Vodíková komunikácia - Toto je interakcia medzi dvoma elektronegatívnymi atómami jedného alebo rôzne molekuly Pomocou atómu vodíka: A-H ... v (kovalentná väzba je uvedená, tri body - vodíková väzba).

Jedným z príznakov vodíkovej väzby môže byť vzdialenosť medzi atómom vodíka a druhým atómom, tím. Mala by byť nižšia ako súčet polomerov týchto atómov.

Vyskytujú sa spravidla medzi atómami fluóru, dusíka a kyslíka (najviac elektronegatívnych prvkov), menej často - s účasťou chlóru, atómov síry a iných nekovov. Silné vodíkové väzby sú vytvorené v takých kvapalných látkach, ako je voda, fluorid vodík, anorganické kyseliny obsahujúce kyslík, karboxylové kyseliny, fenoly, alkoholy, amoniak, amíny. Pri kryštalizácii sa zvyčajne zachovávajú vodíkové väzby v týchto látkach.

Závislosť fyzikálne vlastnosti Látky s molekulovou štruktúrou pri povahe intermolekulovej interakcie. Účinok vodíkovej väzby na vlastnosti látok.

Intermolekulárne vodíkové väzby určujú asociáciu molekúl, čo vedie k zvýšeniu teploty varu a teploty topenia. Napríklad etylalkohol C2H5OH, schopný asociácie, varí pri teplote + 78,3 ° C a dimetyléter CH3OSN3, ktorý netvorí vodíkové väzby, len pri -24 ° C molekulový vzorec Obe látky C2N6O).

Tvorba N-väzieb s molekulami rozpúšťadiel prispieva k zlepšeniu rozpustnosti. Tak, metylové a etylalkoholy (CH3OH, C2N5Y), tvoriace N-väzby s molekulami vody, rozpustené v ňom neurčito.

Intramolekulárna vodíková väzba je vytvorená s priaznivým priestorovým umiestnením v molekule zodpovedajúcich skupín atómov a špecificky ovplyvňuje vlastnosti. Napríklad N-väzbové molekuly kyseliny salicylovej zvyšuje jeho kyslosť. Vodíkové väzby hrajú mimoriadne dôležitú úlohu pri tvorbe priestorovej štruktúry biopolymérov (proteínov, polysacharidov, nukleových kyselín), čo do značnej miery určuje ich biologické funkcie.

Sily intermolekúlárnej interakcie (Sila van der Waals). Orientačná, indukčná a disperzná interakcia.

Intermolekulárna interakcia- interakcia medzi elektricky neutrálnymi molekulami alebo atómami.

Na van der waals Sily zahŕňajú interakcie medzi dipónami (trvalé a indukované). Názov je spôsobený skutočnosťou, že tieto sily sú príčinou vnútorného a doplnenia tlaku v rovnici štátu skutočného plynu van der Waals. Tieto interakcie sú určené najmä silám zodpovednými za vytvorenie priestorovej štruktúry biologických makromolekúl.

Orientácia: Polárne molekuly, v ktorých sa strediská závažnosti pozitívnych a negatívnych obvinení nezhodujú, napríklad HCL, H2O, NH3, sú zamerané tak, aby boli v blízkosti koncov s opačnými nábojmi. Medzi nimi je atrakcia. (Keesoma Energy) je vyjadrený pomerom:

E k \u003d -2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 R3,

kde μ1 a μ2 sú dipólové momenty interagujúceho dipólu, r je vzdialenosť medzi nimi. Príťažlivosť dipól-dipól môže byť vykonaná len vtedy, keď energia príťažlivosti presahuje tepelnú energiu molekúl; To sa zvyčajne koná vo pevných a kvapalných látkach. Dipól-dipólová interakcia sa prejavuje v polárnych tekutinách (voda, fluorid vodík).

Indukcia: Podľa pôsobenia nabitých koncov polárnej molekuly sa elektronické mlynové molekuly nepolárne posunujú smerom k pozitívnemu náboja a od negatívneho. Non-polárna molekula sa stáva polárnym a molekuly sa začnú navzájom priťahovať, len oveľa slabšie ako dve polárne molekuly.

