Связь воды. Что такое водородная связь? Типы, влияние

2.1.3. Водородная связь. Связь воды


Что такое водородная связь? Типы, влияние

Что такое водородная связь? Известный всем пример этой связи представляет обычная вода (h3O). Из-за того, что атом кислорода (О) более электроотрицателен, чем два атома водорода (Н), он как бы оттягивает от атомов водорода связывающие электроны. В результате создания такой ковалентной полярной связи образуется диполь. Кислородный атом приобретает не очень большой заряд отрицательный, а водородные атомы – небольшой положительный заряд, который притягивается к электронам (их неподеленной паре) на кислородном атоме соседней молекулы Н2О (то есть воды). Таким образом, можно сказать, что водородная связь – это образующаяся сила притяжения между водородным атомом и электроотрицательным атомом. Важной особенностью водородного атома является то, что при притяжении его связующих электронов оголяется его ядро (то есть протон, другими электронами не экранированный). И хотя водородная связь более слабее, чем ковалентная, именно она обуславливает целых ряд аномальный свойств Н2О (воды).

Чаще всего эта связь образуется с участием атомов следующих элементов: кислород (О), азот (N) и фтор (F). Это происходит по той причине, что атомы данных элементов имеют малые размеры и характеризуются высокой электроотрицательностью. С атомами размера большего (сера S или хлор Cl) образующаяся водородная связь слабее, несмотря на то, что по своей электроотрицательности эти элементы сравнимы с N (то есть с азотом).

Существует два типа водородной связи:

1. Водородная межмолекулярная связь – появляется между двумя молекулами, например: метанол, аммиак, фтороводород.2. Водородная связь внутримолекулярная – появляется внутри одной молекулы, например: 2-нитрофенол.

Также в настоящее время есть мнение, что водородная химическая связь бывает слабой и сильной. Они отличаются друг от друга по энергии и длине связи (расстояние между атомами):

1. Водородные связи слабые. Энергия – 10-30 кДж/моль, длина связи – 30. Все вещества, перечисленные выше, являются примерами нормальной или слабой водородной связи.2. Водородные связи сильные. Энергия – 400 кДж/моль, длина – 23-24. Данные, полученные экспериментальным путем, свидетельствуют о том, что сильные связи образуются в следующих ионах: ион-водороддифторид [F-H-F]-, ион-гидратированный гидроксид [HO-H-OH]-, ион оксония гидратированный [h3O-H-Oh3]+, а также в различных других органических и неорганических соединениях.

Влияние водородных межмолекулярных связей

Аномальные значения температур кипения и плавления, энтальпии испарения и поверхностного натяжения некоторых соединений можно объяснить наличием связей водородных. Вода имеет аномальные значения всех перечисленных свойств, а фтороводород и аммиак – температуры кипения и плавления. Вода и фтороводород в твердом и жидком состояниях из-за наличия в них водородных межмолекулярных связей считаются полимеризованными. Данная связь объясняет не только слишком высокую температуру плавления данных веществ, но также и их малую плотность. Причем при плавлении водородная связь частично разрушается, из-за чего молекулы воды (Н2О) упаковываются более плотно.

Димеризацию некоторых веществ (карбоновые кислоты, например, бензойная и уксусная) можно также объяснить наличием в них связи водородной. Димер – это две молекулы, которые связаны между собой. По этой причине температура кипения карбоновых кислот выше, чем у соединений, имеющих приблизительно такую же молекулярную массу. Например, у кислоты уксусной (СН3СООН) температура кипения равна 391 К, в то время как у ацетона (СН3СОСН3) она равна 329 К.

