Водородная связь.

Молекула воды Н₂О образуется из атома кислорода и двух атомов водорода. Атом ки­слорода имеет два неспаренных электрона, которые занимают две р-орбитали, расположенные под углом 90° друг к другу. Атомы водорода имеют неспаренные 1s-электроны. Угол между двумя связями О-Н должен быть прямым или близким к нему.

Рис. 3.4. Схема образования связей в молекуле воды.

Само название этого типа связи подчеркива­ет, что в ее образовании принимает участие атом водорода. Водо­родные связи могут образовываться в тех случаях, когда атом водо­рода связан с электроотрицательным атомом, который смещает на себя электронное облако, создавая тем самым положительный заряд δ+ на водороде.

Водородная связь — связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Водородная связь имеет частично элек­тростатический, частично донорно-акцепторный характер.

В качестве примера рассмотрим образование водородной связи между двумя молекулами воды. Связи О-Н в Н₂О имеют заметный полярный характер с избытком отрицательного заряда δ- — на атоме кислорода. Атом водорода, наоборот, приобретает небольшой положительный δ+ и может взаимодействовать с неподеленными парами электронов атома кислорода соседней молекулы воды:

О—Н… О—Н…

I

Н8

Н

Водородную связь обычно схематично изображают точками.

Взаимодействие между молекулами воды оказывается достаточ­но сильным, таким, что даже в парах воды присутствуют димеры и тримеры состава (Н₂О)2, (Н₂О)з и т.д. В растворах же могут возни­кать длинные цепи ассоциатов (Н₂О)_n:

Энергия и длина водородной связи.

Энергия водородной связи растет с увеличением электроотрицательности и уменьшением размеров атома В, поэтому наиболее прочные водородные связи возникают, когда в качестве атома В выступают фтор, кислород и азот.

Энергия связи (в кДж/моль) увеличивается в следующем ряду:

H∙∙F (25 – 45)>H∙∙O (13 – 19)>H∙∙N (8 – 21) (2)

Несмотря на высокую электроотрицательность у хлора, водородная связь у него слабая из-за большого размера атома хлора.

Количество энергии, выделяющейся при образовании химической связи, называется энергией химической связи (кДж/моль (например, кДж/моль, тогда () =400 кДж/моль)).

Чем больше энергия химической связи, тем устойчивей молекула. Энергия водородной связи между любыми молекулами имеет промежуточное значение между энергией ковалентных связей и энергией вандерваальсовых сил (вандерваальсова сила<водородная связь< ковалентная связь), также промежуточное значение имеет длина водородной связи.

Влияние водородных связей на свойства вещества.

При воздействии водородных связей из мономеров различных веществ образуются полимерные структуры (димеры, триммеры и тетрамеры воды и полимеры HF). Например, молекула уксусной кислоты образует устойчивый димер и в растворах присутствует в таком связанном состоянии.

Более сложная конфигурация образуется за счет водородных связей в молекуле воды.

Соответственно, в жидком состоянии молекулы, вступающие в водородные связи, ассоциированы, а в твердом состоянии они могут образовывать твердую кристаллическую структуру.

Образование водородных связей приводит к существенным изменениям свойств вещества: повышению вязкости, диэлектрической постоянной, температуры кипения, температуры плавления, теплот плавления и парообразования. Все это мы видим на примере молекул воды.

Прочность водородной связи.

Водородная связь , прочность связи при одинаковом В увеличивается по мере возрастания дипольной связи А-Н, следовательно, если сохраняется постоянное значение В, то прочность водородной связи увеличивается в следующем ряду:

.

При одинаковом А-Н рассмотрим влияние В на силу водородной связи. Как было указано выше, В должен обладать большей электроотрицательностью и меньшим размером атома, чтобы прочность водородной связи была высока, поэтому выполняется неравенство (2).

Если А и В одинаковы, то чем больше электроотрицательность элемента, тем прочнее связь.