(Debye Energy) je určená výrazom:

E D \u003d -2 μ MA 2 y / R6,

kde μ kin je momentom indukovaného dipólu.

Príťažlivosť konštantných a indukovaných dipónov je zvyčajne veľmi slabá, pretože polarizovateľnosť molekúl väčšiny látok je malá. Pôsobí len pri veľmi nízkych vzdialenostiach medzi dipónami. Tento typ interakcie sa prejavuje najmä v roztokoch polárnych zlúčenín v nepolárnych rozpúšťadlách.

Disperzia: Môžu byť tiež priťahované medzi nepolárne molekuly. Elektróny, ktoré sú v konštantnom pohybe, sa môžu zamerať na jednu stranu molekuly, to znamená, že nekarová častica sa stane polárnou. To spôsobuje redistribúciu poplatkov v susedných molekúl a medzi nimi sú stanovené krátkodobé vzťahy.

(London Energy) je daný vzťahom:

E L \u003d -2 μ mgn2 y2 / R6,

kde μ mgn je momentom okamžitej dipól. Londýnske sily príťažlivosti medzi nepolárnymi časticami (atómami, molekulami) sú veľmi krátke. Energetické hodnoty takejto príťažlivosti závisia od veľkosti častíc a počtu elektrónov v indukovaných dipónoch. Tieto vzťahy sú veľmi slabé - najslabšia zo všetkých intermolekulárnych interakcií. Sú však najuniverzálnejšie, pretože vznikajú medzi žiadnymi molekulami.

Vodíková komunikácia(N-komunikácia) je špeciálny typ interakcie medzi skupinami schopnými reakciami, zatiaľ čo jedna zo skupín obsahuje atóm vodíka na takú interakciu. Vodíková väzba je globálnym fenoménom pokrývajúcim všetku chémiu. Na rozdiel od konvenčných chemických väzieb sa N-Connection nezobrazí v dôsledku cielenej syntézy, ale vzniká vo vhodných podmienkach sám a prejavuje sa vo forme intermolekulárnych alebo intramolekulárnych interakcií.

Vlastnosti vodíkových väzieb.

Charakteristickým znakom vodíkovej väzby je relatívne nízka pevnosť, jeho energia je 5-10-krát nižšia ako energia chemickej väzby. Energy, zaberá strednú polohu medzi chemickými väzbami a van der der Waal interakciami, ktoré držia molekuly v pevnej alebo kvapalnej fáze.

Pri tvorbe N-väzby, elektronika atómov zapojených do spojenia zohráva definujúcu úlohu - schopnosť oddialiť elektróny chemickej väzby z partnerského partnera Atom sa zúčastňuje na tomto ohľade. Výsledkom je, že čiastočný záporný náboj D- nastáva na atóme a so zvýšenou elektronickosťou a pozitívnym D + ATOM-partner je pozitívny. chemická komunikácia Zároveň polarizuje: a D- -d D +.

Výsledný čiastočný pozitívny náboj na atóm vodíka umožňuje prilákať inú molekulu, ktorá tiež obsahujúca elektronický prvok, teda elektrostatické interakcie sa uskutočňujú do tvorby N-komunikácie.

Tri atómy sa podieľajú na tvorbe N-väzieb, dvoch elektronegatívnych (A a B) a atóm vodíka medzi nimi, štruktúra takéhoto vzťahu môže byť prezentovaná nasledovne: B ··· HD + -A D- (vodík Dlhopisy sú zvyčajne označené bodovým riadkom). Atóm A, chemicky spojený s N, sa nazýva Donor Proton (Lat. Donary - Dajte, obetovať) a B - jeho akceptor (LAT. Akceptor - akceptor). Najčastejšie sa pravda "dar" nie je, a H je chemicky spojený s A.

Atómy - Darcovia A, zásobovanie H pre tvorbu N-Links, nie veľa, takmer len tri: N, O a F, súčasne sa súbor akceptorových atómov B je veľmi široký.

