Hidrogen Communications. - aceasta este interacțiunea dintre cei doi atomi electronegativi ai unuia sau diferite molecule Prin intermediul unui atom de hidrogen: A-H ... în (o legătură covalentă este indicată, trei puncte - legătura de hidrogen).

Unul dintre semnele legăturii de hidrogen poate fi distanța dintre atomul de hidrogen și celălalt atom, forze. Ar trebui să fie mai mică decât suma razei acestor atomi.

Acestea apar, de regulă, între atomii de fluor, azot și oxigen (elementele cele mai electronegative), mai rar - cu participarea clorului, a atomilor de sulf și a altor ne-metale. Legăturile puternice de hidrogen sunt formate în astfel de substanțe lichide, cum ar fi apa, hidrogenul fluor, acizii anorganici conținând oxigen, acizii carboxilici, fenoli, alcooli, amoniac, amine. Când cristalizarea, legăturile de hidrogen în aceste substanțe sunt de obicei păstrate.

Dependență proprietăți fizice Substanțe cu structură moleculară pe natura interacțiunii intermoleculare. Efectul legăturii de hidrogen asupra proprietăților substanțelor.

Legăturile de hidrogen intermoleculare determină asocierea moleculelor, ceea ce duce la o creștere a temperaturii de fierbere și topire. De exemplu, alcool etilic C2H5OH, capabil de asociere, fierbe la + 78,3 ° C și dimetil eterul CH3OSN3, care nu formează legături de hidrogen, numai la -24 ° C ( formulă moleculară Ambele substanțe C2H6O).

Formarea de n-obligațiuni cu molecule de solvent contribuie la îmbunătățirea solubilității. Deci, alcoolii metil și etilic (CH3OH, C2N5Y), formând N-legături cu molecule de apă, dizolvate în ea pe termen nelimitat.

Bondul de hidrogen intramolecular este format cu o locație spațială favorabilă în molecula grupurilor corespunzătoare de atomi și afectează în mod specific proprietățile. De exemplu, N-Bond molecule de acid salicilic crește aciditatea sa. Legăturile de hidrogen joacă un rol extrem de important în formarea structurii spațiale a biopolimerii (proteine, polizaharide, acizi nucleici), care determină în mare măsură funcțiile lor biologice.

Forțe de interacțiune intermoleculară (puterea van der waals). Orientarea, inducția și dispersia interacțiune.

Interacțiune intermoleculară- interacțiunea dintre moleculele neutre din punct de vedere electric sau atomii.

LA van der Waals Forțele includ interacțiuni între dipolii (permanente și indusă). Numele se datorează faptului că aceste forțe sunt cauza modificării presiunii interne în ecuația stării reale a gazului Van der Waals. Aceste interacțiuni sunt determinate în principal de forțele responsabile de formarea structurii spațiale a macromoleculelor biologice.

Orientare: Moleculele polare în care centrele de greutate ale încărcăturilor pozitive și negative nu coincid, de exemplu HCI, H20, NH3, sunt focalizate astfel încât să se termine cu încărcături opuse. Există o atracție între ele. (Energia Keesoma) este exprimată prin raport:

E k \u003d -2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 R3,

În cazul în care μ1 și μ2 sunt momente dipole de dipolii interacționați, R este distanța dintre ele. Atracția dipol-dipol poate fi efectuată numai atunci când energia de atracție depășește energia termică a moleculelor; Acest lucru are loc, de obicei, în substanțe solide și lichide. Interacțiunea dipol-dipol se manifestă în fluide polare (apă, hidrogen fluorură).

Inducţie: Sub acțiunea capetelor percepute ale moleculei polare, norii electronici de molecule non-polare sunt mutate spre o încărcătură pozitivă și departe de negativ. Molecula non-polară devine polară, iar moleculele încep să se atragă reciproc, doar mult mai slabe decât două molecule polare.

(Energia de Debye) este determinată de expresie:

E D \u003d -2 μ mA 2 γ / R6,

unde μ Kin este momentul dipolului indus.

Atragerea dipolilor constanți și indusă este de obicei foarte slabă, deoarece polarizabilitatea moleculelor cele mai multe substanțe este mică. Acționează numai la distanțe foarte scăzute între dipolii. Acest tip de interacțiune se manifestă în principal în soluțiile de compuși polari în solvenți non-polari.

Dispersie: De asemenea, pot fi atrase între moleculele non-polare. Electronii care sunt în mișcare constantă se pot dovedi a fi concentrați pe o parte a moleculei, adică o particulă non-polară va deveni polară. Acest lucru cauzează redistribuirea taxelor în moleculele învecinate, iar relațiile pe termen scurt sunt stabilite între ele.

