Komunikacja wodorowa - Jest to interakcja między dwoma elektronicznymi atomami jednego lub różne cząsteczki. Za pomocą atomu wodoru: A-H ... W (wskazano wiązanie kowalencyjne, trzy punkty - wiązanie wodorowe).

Jeden ze znaków wiązania wodoru może być odległością między atomem wodoru a drugim atomem, uformuje. Powinien być mniejszy niż suma promieniów tych atomów.

Występują, z reguły, między atomami fluoru, azotu i tlenu (najbardziej elektroniczne elementy), rzadziej - z udziałem chloru, atomów siarki i innych niemetalskich. Silne wiązania wodorowe są utworzone w takich substancjach płynnych, takich jak woda, wodór fluorkowy, kwasy nieorganiczne zawierające tlen, kwasy, kwasy karboksylowe, fenole, alkohole, amoniak, aminy. Gdy krystalizacja, wiązania wodorowe w tych substancjach są zwykle zachowane.

Uzależnienie właściwości fizyczne Substancje z strukturą molekularną o charakterze interakcji międzycząsteczkową. Wpływ wiązania wodoru na właściwościach substancji.

Międzykanalne wiązania wodorowe określają Stowarzyszenie cząsteczek, co prowadzi do wzrostu temperatury wrzenia i topnienia. Na przykład, alkohol etylowy C2H5OH, zdolny do skojarzenia, wrzenia w + 78,3 ° C, a eter dimetylowy CH3OSN3, który nie tworzy wiązań wodorowych, tylko w -24 ° C ( formuła molekularna Obie substancje C2N6O).

Powstawanie N-wiązań z cząsteczkami rozpuszczalnikami przyczynia się do poprawy rozpuszczalności. Tak, alkohole metylowe i etylowe (CH3OH, C2N5Y), tworzące N-obligacje z cząsteczkami wody, rozpuszczono w nim w nieskończoność.

Intamolekularne wiązanie wodoru jest utworzone z korzystną lokalizacją przestrzenną w cząsteczce odpowiednich grup atomów, a szczególnie wpływa na właściwości. Na przykład, N-bond wewnątrz cząsteczek kwasu salicylowego zwiększa jego kwasowość. Obligacje wodorowe odgrywają niezwykle ważną rolę w tworzeniu przestrzennej struktury biopolimerów (białka, polisacharydy, kwasy nukleinowe), co w dużej mierze określa ich funkcje biologiczne.

Siły interakcji międzycząsteczkową (siła Van der Waal). Interakcja orientacyjna, indukcyjna i dyspersji.

Interakcja międzycząsteczkowa- Interakcja między elektrycznie obojętnymi cząsteczkami lub atomami.

DO van der Waals. Siły obejmują interakcje między dipolami (stałe i wywołane). Nazwa wynika z faktu, że siły te są przyczyną zmiany ciśnienia wewnętrznego w równaniu stanu prawdziwego gazu Van Der Waals. Te interakcje są określane głównie przez siły odpowiedzialne za utworzenie struktury przestrzennej makrocholelecków biologicznych.

Orientacyjny: Cząsteczki polarne, w których centra grawitacji dodatnich i ujemnych ładunków nie pokrywa się, na przykład HCl, H2O, NH3, koncentruje się w taki sposób, że kończy się przeciwlegcze opłaty znajdują się w pobliżu. Jest między nimi atrakcja. (Energia Keesoma) jest wyrażona przez stosunek:

E K \u003d -2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 R3,

gdzie μ1 i μ2 są chwilami dipolowymi z dipolinami interakcji, R jest odległością między nimi. Przyciąganie Dipole-Dipole można prowadzić tylko wtedy, gdy energia atrakcji przekracza energię termiczną cząsteczek; Zwykle odbywa się to w substancjach stałych i płynnych. Interakcja dipolu-dipolowa objawia się płynów polarnych (woda, wodór fluorkowy).

Indukcja: Zgodnie z działaniem naładowanych końców cząsteczki polarnej elektroniczne chmury cząsteczek nie-polarnych są przesunięte w kierunku ładunku dodatnich i z dala od ujemnego. Cząsteczka nie-polarna staje się polarnym, a cząsteczki zaczynają przyciągać siebie, tylko znacznie słabsze niż dwie cząsteczki polarne.

