozott vonallal jelöljük). A kémiailag H-hez kötött A atomot proton donornak (latin donare - adni, adományozni) és B - akceptorának (latin akceptor - akceptor) nevezik. Leggyakrabban nincs igazi "adomány", és H továbbra is kémiailag kapcsolódik A-hoz.

Nincs sok atom - az A donor, amely H-t biztosít a H-kötések kialakulásához, gyakorlatilag csak három: N, O és F, ugyanakkor a B akceptor atomok halmaza nagyon széles.

A fogalmat és a "hidrogénkötés" kifejezést W. Latimer és R. Rodebusch vitte be 1920-ban, annak magyarázata érdekében, magas hőmérséklet forrásban lévő víz, alkoholok, folyékony HF és néhány más vegyület. Összehasonlítva a rokon H 2 O, H 2 S, H 2 Se és H 2 Te vegyületek forráspontjait, felhívták a figyelmet arra, hogy ennek a sorozatnak az első tagja - a víz - sokkal magasabb forráspontú, mint amit a kialakult szabályosságból követett a sorozat többi tagja. Ebből a mintából következett, hogy a víznek 200 ° C-kal alacsonyabban kell forralnia a megfigyelt valós értéknél.

Pontosan ugyanaz az eltérés figyelhető meg az ammónia esetében a rokon vegyületek sorozatában: NH 3, H 3 P, H 3 As, H 3 Sb. Valódi forráspontja (-33 ° C) 80 ° C-kal magasabb a vártnál.

Ha egy folyadék forr, csak a van der Waals-i kölcsönhatások pusztulnak el, azok, amelyek a molekulákat a folyadékfázisban tartják. Ha a forráspont váratlanul magas, akkor következésképpen a molekulákat más további erők kötik meg. Ebben az esetben ezek hidrogénkötések.

Hasonlóképpen, az alkoholok megemelkedett forráspontja (összehasonlítva az -OH csoportot nem tartalmazó vegyületekkel) hidrogénkötések kialakulásának eredménye.

Jelenleg a spektrális módszerek (leggyakrabban infravörös spektroszkópia) megbízható módszert nyújtanak a H-kötések kimutatására. A hidrogénnel kötött AN csoportok spektrális jellemzői jelentősen eltérnek azoktól az esetektől, amikor ilyen kötés hiányzik. Ezenkívül, ha a szerkezeti vizsgálatok azt mutatják, hogy a B - H atomok közötti távolság kisebb, mint a van der Waals sugarak összege, akkor a H-kötés jelenlétét megállapítottnak tekintjük.

kívül emelkedett hőmérséklet forrásban lévő hidrogénkötések az anyag kristályszerkezetének kialakulása során is megnyilvánulnak, növelve annak olvadáspontját. A jég kristályszerkezetében a H-kötések tömeges hálózatot alkotnak, míg a vízmolekulák úgy vannak elrendezve, hogy az egyik molekula hidrogénatomjai a szomszédos molekulák oxigénatomjaira irányuljanak:

A bórsav B (OH) 3 réteges kristályszerkezettel rendelkezik, mindegyik molekula hidrogénhez kötött három másik molekulával. A molekulák rétegbe csomagolása hatszögekből összeállított parkettamintát alkot:

A legtöbb szerves anyag vízben nem oldódik, ha ezt a szabályt megsértik, akkor ez leggyakrabban a hidrogénkötések interferenciájának eredménye.

Az oxigén és a nitrogén a protonok fő donorai, az A atom funkcióját a korábban már figyelembe vett B-triádban veszik fel. H · + d + -A d-. Leggyakrabban akceptorként működnek (B atom). Ennek következtében néhány szerves anyag, amely O és N atomot tartalmaz a B atom szerepében, feloldódhat a vízben (az A atom szerepét a víz oxigénje tölti be). A szerves anyag és a víz közötti hidrogénkötések segítenek a szerves anyagok molekuláinak "széthúzásában", és vizes oldatba juttatásával.