Samotná koncepcia a termín "vodíková komunikácia" zaviedla V.Lothimér a R. Uerbush v roku 1920, aby vysvetlili vysoké teploty Vriaca voda, alkoholy, kvapalný HF a niektoré ďalšie pripojenia. Porovnanie teploty varu príbuzných zlúčenín H20, H 2 S, H 2 SE a H 2 TE, si všimli, že prvý člen tejto série - voda - varí omnoho vyššie, než sa sleduje od vzorov, ktoré zvyšok vznikli Členovia série. Z tohto vzoru by mala byť voda varená na 200 ° C nižšia ako pozorovaná skutočná hodnota.

Presne rovnakú odchýlku je pozorovaná pre amoniak v rade príbuzných zlúčenín: NN3, H3P, H3, ako H3 Sb. Jeho skutočný bod varu (-33 ° C) je 80 ° C nad očakávanú hodnotu.

Keď je kvapalina varu, len van der Waals interakcie, tie, ktoré držia molekuly v kvapalnej fáze, sú zničené. Ak je bod varu neočakávane vysoký, teda molekuly sú spojené dodatočne niektoré iné sily. V tomto prípade je to vodíkové väzby.

Podobne, zvýšená teplota varu alkoholov (v porovnaní so zlúčeninami, ktoré neobsahujú skupinu -on), je výsledkom tvorby vodíkových väzieb.

V súčasnosti je spoľahlivý spôsob, ako zistiť n komunikácie poskytovať spektrálne metódy (najčastejšie infračervenú spektroskopiu). Spektrálne charakteristiky skupín súvisiacich s ľuďmi spojenými s vodíkovými väzbami sú zrejmé odlišné od týchto prípadov, keď je toto spojenie neprítomné. Okrem toho, ak štrukturálne štúdie ukazujú, že vzdialenosť medzi atómami B-N je menšia ako množstvo polomeru van der Waals, predpokladá sa, že je stanovená prítomnosť N-spojenie.

Okrem tohoto zvýšená teplota Vriacové vodíkové väzby sa tiež objavujú pri tvorbe kryštalickej štruktúry látky, čím sa zvyšuje jeho teplota topenia. V kryštálovej štruktúre ľadu tvoria N-väzby objemovú sieťovinu, zatiaľ čo molekuly vody sú usporiadané tak, že atómy vodíka jednej molekuly sú zamerané na atómy kyslíka priľahlých molekúl:

Kyselina boritá B (OH) 3 má vrstvu kryštalickú štruktúru, každá molekula je viazaná vodíkovými väzbami s tromi ďalšími molekulami. Balenie molekúl vo vrstve tvorí parketový vzor zozbieraný z šesťuholníkov:

Väčšina organických látok nie je rozpustná vo vode, keď je takéto pravidlo zlomené, potom, najčastejšie je to výsledok zásahu vodíkových väzieb.

Kyslík a dusík sú hlavnými darcami protónov, prijímajú funkciu atómu A v predchádzajúcom triace B ··· hd + -A D-. Najčastejšie pôsobia ako akceptory (atóm b). Vďaka tomu sa niektoré organické látky obsahujúce O a n v úlohe atómu B môžu rozpustiť vo vode (úloha atómu A vykonáva vodný kyslík). Vodíkové väzby medzi organickými látkami a vodou pomáhajú "odstrániť" organické molekuly organických látok, prekladanie do vodného roztoku.

Existuje empirické pravidlo: ak organický Neobsahuje viac ako tri atómy uhlíka jedným atómom kyslíka, ľahko sa rozpustí vo vode:

Benzol je veľmi mierne rozpustný vo vode, ale ak nahradíte jednu skupinu CH na N, získame pyridín C5H5N, ktorý sa zmieša s vodou v akýchkoľvek vzťahoch.