(Debye Energy) jest określona przez wyrażenie:

E D \u003d -2 μm 2 γ / R 6,

gdzie μ Kin jest momentem wywołanego dipole.

Przyciąganie ciągłych i wywołanych dipoli jest zwykle bardzo słaby, ponieważ polarycjonalność cząsteczek większości substancji jest mała. Działa tylko przy bardzo niskich dystansach między dipolami. Ten rodzaj interakcji przejawia się głównie w roztworach związków polarnych w rozpuszczalnikach nie-polarnych.

Dyspersja: Może być również przyciągany między cząsteczkami nie-polarnymi. Elektrony, które są w stałym ruchu, mogą okazać się skoncentrowane na jednej stronie cząsteczki, czyli cząstkę nie-polarną stanie się polarną. Powoduje to redystrybucję opłat w sąsiednich cząsteczkach, a między nimi ustanowiono relacje krótkoterminowe.

(Energia Londynowa) jest podana przez relację:

E l \u003d -2 μm mgn 2 γ 2 / r 6,

gdzie μ MGN jest momentem natychmiastowego dipole. Londyńskie siły przyciągania między cząstkami nie-polarnymi (atomy, cząsteczki) są bardzo krótkie. Wartości energetyczne takiej atrakcji zależą od wielkości cząstek i liczby elektronów w wywołanych dipolach. Relacje te są bardzo słabe - najsłabsze ze wszystkich interakcji międzybokólnych. Jednak są najbardziej wszechstronne, ponieważ powstają między dowolnymi cząsteczkami.

Komunikacja wodorowa(N-komunikacyjny) jest specjalnym rodzajem interakcji między grupami zdolnymi do reakcji, podczas gdy jedna z grup zawiera atom wodoru podatny na takie interakcje. Wiązanie wodoru to zjawisko globalne obejmujące całą chemię. W przeciwieństwie do konwencjonalnych wiązań chemicznych, N-połączenie pojawia się w wyniku ukierunkowanej syntezy, ale pojawia się w odpowiednich warunkach i manifestuje się w postaci interakcji międzybmodularnych lub intramolekularnych.

Cechy wiązań wodorowych.

Charakterystyczną cechą wiązania wodoru jest stosunkowo niską wytrzymałość, jej energia wynosi 5-10 razy niższa niż energia wiązania chemicznego. Zgodnie z energią zajmuje pozycję pośrednią między wiązaniami chemicznymi a interakcjami Van Der Waals, te, które posiadają cząsteczki w fazie stałej lub ciekłej.

W tworzeniu wiązania N-n-wiązanie elektroniczne atomów zaangażowanych w połączenie jest odgrywanie określonej roli - zdolność do opóźnienia elektronów wiązania chemicznego z partnera atomowego uczestniczącej w tym zakresie. W rezultacie cząstkowy negatywny ładunek D - występuje na atomie i zwiększonej elektronodility, a dodatni partner Atom D + jest dodatni. Łączność chemiczna Jednocześnie polaryzuje: i D- -d D +.

Otrzymany częściowy ładunek dodatni na atomie wodoru pozwala na przyciągnięcie innej cząsteczki, zawierającej również element Elektroniczny, w ten sposób interakcje elektrostatyczne są wykonane w tworzeniu N-komunikacyjnej.

Trzy atomy są zaangażowane w tworzenie N-obligacjach, dwa elektroultralne (A i B) i atom wodoru między nimi, struktura takiego stosunku może być przedstawiona w następujący sposób: B ··· HD + -a D- (wodór Obligacje są zwykle oznaczone linią punktową). Atom A, chemicznie związany z N, nazywa się Donor Proton (Lat. Donar - Daj, poświęcenie), a B - jego akceptor (Lat. Akceptor - akceptor). Najczęściej prawdziwa "darowizna" nie jest i H pozostaje chemicznie związana z A.