Van egy ökölszabály: ha szerves anyag oxigénatomonként legfeljebb három szénatomot tartalmaz, majd könnyen feloldódik vízben:

A benzol nagyon kevéssé oldódik vízben, de ha egy CH csoportot N-re cserélünk, akkor piridin C 5 H 5 N-t kapunk, amely bármilyen arányban elegyedik a vízzel.

A hidrogénkötések nem vizes oldatokban is megnyilvánulhatnak, amikor a részleges pozitív töltés keletkezik a hidrogénen, és a közelben egy "jó" akceptort, általában oxigént tartalmazó molekula található. Például a kloroform-HCCl 3 feloldja a zsírsavakat, az acetilén-HCєCH pedig acetonban oldódik:

Ez a tény fontos műszaki alkalmazásokat talált, az acetilén nyomás alatt nagyon érzékeny a fényütésre és könnyen felrobban, és nyomás alatt acetonban oldva biztonságosan kezelhető.

A polimerekben és a biopolimerekben található hidrogénkötések fontos szerepet játszanak. A cellulózban, amely a fa fő alkotóeleme, a hidroxilcsoportok ciklikus fragmensekből összeállított polimer lánc oldalcsoportjai formájában helyezkednek el. Az egyes H-kötések viszonylag gyenge energiája ellenére kölcsönhatásuk a polimer molekulában olyan erőteljes intermolekuláris interakcióhoz vezet, hogy a cellulóz oldódása csak egzotikus erősen poláros oldószer - Schweitzer-reagens (réz-hidroxid ammónia-komplex)) alkalmazásakor válik lehetővé. .

Hidrogénkötés (H-kötés)Olyan kötés, amelyet egy protonált hidrogénatom és ugyanazon vagy egy másik molekula erősen elektromosan negatív atomja alkot. Normál körülmények között a hidrogén vegyértéke 1, és képes egy elektronpárt más atomokkal szocializálni, kovalens kötést alkotva: egy hidrogénatom elektronhoz kapcsolódhat, H + hidridiont képezve.

A hidrogénatomnak van egy olyan jellemzője, amely megkülönbözteti az összes többi atomtól: feladva elektronját, az elektronok nélküli mag formájában marad, azaz részecske formájában, amelynek átmérője ezerszer kisebb, mint a többi atom átmérője. Elektronok hiányában a H + iont nem taszítja más atomok vagy ionok elektronhéja, hanem éppen ellenkezőleg, vonzza; közel kerülhet más atomokhoz, kölcsönhatásba léphet elektronjaikkal, sőt beszűrődhet elektronhéjaikba. Folyadékokban a H + -ionok többnyire nem maradnak önálló részecskeként, hanem két anyag molekuláival kötődnek: vízben vízmolekulákkal alkotják a hidronium H 3 O + -ionját; ammónia molekulával - NH 4 + -ammóniumion.

Az egyik legelegonatívabb elem: fluor, oxigén, klór és nitrogén atomjához kötődve a hidrogénatom viszonylag magas pozitív töltést nyer, nem haladja meg az egységet. Mivel ez a töltés egy rendkívül kicsi atommagra koncentrálódik, nagyon közel van egy másik negatív töltést hordozó atomhoz. Ez egy meglehetősen erős dipól-dipól kötés kialakulását idézi elő 20-30 kJ / mol és annál nagyobb energiával. A hidrogénkötés két különböző molekulához vagy ugyanahhoz a molekulához tartozó két erősen poláros kötés inter-dipól interakciójának eredményeként keletkezik. Gyengébb a szokásosnál kovalens kötésamelynek energiája körülbelül 125-420 kJ / mol, és a kötések kölcsönös polarizációja révén fokozható a hidrogénatom jelzett tulajdonságai miatt. A hidrogénkötést (H-kötést) Х-Н × ЧЧЧЧ -vel jelöljük.

A hidrogénkötésben részt vevő hidrogénatom pontosan középen helyezkedhet el két erősen negatív atom - egy szimmetrikus elrendezés - között, vagy közelebb tud mozdulni ahhoz, amely nagy elektronegativitású - aszimmetrikus elrendezésű.

