воднева зв'язок - це взаємодія між двома електронегативними атомами однієї або різних молекул за допомогою атома водню: А-Н ... В (рисою позначена ковалентний зв'язок, трьома крапками - воднева зв'язок).

Однією з ознак водневого зв'язку може служити відстань між атомом водню і іншим атомом, її створює. Воно повинно бути менше, ніж сума радіусів цих атомів.

Вони виникають, як правило, між атомами фтору, азоту і кисню (найбільш електронегативний елементи), рідше - за участю атомів хлору, сірки та інших неметалів. Міцні водневі зв'язки утворюються в таких рідких речовинах, як вода, фтороводород, кисень неорганічні кислоти, карбонові кислоти, феноли, спирти, аміак, аміни. При кристалізації водневі зв'язку в цих речовинах зазвичай зберігаються.

залежність фізичних властивостей речовин з молекулярною структурою від характеру міжмолекулярної взаємодії. Вплив водневої зв'язку на властивості речовин.

Міжмолекулярні водневі зв'язку обумовлюють асоціацію молекул, що призводить до підвищення температур кипіння і плавлення речовини. Наприклад, етиловий спирт C2H5OH, здатний до асоціації, кипить при + 78,3 ° С, а диметиловий ефір СН3ОСН3, що не утворює водневих зв'язків, лише при -24 ° С ( молекулярна формула обох речовин С2Н6О).

Освіта Н-зв'язків з молекулами розчинника сприяє поліпшенню розчинності. Так, метиловий і етиловий спирти (CH3OH, С2Н5ОН), утворюючи Н-зв'язку з молекулами води, необмежено в ній розчиняються.

Внутрішньомолекулярна воднева зв'язок утворюється при сприятливому просторовому розташуванні в молекулі відповідних груп атомів і специфічно впливає на властивості. Наприклад, Н-зв'язок всередині молекул саліцилової кислоти підвищує її кислотність. Водневі зв'язки відіграють виключно важливу роль у формуванні просторової структури біополімерів (білків, полісахаридів, нуклеїнових кислот), що в значній мірі визначає їх біологічні функції.

Сили міжмолекулярної взаємодії (сили Ван-дер-Ваальса). Орієнтаційні, індукційне і дисперсійне взаємодія.

міжмолекулярної взаємодії- взаємодія між електрично нейтральними молекулами або атомами.

До ван дер Ваальсових силам відносяться взаємодії між диполями (постійними і індукованими). Назва пов'язана з тим фактом, що ці сили є причиною поправки на внутрішній тиск в рівнянні стану реального газу Ван-дер-Ваальса. Ці взаємодії в основному визначають сили, відповідальні за формування просторової структури біологічних макромолекул.

орієнтаційні: Полярні молекули, в яких центри тяжкості позитивного і негативного зарядів не збігаються, наприклад HCl, H2O, NH3, орієнтуються таким чином, щоб поруч знаходилися кінці з протилежними зарядами. Між ними виникає тяжіння. (Енергія Кеезома) виражається співвідношенням:

E К \u003d -2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 r 3,

де μ1 і μ2 - дипольні моменти взаємодіючих диполів, r - відстань між ними. Тяжіння диполь-диполь може здійснюватися тільки тоді, коли енергія тяжіння перевищує теплову енергію молекул; зазвичай це має місце в твердих і рідких речовинах. Диполь-дипольна взаємодія проявляється в полярних рідинах (вода, фтороводород).

Индукционное: Під дією заряджених кінців полярної молекули електронні хмари неполярних молекул зміщуються в бік позитивного заряду і подалі від негативного. Неполярная молекула стає полярною, і молекули починають притягуватися один до одного, тільки набагато слабкіше, ніж дві полярні молекули.

(Енергія Дебая) визначається виразом:

E Д \u003d -2 μ нав 2 γ / r 6,

де μ нав - момент наведеного диполя.

Тяжіння постійного і наведеного диполів зазвичай дуже слабке, оскільки поляризованість молекул більшості речовин невелика. Воно діє тільки на дуже малих відстанях між диполями. Цей вид взаємодії проявляється головним чином в розчинах полярних сполук в неполярних розчинниках.

дисперсійне: Між неполярними молекулами також може виникнути тяжіння. Електрони, які знаходяться в постійному русі, на мить можуть виявитися виявиться зосередженими з одного боку молекули, тобто неполярная частка стане полярною. Це викликає перерозподіл зарядів в сусідніх молекулах, і між ними встановлюються короткочасні зв'язку.