Atomy - Darczyńcy A, dostarczanie H do tworzenia N-Links, niewiele, prawie tylko trzy: N, O i F, jednocześnie zestaw atomów akceptorowych B jest bardzo szeroki.

Sama koncepcja i termin "komunikacja wodoru" wprowadzona V.Lothimer i R. Uerbush w 1920 r. W celu wyjaśnienia wysokie temperatury Wrząca woda, alkohole, płynna HF i inne połączenia. Porównanie temperatury wrzenia związków H 2 O, H 2 S, H 2 SE i H 2 TE, zauważyli, że pierwszy członek tej serii - woda - czyraki znacznie wyższa niż w przypadku wzorców, które powstały reszta Członkowie serii. Z tego wzorca woda powinna być gotowana do 200 ° C niższa niż obserwowana wartość prawdziwej.

Dokładnie to samo odchylenie jest zaobserwowane dla amoniaku w rzędzie związków związanych: NN3, H3 P, H3, jak, H3 SB. To prawdziwy punkt wrzenia (-33 ° C) wynosi 80 ° C powyżej oczekiwanej wartości.

Gdy ciecz wrząca, tylko interakcja Van Der Waal, te, które trzymają cząsteczki w fazie ciekłej, są zniszczone. Jeśli temperatura wrzenia jest niespodziewanie wysoka, a następnie, dlatego cząsteczki są powiązane dodatkowo inne siły. W tym przypadku jest to wiązania wodorowe.

Podobnie, zwiększony temperaturę wrzenia alkoholi (w porównaniu ze związkami, które nie zawierają grupę ") jest wynikiem tworzenia wiązań wodorowych.

Obecnie niezawodny sposób wykrywania N Communications daje metody widmowe (najczęściej spektroskopia na podczerwień). Charakterystyka widmowa grup związanych z człowiekiem związanymi z wiązaniami wodorowymi są wyraźnie różne od takich przypadków, gdy połączenie jest nieobecne. Ponadto, jeśli badania strukturalne pokazują, że odległość między atomami B-N jest mniejsza niż ilość promienia Van Der Waals, uważa się, że obecność połączenia N jest ustalona.

Oprócz zwiększona temperatura Wrzące wiązania wodoru pojawiają się również w tworzeniu krystalicznej struktury substancji, zwiększając jej temperaturę topnienia. W strukturze krystalicznej lodu, n-wiązania tworzą siatkę masową, podczas gdy cząsteczki wody są rozmieszczone tak, że atomy wodoru jednej cząsteczki są skierowane do atomów tlenu sąsiednich cząsteczek:

Kwas borowy B (OH) 3 ma warstwową strukturę krystaliczną, każda cząsteczka jest związana wiązaniami wodorowymi z trzema innymi cząsteczkami. Opakowanie cząsteczek w warstwie tworzy wzór parkietowy zebrany z sześciokątów:

Większość substancji organicznych nie jest rozpuszczalna w wodzie, gdy taka reguła jest uszkodzona, a następnie najczęściej, jest to wynik interwencji wiązań wodorowych.

Tlen i azot są głównymi darczyńców protonów, podejmują funkcję atomu A w uprzednio rozważanym triade B ··· H D +A D-. Najczęściej działają jako akceptory (atom b). Dzięki temu niektóre substancje organiczne zawierające O i N w roli atomu B mogą rozpuszczone w wodzie (rola atomu A wykonuje tlen wodny). Wiązania wodorowe między materią organiczną a wodą pomagają "usunąć" cząsteczki materii organicznej, przekładając ją do roztworu wodnego.

Istnieje zasadę empiryczną: jeśli organiczny Zawiera nie więcej niż trzy atomy węgla przez jeden atom tlenowy, łatwo jest rozpuszczony w wodzie:

Benzol jest bardzo lekko rozpuszczalny w wodzie, ale jeśli zastąpisz jedną grupę CH na N, otrzymujemy pirydynę C5 H 5 N, która jest mieszana z wodą w dowolnych relacjach.