(Energia din Londra) este dată de relația:

E L \u003d -2 μ MGN 2 γ 2 / R6,

unde μ MGN este momentul unui dipol instant. Forțele de atracție din Londra între particulele non-polare (atomi, molecule) sunt foarte scurte. Valorile energetice ale unei astfel de atracții depind de mărimea particulelor și de numărul de electroni din dipolele induse. Aceste relații sunt foarte slabe - cea mai slabă dintre toate interacțiunile intermoleculare. Cu toate acestea, ele sunt cele mai versatile, deoarece apar între orice molecule.

Hidrogen Communications.(N-Communication) este un tip special de interacțiune între grupele capabile de reacție, în timp ce una dintre grupuri conține un atom de hidrogen predispus la o astfel de interacțiune. Hidrogen Bond este un fenomen global care acoperă toată chimia. Spre deosebire de legăturile chimice convenționale, conexiunea N nu apare ca urmare a sintezei vizate, dar apare în condiții adecvate și se manifestă sub formă de interacțiuni intermoleculare sau intramoleculare.

Caracteristici ale legăturilor de hidrogen.

O caracteristică distinctivă a legăturii de hidrogen este o rezistență relativ scăzută, energia sa este de 5-10 ori mai mică decât energia legăturii chimice. Prin energie, aceasta ocupă o poziție intermediară între legăturile chimice și interacțiunile Van der Warals, cele care dețin molecule într-o fază solidă sau lichidă.

În formarea N-Bond, electronegiabilitatea atomilor implicați în conexiune joacă un rol definitoriu - abilitatea de a întârzia electronii legăturii chimice de la un partener atom care participă la această privință. Ca rezultat, o încărcătură negativă parțială apare pe atom și cu electronegitilitate crescută și un partener pozitiv D + Atom este pozitiv. comunicații chimice În același timp, polarizează: și d -d d +.

Taxa parțială parțială rezultată pe atomul de hidrogen îi permite să atragă o altă moleculă, care conține, de asemenea, un element electronic, astfel încât interacțiunile electrostatice sunt realizate în formarea n-comunicații.

Trei atomi sunt implicați în formarea de N-obligațiuni, două electronegative (A și B) și atomul de hidrogen între ele, structura unei astfel de relații poate fi prezentată după cum urmează: B ··· HD + -A D- (hidrogen Obligațiunile sunt, de obicei, denumite printr-o linie de punct). Atom A, asociat chimic cu N, se numește donator de protoni (Donator Lat - da, sacrificarea) și b - acceptorul său (Lat. Acceptor - Acceptor). Cel mai adesea, adevărata "donație" nu este, iar H rămâne asociată chimic cu A.

Atomii - donatorii A, furnizarea H pentru formarea de n-link-uri, nu multe, aproape doar trei: N, O și F, în același timp, un set de atomi de acceptor B este foarte larg.

Chiar conceptul și termenul "comunicare de hidrogen" a introdus V.Lothimer și R. Uerbush în 1920, pentru a explica temperaturi mari Apă clocotită, alcooli, HF lichid și alte conexiuni. Comparând punctul de fierbere al compușilor asociați H20, H2S, H2S și H2TA, au observat că primul membru al acestei serii - apa - fierbe mult mai mare decât a urmat de modelele pe care le-au format restul Membri ai unei serii. Din acest model, apa trebuie să fie fiartă la 200 ° C mai mică decât valoarea reală observată.

Exact aceeași abatere este observată pentru amoniac într-un rând de compuși legați: Nn 3, H3 P, H 3 ca, H 3 SB. Punctul său de fierbere adevărat (-33 ° C) este de 80 ° C peste valoarea așteptată.

Când lichidul se fierbe, numai interacțiunea Van der Warals, cei care dețin molecule în faza lichidă sunt distruse. Dacă punctul de fierbere este neașteptat de mare, atunci, prin urmare, moleculele sunt asociate suplimentar și alte forțe. În acest caz, aceasta este legăturile de hidrogen.

În mod similar, creșterea punctului de fierbere al alcoolilor (în comparație cu compușii care nu conțin grupuri) este rezultatul formării legăturilor cu hidrogen.

În prezent, o modalitate fiabilă de detectare a comunicațiilor n dă metode spectrale (cel mai adesea spectroscopie infraroșu). Caracteristicile spectrale ale grupurilor legate de om asociate cu legăturile de hidrogen sunt considerabil diferite de acele cazuri în care această conexiune este absentă. În plus, dacă studiile structurale arată că distanța dintre atomii B-N este mai mică decât cantitatea de rază Van der Waals, se crede că este stabilită prezența conexiunii N.