(Енергія Лондона) дається співвідношенням:

E Л \u003d -2 μ мгн 2 γ 2 / r 6,

де μ МГН - момент миттєвого диполя. Лондоновских сили тяжіння між неполярними частинками (атомами, молекулами) є вельми короткодіючими. Значення енергії такого тяжіння залежать розмірів частинок і числа електронів в наведених диполя. Ці зв'язки дуже слабкі - найслабші з усіх міжмолекулярних взаємодій. Однак вони є найбільш універсальними, так як виникають між будь-якими молекулами.

ВОДОРОДНАЯ ЗВ'ЯЗОК(Н-зв'язок) - особливий тип взаємодії між реакційно-здатними групами, при цьому одна з груп містить атом водню, схильний до такої взаємодії. Водневий зв'язок - глобальне явище, що охоплює всю хімію. На відміну від звичайних хімічних зв'язків, Н-зв'язок з'являється не в результаті цілеспрямованого синтезу, а виникає у відповідних умовах сама і проявляється у вигляді міжмолекулярних або внутрішньо молекулярних взаємодій.

Особливості водневого зв'язку.

Відмітна риса водневого зв'язку - порівняно низька міцність, її енергія в 5-10 разів нижче, ніж енергія хімічного зв'язку. За енергією вона займає проміжне положення між хімічними зв'язками і Ван-дер-ваальсовими взаємодіями, тими, що утримують молекули в твердій або рідкій фазі.

В освіті Н-зв'язку визначальну роль відіграє електронний торгівельний беруть участь в зв'язку атомів - здатність відтягувати на себе електрони хімічного зв'язку від атома - партнера, який бере участь в зв'язку з цим. В результаті на атомі А з підвищеною електронегативність виникає частковий негативний заряд d-, а на атомі-партнері - позитивний d +, хімічний зв'язок при цьому поляризується: А d- Н d +.

Виниклий частковий позитивний заряд на атомі водню дозволяє йому притягувати іншу молекулу, також містить електронегативний елемент, таким чином, основну частку в освіту Н-зв'язку вносять електростатичні взаємодії.

У формуванні Н-зв'язку беруть участь три атома, два електронегативний (А і Б) і знаходиться між ними атом водню Н, структура такого зв'язку може бути представлена \u200b\u200bнаступним чином: Б ··· Н d + -А d- (водневий зв'язок зазвичай позначають точкової лінією ). Атом А, хімічно пов'язаний з Н, називають донором протона (лат. Donare - дарувати, жертвувати), а Б - його акцептором (лат. Acceptor - приймальник). Найчастіше істинного «донорства» немає, і Н залишається хімічно зв'язаним з А.

Атомів - донорів А, що поставляють Н для освіти Н-зв'язків, не багато, практично всього три: N, O і F, в той же час набір атомів-акцепторів Б досить широкий.

Саме поняття і термін «воднева зв'язок» ввели В.Латімер і Р.Родебуш в 1920, для того, щоб пояснити високі температури кипіння води, спиртів, рідкого HF і деяких інших з'єднань. Зіставляючи температури кипіння споріднених сполук Н 2 O, Н 2 S, Н 2 Se, і Н 2 Te, вони звернули увагу на те, що перший член цього ряду - вода - кипить набагато вище, ніж це випливало з тієї закономірності, яку утворили інші члени ряду. З цієї закономірності слід, що вода повинна кипіти на 200 ° С нижче, ніж спостерігається справжнє значення.

Точно таке ж відхилення спостерігається для аміаку в ряду споріднених сполук: NН 3, Н 3 P, Н 3 As, Н 3 Sb. Його справжня температура кипіння (-33 ° С) на 80 ° С вище очікуваного значення.

При кипінні рідини руйнуються тільки Ван-дер-ваальсово взаємодії, ті, що утримують молекули в рідкій фазі. Якщо температури кипіння несподівано високі, то, отже, молекули пов'язані додатково ще якимись силами. В даному випадку це і є водневі зв'язки.

Точно також підвищена температура кипіння спиртів (в порівнянні з сполуками, що не містять групу ОН) - результат освіти водневих зв'язків.

В даний час надійний спосіб виявити Н-зв'язку дають спектральні методи (найчастіше інфрачервона спектроскопія). Спектральні характеристики груп АН, пов'язаних водневими зв'язками, помітно відрізняються від тих випадків, коли такий зв'язок відсутній. Крім того, якщо структурні дослідження показують, що відстань між атомами Б - Н менше суми Ван-дер-ваальсово радіусів, то вважають, що присутність Н-зв'язку встановлено.