Obligacje wodorowe mogą pokazać się w nieodnych roztworach, gdy występuje częściowy ładunek dodatni na wodór, a występuje cząsteczka zawierająca "dobry" akceptor, jako regułę tlenu. Na przykład, HCCl 3 chloroform rozpuszcza kwasy tłuszczowe, a acetylen HCєch rozpuszczalny w acetonie:

Fakt ten znalazł ważną aplikację techniczną, acetylen pod ciśnieniem jest bardzo wrażliwy na łatwe wstrząsy i łatwo eksploduje, a jego roztwór w acetonie pod ciśnieniem jest bezpieczny w obiegu.

Ważną rolę odgrywają wiązania wodorowe w polimerach i biopolimerach. W celulozy główny składnik grup wodnych - hydroksylowych znajdują się w postaci grup bocznych łańcucha polimerowego zebranego z cyklicznych fragmentów. Pomimo stosunkowo słabej energii każdego indywidualnego n-bond, ich interakcja na całej cząsteczki polimerowej prowadzi do tak silnej interakcji międzycząsteczkową, że rozpuszczenie celulozy staje się możliwe tylko przy użyciu egzotycznego rozpuszczalnika wysokiego polarnego - odczynnik Swisser (kompleks amoniaku) wodorotlenku miedzianego).

Komunikacja wodoru (N-komunikacja)- Jest to wiązanie utworzone przez protonowanego atomu wodoru z silnie atomem elektronowym tej samej lub innej cząsteczki. W normalnych warunkach, wartość wodorowa jest równa 1, i jest w stanie uogólniać z innymi atomami jedną parą elektronową, tworząc wiązanie kowalencyjne: atom wodoru może przymocować elektron, tworząc wodorkowy Ion H +.

Atom wodoru ma funkcję, która odróżnia go od wszystkich innych atomów: rezygnacji z elektronu, pozostaje w postaci rdzenia bez elektronów, tj. W postaci cząstki, średnica, która ma tysiące razy mniej niż średnica pozostałych atomów. W przypadku braku elektronów ION H + nie jest odpychany przez elektroniczne skorupy innych atomów lub jonów, ale wręcz przeciwnie, przyciąga; Może ściśle zbliżać się do innych atomów, interakcji z elektronami, a nawet osadza się w ich elektronicznych skorup. W przypadku płynów H + -yions, w większości nie zachowuje się w postaci niezależnej cząstki i wiązania się z cząsteczkami dwóch substancji: w wodzie z cząsteczkami wody, tworząc ION ION H3O + -AION Hydroxonium; Z molekułą amoniakalną - NH4 + -yone amon.

Bycie związanym z atomem jednego z najbardziej elektroukatywnych elementów: z atomem fluorowym, tlenem, chlorem i azotem, atomem wodoru nabywa stosunkowo wysoki ładunek dodatni, który nie przekracza jednego. Ponieważ ładunek ten koncentruje się na niezwykle małym kuchence atomowej, jest bardzo blisko innego atomu niosącym negatywny ładunek. Powoduje to powstanie dość silnego związku dipolowego z energią 20-30 kJ / mol i więcej. Wiązanie wodoru występuje w wyniku interdapoli interakcji dwóch silnie obligacjach polarnych należących do różnych cząsteczek lub jednej i tej samej cząsteczki. Jest słabszy niż zwykły komunikacja kowalencyjnaEnergia, której to jest około 125-420 kj / mol i może być wzmocniona ze względu na wzajemną polaryzację obligacji z powodu tych cech atomu wodoru. Wiązanie wodoru (N-komunikacyjny) jest oznaczony przez X-N × × x x.

Atom wodoru zaangażowany w wiązanie wodorowe może być umieszczone dokładnie w środku między dwoma silnie negatywnymi atomami - symetryczną lokalizacją lub przesuwaniem bliżej tego, co ma większą elektronodość - asymetryczna lokalizacja.