Pe lângă creșterea temperaturii Legăturile de hidrogen fierbinte apar, de asemenea, în formarea unei structuri cristaline a unei substanțe, sporind punctul de topire. În structura cristalină a gheții, N-Legăturile formează o plasă în vrac, în timp ce moleculele de apă sunt aranjate astfel încât atomii de hidrogen ai unei molecule să fie îndreptate spre atomii de oxigen de molecule adiacente:

Acidul boric B (OH) 3 are o structură cristalină stratificată, fiecare moleculă este legată de legături de hidrogen cu alte trei molecule. Ambalarea moleculelor din strat formează un model de parchet colectat de la hexagoane:

Cele mai multe substanțe organice nu sunt solubile în apă, atunci când o astfel de regulă este spartă, apoi, cel mai adesea, acesta este rezultatul intervenției legăturilor de hidrogen.

Oxigenul și azotul sunt principalii donatori ai protonilor, aceștia preiau funcția Atomului A în triade B ··· H D + OU D-. Ei, cel mai adesea, acționează ca acceptori (atomul b). Datorită acestui fapt, unele substanțe organice care conțin O și N în rolul unui atom B pot fi dizolvate în apă (rolul unui atom A efectuează oxigenul de apă). Legăturile de hidrogen între materie organică și apă ajută la "eliminarea" moleculelor de materie organică, traducându-l într-o soluție apoasă.

Există o regulă empirică: dacă organic Conține nu mai mult de trei atomi de carbon cu un atom de oxigen, acesta este ușor dizolvat în apă:

Benzolul este foarte puțin solubil în apă, dar dacă înlocuiți un grup de CH pe n, obținem piridina C5H5N, care este amestecată cu apă în orice relații.

Legăturile de hidrogen se pot arăta în soluții neapoase atunci când o sarcină pozitivă parțială apare pe hidrogen și există o moleculă care conține un acceptor "bun", ca o capacitate de oxigen. De exemplu, cloroformul HCCI 3 dizolvă acizii grași și acetylene HCєCH solubil în acetonă:

Acest fapt a constatat o aplicație tehnică importantă, acetilenă sub presiune este foarte sensibilă la conturile ușoare și explodează cu ușurință, iar soluția sa în acetonă sub presiune este în siguranță în circulație.

Legăturile de hidrogen în polimeri și biopolimeri joacă un rol important. În celuloză, componenta principală a grupărilor din lemn - hidroxil sunt amplasate sub formă de grupe laterale ale lanțului polimeric colectat din fragmente ciclice. În ciuda energiei relativ slabe a fiecărei legături individuale, interacțiunea lor pe toată molecula polimerică duce la o astfel de interacțiune intermoleculară puternică că dizolvarea celulozei devine posibilă numai atunci când se utilizează un solvent exotic ridicat polar - reactivul swiserului (complexul de amoniac de hidroxid de cupru).

Comunicarea hidrogenului (N-Communication)- Aceasta este o legătură formată din atomul de hidrogen protonat cu un atom puternic de electroni de aceeași moleculă. În condiții normale, valența de hidrogen este egală cu 1 și este capabilă să generalizeze cu alte atomi o pereche de electroni, formând o legătură covalentă: un atom de hidrogen poate atașa un electron, formând o hidrură Ion H +.

Atomul de hidrogen are o caracteristică care o deosebește de toți ceilalți atomi: renunțând la electron, rămâne sub forma unui miez fără electroni, adică Sub forma unei particule, un diametru, care este de mii de ori mai mic decât diametrul atomilor rămași. În absența electronilor, Ion H + nu este respinsă de cochilii electronici ai altor atomi sau ioni, dar, dimpotrivă, atrage; Se poate apropia îndeaproape alți atomi, interacționează cu electronii lor și chiar încorpora în cochilii lor electronice. În lichidele H + - Lichidele, nu se păstrează în cea mai mare parte sub forma unei particule independente și se leagă la molecule de două substanțe: în apă cu molecule de apă, formând Ion H3O + Hidroxoniu; Cu moleculă de amoniac - NH4 +-amoniu.

Fiind asociat cu atomul unuia dintre cele mai elemente electronegative: cu un atom de fluor, oxigen, clor și azot, un atom de hidrogen dobândește o sarcină pozitivă relativ ridicată, care nu depășește una. Deoarece această încărcare este concentrată pe un aragaz atomic extrem de mic, este foarte aproape de un alt atom care transporta o încărcare negativă. Aceasta determină formarea unei conexiuni dipole dipole destul de puternice cu energia de 20-30 kJ / mol și mai mult. Bondul de hidrogen apare ca urmare a interacțiunii interdapole a celor două legături polare puternic aparținând diferitelor molecule sau una și aceeași moleculă. Este mai slab decât obișnuit comunicare covalentăActivitatea căreia este de aproximativ 125-420 kJ / mol și poate fi îmbunătățită datorită polarizării reciproce a legăturilor datorate acestor caracteristici ale atomului de hidrogen. Bondul de hidrogen (N-Communication) este notat cu x-N × × × x.