A hidrogénkötés energiája elegendő ahhoz, hogy észrevehető disszociációt okozzon normál és alacsony hőmérsékleten. Még a forráspont közelében is a hidrogén-fluorid átlagos összetétele (HF) 4. Az asszociáció rendellenesen magas olvadás- és forráspontú hidrogén-fluoridot eredményez. A H 2 F 2 dimer megléte megmagyarázza a KHF 2 × NaHF 2 típusú savas sók képződését. Az a tény, hogy a fluorozott sósav, ellentétben a sósavval, brómhidrogénnel és jódhidro-savval, gyenge sav (K d \u003d 7 × 10 -4) - szintén a HF molekulák hidrogénkötések miatti társulásának következménye.

Az aszimmetrikus hidrogénkötés jelenlétében, amely oxigén- és nitrogénvegyületekben fordul elő, a hidrogén kissé közelebb helyezkedik el a két szomszédos atom egyikéhez, itt intermolekuláris H-kötés... Minden H2O molekula részt vesz két H-kötés kialakulásában, így az oxigénatom négy hidrogénatomhoz kapcsolódik. A kapcsolódó vízmolekulák egy áttört térszerkezetet alkotnak, ahol minden oxigénatom a tetraéder közepén, a hidrogénatomok pedig a sarkokban helyezkednek el.

A víz áttört térszerkezete

A jég áttört szerkezete magyarázza alacsonyabb sűrűségét, mint a víz. Az olvadás során a H-kötések egy része megszakad, és a víz sűrűsége megnő, mert a molekulák sűrűbben vannak csomagolva. Egy röntgenvizsgálat kimutatta, hogy a folyékony vízben lévő molekulák nagy részének esetében megmarad a tetraéderes környezet is: a szomszédos molekulák elrendezése majdnem megegyezik a jégkristályokéval, és a következő rétegben megismétlődik

némi eltérés a megadott sorrendtől; az eltérés növekszik a vett molekulától való távolságtól. A vizet a "kis hatótávolságú sorrend", valamint más folyadékok jellemzik, és a többi folyadékhoz képest kisebb mértékben a "nagy hatótávolságú sorrend" jelenléte. Ez magyarázza a kristályos szerkezet jelenlétét a vízben.

A víz tulajdonságai, például magas hőteljesítmény és párolgási hő, abnormálisan magas olvadás- és forráspontok, magas dielektromos állandó - a vízmolekulák hidrogénkötésekkel történő kötése miatt. H-kötések nélkül t olvadékvíz \u003d -100 o C, t forrásban lévő víz \u003d -80 o C.

A folyékony ammóniában hidrogénkötések vannak jelen. A szénhez kötött hidrogénatom akkor képes hidrogénkötés kialakítására, ha a szén többi vegyértéke erősen elektronegatív atomokkal vagy megfelelő atomcsoportokkal telített, például kloroform (CHCl 3), pentaklór-etán (CC1 3-CHCl 2), azaz az elektronegatív atomok közelsége aktiválhatja a hidrogénkötés kialakulását a CH-csoportok atomjainál, bár a C- és H-atomok elektronegativitása majdnem azonos. Ez magyarázza a H-kötések megjelenését a molekulák között folyékony HCN-ban, CHF 3-ban stb.

A hidrogénkötés az anyag összes aggregált állapotában rejlik. Ugyanazok és különböző molekulák között, ugyanazon molekula különböző részei között alakul ki - molekulán belüli hidrogénkötés... A leggyakoribb az OH - hidroxilcsoportokat tartalmazó molekulák közötti H-kötés.

Az éterek, még nagyobb moláris tömeggel is, illékonyabbak, mint az alkoholok, mivel az éterekben az összes hidrogénatom a szénatomokhoz kötődik, és nem képesek H-kötéseket kialakítani.

A H-kötés szerepe a biokémiai rendszerekben nagy. A fehérjék és a nukleinsavak tulajdonságai nagyrészt a hidrogénkötés jelenlétének köszönhetők. A H-kötés fontos szerepet játszik az oldódási folyamatokban. A hidrogénkötések különösen elterjedtek a fehérjék, a nukleinsavak és más biológiailag fontos vegyületek molekuláiban, ezért ezek a kötések fontos szerepet játszanak a létfontosságú folyamatok kémiájában.