Energia wiązania wodoru jest wystarczająca, aby z konwencjonalnymi i obniżonymi temperaturami powodować zauważalne dysocjację cząsteczek. Wodór fluorkowy nawet w pobliżu temperatury wrzenia ma średnią kompozycję (HF) 4. Stowarzyszenie prowadzi do nienormalnie wysokich temperatur topnienia i wrzącej wodoru fluorku. Istnienie dimeru H2 F 2 wyjaśnia tworzenie soli kwasowych typu KHF 2 × NaHF 2. Fakt, że kwas hydrofluorowy jest w przeciwieństwie do chlorku chlorowodorowego, hydrochlorowego bromku i orodoilowy, reprezentuje słaby kwas (K D \u003d 7 × 10 -4) jest również konsekwencją stowarzyszenia cząsteczek HF z powodu wiązań wodorowych.

W obecności asymetrycznego wiązania wodoru, które występuje w związkach tlenowych i azotowych, wodór jest nieco bliższy do jednego z dwóch sąsiednich atomów, tutaj międzynamolekularna komunikacja N. Każda cząsteczka H2O jest zaangażowana w tworzenie dwóch wiązań N, tak że atom tlenu okazuje się związany z czterema atomami wodoru. Powiązane cząsteczki wody tworzą ażurową strukturę przestrzenną, gdzie każdy atom tlenowy znajduje się w środku tetrahedron, a atomy wodoru znajdują się w rogach.

Ażurowa struktura wody przestrzennej

Openwork lodowa struktura wyjaśnia mniejszą gęstość niż woda. Podczas topnienia część N-Links jest rozdarty, a gęstość wody wzrasta, ponieważ Cząsteczki układają się szczelnie. Badanie rentgenowskie wykazało, że dla większości cząsteczek w wodzie ciekłej, utrzymuje się również środowisko tetraedryczne: lokalizacja sąsiednich cząsteczek jest prawie taka sama jak w kryształku lodu, a kolejna warstwa jest powtarzana

trochę odchylenia od określonego porządku; Odchylenie wzrasta, gdy cząsteczka jest usunięta. W przypadku wody, obecność "niedokończonego" charakteryzuje się innymi płynami, a w mniejszym stopniu, w porównaniu z innymi płynami, obecnością "dalekiego zasięgu". Wyjaśnia to obecność struktury krystalicznej w wodzie.

Właściwości wody, takie jak duże wartości pojemności cieplnej i odparowania ciepła, nienormalnie wysoki temperatury topnienia i wrzenia, wysoka stała dielektryczna - ze względu na granicę cząsteczek wody z wiązaniami wodorowymi. Bez N-Links T PL.V. \u003d -100 o C, T KIP. Woda \u003d -80 O C.

Obligacje wodorowe są obecne w ciekłym amoniaku. Atom wodoru związany z węglem może zdobyć zdolność do utworzenia wiązania wodoru, jeżeli pozostała wartość zawartość węgla jest nasycona wysokimi atomami elektroulikatywnymi lub odpowiednimi grupami atomowymi, na przykład chloroform (SNSL 3), pentachloroetan (CCl 3-KCl 2), tj. Sąsiedztwo atomów elektroespryjnych może aktywować powstawanie wiązań wodorowych w atomach Grupy CH, chociaż elektryzowalność atomów C i H jest prawie taka sama. Wyjaśnia to występowanie N-links między cząsteczkami w płynie HCN, CHF 3 itd.

Wiązanie wodorowe jest specyficzne dla jakichkolwiek zagregowanych stanów substancji. Jest utworzony między tymi samymi i między różnymi cząsteczkami między różnymi częściami tej samej cząsteczki - intramolekularne wiązanie wodoru. Najczęściej jest N-połączenie między cząsteczkami zawierającymi grupy hydroksylowe -.

Łatwe etery z większą masą molową bardziej loty niż alkohole, ponieważ wszystkie atomy wodoru są związane z atomami węgla i nie są w stanie tworzyć wiązania H.

Rola obligacji H w systemach biochemicznych jest świetny. Właściwości białek i kwasów nukleinowych są w dużej mierze spowodowane obecnością wiązań wodorowych. N-Bond odgrywa dużą rolę w procesach rozpuszczania. Wiązanie wodorowe w cząsteczkach białkowych, kwasach nukleinowych i innych istotnych związkach biologicznie są szczególnie powszechne, więc obligacje te odgrywają ważną rolę w procesach chemii życia.