Un atom de hidrogen implicat în legătura de hidrogen poate fi localizat exact în mijloc între doi atomi puternici - o locație simetrică sau se deplasează mai aproape de cea, care are o electronegativitate mai mare - locație asimetrică.

Energia legăturii de hidrogen este suficientă, astfel încât, cu temperaturi convenționale și reduse, provoacă o disociere semnificativă a moleculelor. Fluorura hidrogen chiar lângă punctul de fierbere are o compoziție medie (HF) 4. Asociația duce la temperaturi anormal de ridicate de topire a fluorului de topire și fierbere. Existența dimerului H 2 F 2 explică formarea de săruri acide de tip KHF 2 × NaHF2. Faptul că acidul hidrofluoric este diferit de clorură clorură, bromură de bromură și orodoyhedru, reprezintă acid slab (K d \u003d 7 × 10 -4) este, de asemenea, o consecință a asocierii moleculelor HF din cauza legăturilor de hidrogen.

În prezența unei legături de hidrogen asimetrice, care apare în compușii de oxigen și azot, hidrogenul este ușor de aproape unul dintre cei doi atomi adiacenți, aici n-Comunicare intermoleculară. Fiecare moleculă H20 este implicată în formarea a două legături N, astfel încât un atom de oxigen se dovedește a fi asociat cu patru atomi de hidrogen. Moleculele de apă asociate formează o structură spațială deschisă, unde fiecare atom de oxigen este situat în centrul tetraedrului, iar atomii de hidrogen sunt situați în colțuri.

Structura de apă spațială deschisă

Structura gheață deschisă explică densitatea sa mai mică decât apa. Când se topește, o parte din legăturile N este ruptă și densitatea apei crește, deoarece Moleculele se aranjează mai strâns. Examenul cu raze X a arătat că, pentru majoritatea moleculelor din apă lichidă, este, de asemenea, persistă un mediu tetraedric: locația moleculelor vecine este aproape aceeași ca în cristalul de gheață, iar stratul ulterior este repetat

o anumită abatere de la ordinea specificată; Deviația crește pe măsură ce molecula este îndepărtată. Pentru apă, prezența "aproape ordinii" este caracterizată ca și pentru alte lichide și într-o măsură mai mică, în comparație cu alte lichide, prezența unui "rază lungă de acțiune". Aceasta explică prezența unei structuri de cristal în apă.

Proprietăți de apă, cum ar fi valorile mari ale capacității de căldură și evaporarea căldurii, temperaturile de topire anormal de mare și de fierbere, constantă dielectrică ridicată - datorită limitei moleculelor de apă cu legături de hidrogen. Fără n-links t pl.v. \u003d -100 o C, t kip. Apă \u003d -80 o C.

Legăturile de hidrogen sunt prezente în amoniac lichid. Atomul de hidrogen asociat cu carbonul poate dobândi capacitatea de a forma o legătură de hidrogen în cazul în care valența de carbon rămasă este saturată cu atomi electronegativi ridicați sau grupări atomice corespunzătoare, de exemplu, cloroform (SNSL3), pentacloretan (CCI3 -CHCI 2), adică Cartierul atomilor electronegativi poate activa formarea legăturilor cu hidrogen la atomii de grup CH, deși electronegabilitatea atomilor C și H este aproape aceeași. Aceasta explică apariția N-Link-uri între molecule în HCN lichid, CHF3 etc.

Bondul de hidrogen este specific oricăror stări agregate ale substanței. Se formează între aceleași și între diferite molecule, între diferite părți ale aceleiași molecule - legătura hidrogen intramoleculară. Cea mai obișnuită este conexiunea N între moleculele care conțin grupări hidroxil -.

Etapele ușoare cu o masă molară mai mare de alcooli mai volatili decât alcooli, deoarece toți atomii de hidrogen sunt asociați cu atomi de carbon și nu sunt capabili să formeze legături H.

Rolul obligațiunilor H în sistemele biochimice este minunat. Proprietățile proteinelor și acizilor nucleici se datorează în mare măsură prezenței legăturilor cu hidrogen. N-Bond joacă un rol important în procesele de dizolvare. Hidrogen Legăturile din moleculele de proteine, acizii nucleici și alți compuși importanți biologic sunt deosebit de obișnuiți, astfel încât aceste obligațiuni joacă un rol important în procesele de chimie a vieții.