Водородная связь

Водородная связь представляет собой особый тип взаимодействия, приводящего к образованию как Водородная связь положение между ковалентной связью и межмолекулярным Ван-дер-Ваальсовым взаимодействием. Энергия водородной связи составляет 8-40 кДж/моль, что несколько превосходит силы Ван-дер-Ваальса, но значительно меньше энергии ковалентной связи (≈ 150-450 кДж/моль).

Водородная связь образуется между молекулами веществ, в которых водород соединён с сильно электроотрицательным элементом. Если молекулы такого вещества обозначить условной формулой НХ, то взаимодействие за счёт водородной связи можно выразить

…Н-Х… Н-Х… Н-Х…, где точками обозначена водородная связь, а Х-атомы F, O, N, Cl, S.

Механизм образования межмолекулярной водородной связи рассмотрен на примере молекулы воды.

При образовании ковалентной полярной связи между атомами водорода и атомом кислорода связывающие электроны от атомов водорода сильно смещены к сильно электроотрицательному атому кислорода.Это вызывает появление на атоме кислорода эффективного отрицательного заряда δ-, а на каждом атоме водорода- положительного заряда δ+. При этом ядро атома водорода (протон) практически лишено электронного облака и становится акцептором по отношению к неподелённым парам электронов атома кислорода. Между протоном атома Н и отрицательным зарядом атома О соседней молекулы Н₂О возникает электростатическое притяжение, что способствует образованию водородной связи. Ничтожно малые размеры иона водорода (протона) и отсутствие у него внутренних электронных слоёв позволяют протону вторгаться в электронные оболочки других ионов и играть роль связующего «мостика» между атомами сильно электроотрицательных элементов соседних молекул.

Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнёра и чем меньше его размеры. Поэтому она характерна для соединений фтора и кислорода, в меньшей степени для азота и ещё в меньшей степени для хлора и серы.

Водородная связь вызывает ассоциацию молекул, т.е. их объединение в димеры и сложные ассоциаты, которые в ряде случаев существуют не только в жидком состоянии вещества, но сохраняются и при переходе его в пар. Ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления, кипения, теплот испарения таких веществ, как вода, аммиак и др. Водородные связи оказывают большое влияние на растворимость молекулярных веществ, во многом объясняют уникальные свойства воды как растворителя. В значительной степени водородные связи определяют структуру и свойства таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты.

Достоинства метода ВС: нагляден и удобен для качественного описания химической связи (описывает геометрию молекул).

Недостатки: несостоятелен для характеристики молекул с нечётным числом электронов, в ряде случаев не может объяснить магнитные свойства вещества (например парамагнитные свойства О₂), природу связи в частице Н₂⁺(электрононедостаточная молекула), в бензоле, где существуют многоцентровые связи (валентность 4 у углерода не объясняется).