Крім підвищеної температури кипіння водневі зв'язки проявляються себе також при формуванні кристалічної структури речовини, підвищуючи його температуру плавлення. У кристалічній структурі льоду Н-зв'язку утворюють об'ємну сітку, при цьому молекули води розташовуються таким чином, щоб атоми водню однієї молекули були спрямовані до атомам кисню сусідніх молекул:

Борна кислота В (ОН) 3 має шарувату кристалічну структуру, кожна молекула пов'язана водневими зв'язками з трьома іншими молекулами. Упаковка молекул в шарі утворює паркетний візерунок, зібраний з шестикутників:

Більшість органічних речовин не розчиняється у воді, коли таке правило порушується, то, найчастіше, це результат втручання водневих зв'язків.

Кисень і азот - основні донори протонів, вони беруть на себе функцію атома А в розглянутої раніше тріаді Б ··· Н d + -А d-. Вони ж, найчастіше, виступають в ролі акцепторів (атом Б). Завдяки цьому деякі органічні речовини, що містять O і N в ролі атома Б, можуть розчинятися у воді (роль атома А виконує кисень води). Водневі зв'язки між органічною речовиною і водою допомагають «розтягнути» молекули органічної речовини, переводячи його в водний розчин.

Існує емпіричне правило: якщо органічна речовина містить не більше трьох атомів вуглецю на один атом кисню, то воно легко розчиняється у воді:

Бензол досить незначно розчинний у воді, але якщо замінити одну групу СН на N, то отримаємо піридин З 5 Н 5 N, який змішується з водою в будь-яких співвідношеннях.

Водневі зв'язки можуть проявити себе і в наведених розчинах, коли на водні виникає частковий позитивний заряд, а поруч знаходиться молекула, яка містить «хороший» акцептор, як правило кисень. Наприклад, хлороформ HCCl 3 розчиняє жирні кислоти, а ацетилен HCєCH розчинний в ацетоні:

Цей факт знайшов важливе технічне застосування, ацетилен, що знаходиться під тиском, дуже чутливий до легким струсів і легко вибухає, а його розчин в ацетоні під тиском безпечний в зверненні.

Важливу роль відіграють водневі зв'язки в полімерах і біополімерах. В целюлозі - основному компоненті деревини - гідроксильні групи, розташовані у вигляді бічних груп полімерного ланцюга, зібраної з циклічних фрагментів. Незважаючи на порівняно слабку енергію кожної окремої Н-зв'язку, їх взаємодія на всьому протязі полімерної молекули призводить до настільки потужного міжмолекулярної взаємодії, що розчинення целюлози стає можливим лише при використанні екзотичного високополярние розчинника - реактиву Швейцера (аміачний комплекс гідроксиду міді).

Воднева зв'язок (Н-зв'язок)- це зв'язок, що утворюється протоновану атомом водню з сільноелектроотцательним атомом тієї ж або іншої молекули. У звичайних умовах валентність водню дорівнює 1, і він здатний усуспільнювати з іншими атомами одну електронну пару, утворюючи ковалентний зв'язок: атом водню може приєднувати електрон, утворюючи гідрид-іон Н +.

Атом водню має особливість, що відрізняє його від всіх інших атомів: віддаючи свій електрон, він залишається у вигляді ядра без електронів, тобто у вигляді частки, діаметр, якої в тисячі разів менше діаметра інших атомів. При відсутності електронів іон Н + Не відштовхується електронними оболонками інших атомів або іонів, а навпаки, притягується; він може близько підходити до інших атомів, взаємодіяти з їх електронами і навіть впроваджуватися в їх електронні оболонки. У рідинах Н + -іони здебільшого не зберігається у вигляді самостійної частки, а зв'язуються з молекулами двох речовин: у воді з молекулами води, утворюючи іон Н 3 О + -іон гидроксония; з молекулою аміаку - NH 4 + -іон амонію.

Будучи пов'язаним з атомом одного з найбільш електронегативний елементів: з атомом фтору, кисню, хлору і азоту, атом водню набуває відносно високий позитивний заряд, що не перевищує одиницю. Так як цей заряд зосереджений на надзвичайно малому атомному кістяку, він сильно наближається до іншого атому, який несе негативний заряд. Це викликає утворення досить сильною диполь-дипольної зв'язку з енергією 20-30 кДж / моль і більше. Водневий зв'язок виникає в результаті междіпольного взаємодії двох сильно полярних зв'язків, що належать різним молекулам або однієї і тієї ж молекулі. Вона слабкіше звичайної ковалентного зв'язку, Енергія якої становить приблизно 125-420 кДж / моль і може посилюватися внаслідок взаємної поляризації зв'язків, обумовленої зазначеними особливостями водневого атома. Воднева зв'язок (Н-зв'язок) позначається Х-Н ×××× Х.