Vodíkové väzby sa môžu ukázať v nevodných roztokoch, keď sa na vodíku vyskytne čiastočný kladný náboj, a existuje molekula obsahujúca "dobrý" akceptor, ako pravidlo kyslík. Napríklad HCCl 3 chloroform sa rozpúšťa mastné kyseliny a acetylén HCєCH rozpustný v acetóne:

Táto skutočnosť zistila dôležitú technickú aplikáciu, acetylén pod tlakom je veľmi citlivý na ľahké otrasie a ľahko exploduje a jeho roztok v acetóne pod tlakom je bezpečný v obehu.

Dôležitú úlohu zohrávajú dôležitú úlohu vodíkové väzby v polyméroch a biopolyméry. V celulóze sa hlavná zložka drevených hydroxylových skupín nachádza vo forme bočných skupín polymérneho reťazca zozbieraného z cyklických fragmentov. Napriek relatívne slabej energii každej jednotlivej N-väzby, ich interakcia v priebehu polymérnej molekuly vedie k takto výkonnej intermolekulárnej interakcii, že rozpúšťanie celulózy je možné len pri použití exotického high-polárneho rozpúšťadla - reagencie švajčiarskeho (komplexu amoniaku hydroxidu meďnatého).

Vodíková komunikácia (n-komunikácia)- Toto je väzba vytvorená protonovaným atómom vodíka so silne elektrónovým atómom tej istej alebo inej molekuly. Za normálnych podmienok sa vodíková valencia rovná 1 a je schopná zovšeobecniť s inými atómami jeden elektrónový pár, ktorý tvorí kovalentnú väzbu: atóm vodíka môže pripojiť elektrón, tvoriť hydridový ión H +.

Atóm vodíka má vlastnosť, ktorá ju odlišuje od všetkých ostatných atómov: vzdať sa jeho elektrónu, zostáva vo forme jadra bez elektrónov, t.j. Vo forme častíc, priemer, ktorý je tisíckykrát menej ako priemer zostávajúcich atómov. V neprítomnosti elektrónov, ión H + nie je odpudzovaný elektronickými plášťmi iných atómov alebo iónov, ale naopak, priťahuje; Môže úzko pristupovať k iným atómom, komunikovať s ich elektrónmi a dokonca vložiť do svojich elektronických mušlí. V kvapalinách H + -yions sa väčšinou nezachováva vo forme nezávislej častice a viaže sa na molekuly dvoch látok: vo vode s molekulami vody, tvarovanie iónu H3O + -ION hydroxonium; S molekulou amoniaku - NH4 + -YONE amónium.

Byť spojený s atómom jedného z najviac elektronegatívnych prvkov: s atómom fluóru, kyslíkom, chlórom a dusíkom, atóm vodíka získava relatívne vysoký kladný náboj, ktorý nepresahuje jeden. Keďže tento náboj sa sústreďuje na extrémne malý atómový varič, je veľmi blízko k inému atómu, ktorý nesú záporný náboj. To spôsobuje vytvorenie pomerne silného napínacieho spojenia s energiou 20-30 kJ / mol a ďalšie. Vodíková väzba sa vyskytuje v dôsledku interdapolovej interakcie dvoch silne polárnych väzieb patriacich k rôznym molekulám alebo jednej a tej istej molekule. Je to slabšie ako obyčajné kovalentná komunikáciaEnergia je približne 125-420 kJ / mol a môže byť zvýšená v dôsledku vzájomnej polarizácie väzieb v dôsledku týchto znakov atómu vodíka. Vodíková väzba (N-komunikácia) je označená X-N × x × x.

Atóm vodíka, ktorý sa podieľa na vodíkovej väzbe, môže byť umiestnený presne v strede medzi dvoma silne negatívnymi atómami - symetrickým umiestnením alebo posunutím bližšie k tomu, čo má väčšiu elektronegativitu - asymetrické miesto.

Energia vodíkovej väzby je dostatočná, aby s bežnými a redukovanými teplotami spôsobili výraznú disociáciu molekúl. Fluorid vodík aj v blízkosti teploty varu má priemernú kompozíciu (HF) 4. Asociácia vedie k abnormálne vysokým teplotám teploty topenia a vodíka vriaceho fluoridu. Existencia diméru H2F2 vysvetľuje tvorbu kyslých solí typu KHF2 × NaHF2. Skutočnosť, že kyselina fluorovodíková je na rozdiel od chloridu chlorovodíkovej, bromid hydrochlorík a orodoyhedral, predstavuje slabá kyselina (K D \u003d 7 × 10 -4) je tiež dôsledkom asociácie molekúl HF v dôsledku vodíkových väzieb.