Влияние водородных внутримолекулярных связей

Эта связь тоже влияет на структуру и свойства различных соединений, таких как: 2- и 4-нитрофенол. Но наиболее известный и важный пример водородной связи – это дезоксирибонуклеиновая кислота (сокр.: ДНК). Молекулы этой кислоты свернуты в виде двойной спирали, две нити которой соединены между собой водородной связью.

fb.ru

Водородная связь

Промежуточный характер межу межмолекулярным взаимодействием и ковалентной связью имеет водородная связь. Если водород соединен с сильно электроотрицательным элементом (F, O, N) он может образовывать еще одну дополнительную связь – водородную. Хотя энергия водородной связи мала (8-40 кДж/моль), эту связь следует считать разновидностью ковалентной связи, т.к. она обладает свойствами направленности и насыщаемости. Механизм образования водородной связи сводится в электростатическому и донорно-акцепторным взаимодействиям (донор электронной пары – атом электроотрицательного элемента; акцептор – протон (Н+).

Рассмотрим возникновение водородной связи в молекуле фтороводорода. В ней электронная пара смещена к атому фтора, т.е. атом водорода поляризован положительно, а фтор – отрицательно. Благодаря тому, что фтор сильно электроотрицателен, электронная пара практически полностью смещена к нему и ион водорода приобретает пустую, вакантную орбиталь, которая с неподеленной парой фтора образует донорно-акцепторную связь. Водородную связь принято обозначать точками. Обращаю внимание, что водородная связь это связь между молекулами, а не атомами в молекуле.

Благодаря водородным связям фтороводородная кислота, в отличие от соляной, является слабой кислотой и образует соли типа KHF2. Водородная связь играет большую роль в процессах растворения, т.к. растворимость зависит и от способности вещества образовывать водородные связи с растворителем (водой).

Водородная связь в молекуле воды

Пример. Серная кислота и фтороводород растворяется в воде неограниченно, а хлороводород обладает ограниченной растворимостью, что не позволяет получать соляную кислоту с концентрацией выше 37%. Объяснить это различие.

Решение. Серная кислота содержит связь О–Н, фтороводород Н–F , которые способны образовывать водородные связи с водой, которая тоже имеет связь О–Н, и растворение происходит практически неограниченно.

Виды химической связи

К основным характеристикам химической связи, дающим информацию о структуре молекулы и ее прочности, относятся валентный угол, длина, полярность и энергия связи.

Длиной связи называют расстояние между центрами атомов, образующих данную связь (межъядерное расстояние). Ее определяют экспериментально при помощи различных физико-химических методов. Длина связи обусловлена размером реагирующих атомов и степенью перекрывания их электронных облаков, которая зависит от типа химической связи. Надо обратить внимание, что длина связи всегда меньше суммы радиусов элементов, т.к. происходит перекрывание атомных орбиталей, а не их касание.

Длина связи от этана к ацетилену уменьшается, т.к. увеличивается кратность (порядок) связи от одинарной к тройной. Чем больше кратность связи, тем меньше длина связи.

В ряду галогеноводородов длина связи Н‑Г имеет следующие значения (в пм, 1 пм = 10-12 м):

Соединение

H-F

H-Cl

H-Br

H-I

Длина связи

100

127

141

162

Другой характеристикой химической связи, отражающей геометрическое строение, является валентный угол.

Он зависит от природы атомов и характера химической связи.

Количество энергии, выделяющейся при образовании химической связи, называется энергией связи. Эта величина является характеристикой прочности связи. Ее выражают в кДж/моль образующегося вещества.

Полярные молекулы являются диполями, т.е. системами, состоящими из двух равных по величине, но противоположных по знаку зарядов (q+ и q‑), находящихся на расстоянии l (длина диполя) друг от друга. Полярность молекулы оценивается значением электрического момента диполя =. Электрический момент диполя представляет собой векторную сумму моментов всех связей и несвязывающих электронных пар в молекуле. Результат сложения зависит от структуры молекулы. Молекула СО2 имеет линейное строение и, несмотря на полярность связи С=О, вследствие взаимной компенсации электрических моментов диполя, молекула СО2 неполярна (=0). В угловой молекуле воды полярные связи О-Н располагаются под углом 104,5, взаимной компенсации не происходит и молекула воды полярна (=0,6110-29 Клм).

studfiles.net

2.1.3. Водородная связь.

Структуру водородной связи мы с вами разберём на примере взаимодействия молекул воды между собой.