Атом водню, який бере участь в водневого зв'язку, може розташовуватися точно посередині між двома сільноотріцательнимі атомами - симетричне розташування або ж зміщуватися ближче до того з них, який має велику електронегативність - несиметричне розташування.

Енергії водневих зв'язків досить, щоб при звичайних і знижених температурах викликати помітну дисоціацію молекул. Фтористий водень навіть поблизу температури кипіння має середній склад (HF) 4. Асоціація призводить до аномально високих температур плавлення і кипіння фтороводорода. Існування димера H 2 F 2 пояснює утворення кислих солей типу KHF 2 × NaHF 2. Той факт, що фтористоводнева кислота, на відміну від хлористоводородной, бромистоводневої і іодістоводородной, являє собою слабку кислоту (До д \u003d 7 × 10 -4) - теж є наслідком асоціації молекул HF через водневих зв'язків.

При наявності несиметричною водневого зв'язку, яка виникає в сполуках кисню та азоту, водень розташовується трохи ближче до одного з двох сусідніх атомів, тут межмолекулярная Н-зв'язок. Кожна молекула Н 2 О бере участь в утворенні двох Н-зв'язків, так що атом кисню виявляється пов'язаним з чотирма атомами водню. Асоційовані молекули води утворюють ажурну просторову структуру, де кожен атом кисню розташовується в центрі тетраедра, а в кутах знаходяться атоми водню.

Ажурна просторова структура води

Ажурною структурою льоду пояснюється його менша щільність, ніж води. При плавленні частина Н-зв'язків рветься і збільшується щільність води, тому що молекули розташовуються більш щільно. Рентгенівське дослідження показало, що для більшої частини молекул в рідкій воді зберігається також тетраедричну оточення: розташування сусідніх молекул майже таке ж, як і в кристалі льоду, а в наступному шарі повторюється

деяке відхилення від зазначеної впорядкованості; відхилення збільшується в міру віддалення від взятої молекули. Для води характерна наявність «ближнього порядку» як і для інших рідин, і в меншій мірі, в порівнянні з іншими рідинами, наявність «далекого порядку». Цим пояснюється наявність кристалічної структури в воді.

Властивості води такі як, великі значення теплоємності і теплоти випаровування, аномально високі температури плавлення і кипіння, висока діелектрична проникність - через пов'язаності молекул води водневими зв'язками. Без Н-зв'язків t пл.води \u003d -100 ° С, t кіп.води \u003d -80 про С.

Водневі зв'язки присутні в рідкому аміаку. Водневий атом, пов'язаний з вуглецем, може придбати здатність утворювати водневий зв'язок, якщо інші валентності вуглецю насичуються сильно електронегативними атомами або відповідними атомними групами, наприклад, хлороформ (СНСl 3), пентахлоретан (CCl 3 -CHCl 2), тобто сусідство електронегативний атомів може активувати утворення водневого зв'язку у атомів СН-груп, хоча електронний торгівельний атомів С і Н майже однакова. Цим пояснюється виникнення Н-зв'язків між молекулами в рідких HCN, CHF 3 і ін.

Воднева зв'язок властива будь-яким агрегатним станам речовини. Вона утворюється між однаковими і між різними молекулами, між різними частинами однієї і тієї ж молекули - внутримолекулярная воднева зв'язок. Найбільш поширеною є Н-зв'язок між молекулами, що містять гідроксильні групи ОН -.

Прості ефіри навіть з більшою молярною масою понад летючий, ніж спирти, так як в ефірах всі атоми водню пов'язані з атомами вуглецю і не здатні утворювати Н-зв'язку.

Велика роль Н-зв'язку в біохімічних системах. Властивості білків і нуклеїнових кислот в значній мірі обумовлені наявністю водневого зв'язку. Н-зв'язок відіграє велику роль в процесах розчинення. Особливо поширені водневі зв'язку в молекулах білків, нуклеїнових кислот та інших біологічно важливих сполук, тому ці зв'язки відіграють важливу роль в хімії процесів життєдіяльності.