V prítomnosti asymetrickej vodíkovej väzby, ktorá sa vyskytuje v zlúčeninách kyslíka a dusíka, vodík je mierne bližšie k jednému z dvoch susedných atómov, tu intermolecular n-komunikácia. Každá molekula H20 sa podieľa na tvorbe dvoch N-väzieb, takže atóm kyslíka sa ukáže, že je spojený so štyrmi atómami vodíka. Súvisiace vodné molekuly tvoria priestorovú štruktúru, kde každý atóm kyslíka sa nachádza v strede tetrahedronu a atómy vodíka sa nachádzajú v rohoch.

Štruktúra priestorovej vody

Štruktúra ľadu otvorenej práce vysvetľuje jeho menšiu hustotu ako voda. Pri roztavení sa časť N-Links roztrhaná a hustota sa zvyšuje voda, pretože Molekuly sú usporiadané pevnejšie. Röntgenové vyšetrenie ukázalo, že pre väčšinu molekúl v tekutej vode sa pretrváva aj tetrahedrálne prostredie: umiestnenie susedných molekúl je takmer rovnaké ako v ľadovom kryštále a následná vrstva sa opakuje

určitú odchýlku od špecifikovanej objednávky; Odchýlka sa zvyšuje, keď sa molekula odstráni. V prípade vody je prítomnosť "blízkych objednávky" charakterizovaná ako pre iné kvapaliny a v menšej miere v porovnaní s inými kvapalinami, prítomnosť "dlhého rozsahu". To vysvetľuje prítomnosť kryštálovej štruktúry vo vode.

Vodné vlastnosti, ako sú veľké hodnoty tepelnej kapacity a tepelne odparovanie, abnormálne vysoké teploty topenia a varu, vysoká dielektrická konštanta - v dôsledku hranice molekúl vody s vodíkovými väzbami. Bez N-Links T PL.V. \u003d -100 O C, T KIP. Voda \u003d -80 O C.

Vodíkové väzby sú prítomné v kvapalnom amoniaku. Atóm vodíka spojený s uhlíkom môže získať schopnosť tvoriť vodíkové väzby, ak je zostávajúce uhorské valence nasýtené vysokými elektróngatívnymi atómami alebo zodpovedajúcimi atómovými skupinami, napríklad chloroform (SNSL3), pentachlóretán (CCI3 -CHCl 2), t.j. Okolie elektronegatívnych atómov môže aktivovať tvorbu vodíkových väzieb na atómoch CH-skupín, hoci elektrónová schopnosť atómov C a H je takmer rovnaká. To vysvetľuje výskyt N-väzieb medzi molekulami v kvapalnom HCN, CHF3 atď.

Vodíková väzba je zvláštna pre všetky agregáty látky. Je vytvorený medzi rovnakými a medzi rôznymi molekulami, medzi rôznymi časťami tej istej molekuly - intramolekulárna vodíková väzba. Najbežnejšie je N-spojenie medzi molekulami obsahujúcimi hydroxylové skupiny -.

Jednoduché étery s väčšou molárnou hmotnosťou prchavejšie ako alkoholy, pretože všetky atómy vodíka sú spojené s atómami uhlíka a nie sú schopné tvoriť H-väzby.

Úloha H-dlhopisov v biochemických systémoch je skvelá. Vlastnosti proteínov a nukleových kyselín sú do značnej miery spôsobené prítomnosťou vodíkových väzieb. N-Bond hrá veľkú úlohu v rozpúšťacích procesoch. Obzvlášť bežné sú najmä vodíkové väzby v proteínových molekúl, nukleových kyselín a iných biologicky dôležitých zlúčenín, takže tieto dlhopisy zohrávajú dôležitú úlohu v chémii životných procesov.