Молекула воды является диполем. Это объясняется тем, что атом водорода, связанный с более электроотрицательным элементом кислородом, имеющим неподелённую электронную пару, испытывает недостаток электронов и поэтому способен взаимодействовать с атомом кислорода другой молекулы воды.

В результате этого взаимодействия возникает водородная связь (Рис. 2.1):

2.1. Механизм образования водородной связи между молекулами воды

Это объясняется тем, что атом водорода, связанный с более электроотрицательным элементом, имеющим неподелённую электронную пару (азотом, кислородом, фтором и др.), испытывает недостаток электронов и поэтому способен взаимодействовать с неподелённой парой электронов другого электроотрицательного атома этой же или другой молекулы.

В результате также возникает водородная связь, которая графически обозначается тремя точками (Рис. ):

Рис. 2.2. Механизм образования водородной связи между протоном (Н.δ+) и более электроотрицательными атомами серы(:Sδ-), кислорода (:Oδ-) и азота (:Nδ-)

Эта связь значительно слабее других химических связей (энергия ее образования 10-40 кДж/моль), и, в основном, определяется электростатическим и донорно-акцепторным взаимодействиями.

Водородная связь может быть как внутримолекулярной, так и межмолекулярной.

2.1.4. Гидрофобные взаимодействия

Прежде, чем рассматривать природу гидрофобного взаимодействия, необходимо ввести понятие «гидрофильных» и «гидрофобных» функциональных групп.

Группы, которые могут образовывать водородные связи с молекулами воды, называются гидрофильными.

К этим группам относятся полярные группы: аминогруппа (-Nh3), карбоксильная (-COOH), карбонильная группы (-CHO) и сульфгидрильная группа (-SH).

Как правило, гидрофильные соединения хорошо растворимы в воде. !!! Это обусловлено тем, что полярные группы способны образовывать водородные связи с молекулами воды.

Появление таких связей сопровождается выделением энергии, поэтому и возникает тенденция к максимальному увеличению поверхности контакта заряженных групп и воды (Рис. 2.3):

Рис. 2.3. Механизм образования гидрофобных и гидрофильных взаимодействий

Молекулы или части молекул, неспособные образовывать водородные связи с водой называются гидрофобными группами.

К этим группам относятся алкильные и ароматические радикалы, которые неполярны и не несут электрического заряда.

Гидрофобные группы – плохо или вовсе не растворимы в воде.

Это объясняется тем, что атомы и группы атомов, входящие в состав гидрофобных групп, являются электронейтральными и (поэтому) не могут образовывать водородных связей с водой.

!!! Гидрофобные взаимодействия возникают в результате контакта между неполярными радикалами, неспособными разорвать водородные связи между молекулами воды.

В результате этого молекулы воды вытесняются на поверхность гидрофильных молекул (Рис. 2.3).

2.1.5. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия.

В молекулах существуют также весьма слабые и короткодействующие силы притяжения между электрически нейтральными атомами и функциональными группами.

Это так называемые ван-дер-ваальсовые взаимодействия.

Они обусловлены электростатическим взаимодействием между отрицательно заряженными электронами одного атома и положительно заряженным ядром другого атома.

Так как ядра атомов экранированы окружающими их собственными электронами от ядер соседних атомов, то возникающие между различными атомами ван-дер-ваальсовы взаимодействия весьма невелики.

Все эти типы взаимодействий принимают участие в формировании, поддержании и стабилизации пространственной структуры (конформации) белковых молекул (Рис. 2.4):

Рис. 2.4. Механизм образования ковалентных связей и слабых нековалентных взаимодействий: 1 - электро-статические взаимодействия; 2 – водородные связи; 3 – гидрофобные взаимодействия, 4 – дисульфидные связи

Силы, которые способствуют формированию пространственной структуры белков и удерживающие её в стабильном состоянии, являются очень слабыми силами. Энергия этих сил на 2-3 порядка меньше энергии ковалентных связей. Они действуют между отдельными атомами и группами атомов.

Однако, огромное число атомов в молекулах биополимеров (белков), приводит к тому, что суммарная энергия этих слабых взаимодействий становится сравнима с энергией ковалентных связей.

studfiles.net


Смотрите также