3.17. Межмолекулярное взаимодействие и водородная связь

водородная связь

Рис. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 42. Зависимость температур плавления
и кипения водородных соединений
элементов VIA-группы от относительной
молекулярной массы молекул Э2S.
Пунктиром обозначена зависимость,
которая могла бы существовать
в отсутствие водородной связи

При изучении органических веществ вы познакомились с закономерностью: чем больше масса и размер молекулы, тем выше температуры плавления и кипения молекулярного вещества. Если следовать этой логике, то между молекулами воды межмолекулярное взаимодействие должно быть слабее, чем между молекулами водородных соединений других элементов VIA-группы. В ряду H2O, H2S, H2Se, H2Te у молекулы воды самая маленькая молекулярная масса — 18 а. е. м. Вода должна была бы плавиться при температуре примерно –100 °С, а кипеть — при –80 °С. На самом деле температуры плавления (0 °С) и кипения (100 °С) воды аномально высокие (рис. 42). Разберемся, в чем тут причина.

Объяснить это явление можно наличием, помимо обычных межмолекулярных связей между молекулами воды, дополнительного особого типа межмолекулярного взаимодействия, которое получило название водородная связь.

Под водородной понимают связь, образованную в результате электростатического взаимодействия между атомом водорода одной молекулы и более электроотрицательным атомом другой молекулы, несущим отрицательный заряд и имеющим неподеленную электронную пару.

Объясним механизм образования водородной связи с учетом электронного и пространственного строения молекул воды (рис. 43, а).

Рис. 43. Схема образования водородных
связей между молекулами воды:
а — водородные связи в структуре льда;
б — строение молекулы воды
и обозначение водородной связи

В силу полярности молекулы воды положительно заряженный атом водорода одной молекулы притягивается под действием электростатических сил к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы (рис. 43, б). В этом взаимодействии присутствует и частичное ковалентное связывание между кислородом и водородом соседних молекул по механизму донорно-акцепторного взаимодействия. Оно возможно благодаря тому, что атом кислорода в молекуле воды в значительной степени оттягивает на себя общую электронную пару от водорода, как бы «опустошая» его атомную орбиталь. На этой «пустой» орбитали частично размещается неподеленная электронная пара атома кислорода соседней молекулы.

Водородная связь присутствует у всех веществ, содержащих атомы водорода, химически связанные с более электроотрицательным атомом. Но ее проявление хорошо заметно при значительном различии электроотрицательностей водорода и связанного с ним ковалентной связью атома. Самые сильные водородные связи возникают в присутствии самых электроотрицательных элементов — фтора, кислорода и азота (рис. 44).

Рис. 44. Влияние водородной связи
на температуру кипения водородных
соединений р-элементов IVA–VIIA-групп

Водородная связь имеет энергию порядка 20–160 кДж/моль, что значительно ниже энергии химической связи (порядка 400–900 кДж/моль) и выше энергии межмолекулярного взаимодействия (2–10 кДж/моль).

Уникальность воды состоит в том, что молекулы Н2О способны образовывать разветвленную сеть водородных связей — четыре на одну молекулу (рис. 43, б). Благодаря водородным связям вода обладает способностью существовать в условиях Земли сразу в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. При этом температурный диапазон от 0 до 100 °С благоприятен для существования всего живого на планете. Благодаря четырем водородным связям молекулы воды в твердом состоянии образуют ажурную кристаллическую структуру льда, похожую на структуру алмаза (рис. 43, а). Полости в этой структуре делают лед менее плотным, чем жидкая вода, поэтому лед не тонет и, покрывая водоемы, не дает им промерзнуть до дна.

Прочные водородные связи образуются не только в воде, но и между молекулами неорганических и карбоновых кислот, фенолов, спиртов, аммиака, аминов.

Вещества, способные образовывать межмолекулярные водородные связи, обычно заметно растворимы в воде, имеют относительно высокие температуры плавления и кипения, а также значительную вязкость, например глицерин и фосфорная кислота.

Водородные связи могут быть не только межмолекулярными, но и внутримолекулярными. Так, макромолекулы целлюлозы представляют собой длинные цепи с внутримолекулярными водородными связями, уложенные параллельно и соединенные между собой множеством межмолекулярных водородных связей. Это придает целлюлозе механическую прочность при сохранении эластичности (рис. 45, а). Водородные связи определяют формирование вторичной структуры макромолекул белка (рис. 45, б).

Рис. 45. Водородные связи в структуре: а — целлюлозы, б — белка

Вопросы, задания, задачи

1. Опишите образование водородных связей на примере:

• а) воды;
• б) фтороводорода:

2. Приведите примеры веществ, при растворении которых в воде образуются водородные связи между молекулами воды и этого вещества.

3. Учитывая, что образование водородных связей характерно для молекул веществ, содержащих группы ОН, объясните малую летучесть и сравнительно высокую вязкость серной и фосфорной кислот.

4. Расположите следующие молекулы в порядке увеличения сил межмолекулярного взаимодействия: Н2, He, F2, Br2, H2O. Сравните эти вещества по температурам кипения.

5. Укажите вещества, для которых возможно существование:

• а) межмолекулярной водородной связи — фтороводород, метан, уксусная кислота, пропанол-1, пропан;
• б) внутримолекулярной водородной связи — этиленгликоль, этанол, этан, полипептид, целлюлоза.

6. Объясните, почему температура кипения аммиака выше, чем температура кипения фосфина.

7. Объясните характер зависимости температуры кипения водородного соединения ЭHx от порядкового номера р-элемента Э, используя данные рисунка 44.

8. Почему молекулярные кристаллические вещества, в отличие от ионных, после плавления практически не проводят электрический ток?

9. Рассчитайте количество вещества в бруске льда объемом 1 дм3. Плотность льда — 0,917 г/см3.

10. Определите простейшую формулу вещества и изобразите схему образования водородных связей между молекулами вещества, в котором массовая доля углерода — 0,375, водорода — 0,125, кислорода — 0,500.

*Самоконтроль

1. Межмолекулярное взаимодействие усиливается в рядах:

• а) С2Н6, СН4, С6Н14;
• б) С2Н6, С6Н14, С15Н32;
• в) Н2S, Н2Se, Н2Te;
• г) С2Н5OH, С4Н10, С15Н32.

2. На рисунке показано образование водородной связи между:

• а) молекулами воды;
• б) молекулами воды и карбоновой кислоты;
• в) молекулами воды и спирта;
• г) молекулами спирта.

3. Первое вещество за счет водородной связи имеет бόльшую температуру кипения, чем второе, в па́рах:

• а) SiH4 и СH4;
• б) HF и HCl;
• в) О2 и N2;
• г) С2Н5ОН и С4Н10.

4. Образование внутримолекулярной связи отражают схемы:

а)

б)

в)

г)

5. Усиление межмолекулярного взаимодействия приводит к:

• а) понижению летучести веществ;
• б) снижению интенсивности запаха;
• в) понижению температуры кипения;
• г) повышению температуры плавления.