ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ

Водородная связь является частным случаем межмолекулярных связей. Это диполь-дипольная связь двух постоянных диполей. Сначала рассмотрим зависимость этой связи от расстояния.

Постоянный дипольный момент создает электрическое

поле Е ~ которое действует на другой диполь. Энергия

г6

взаимодействия этих диполей равна потенциальной энергии диполя р2 в электрическом поле Е, а сила взаимодействия диполей (градиент потенциальной энергии) уменьшается с расстоянием как

Для возникновения водородной связи нужно, чтобы в молекуле был один или несколько атомов водорода, связанных с небольшими, но электроотрицательными атомами, например О, N. Е. Важно, чтобы у этих электроотрицательных атомов были неподелейные электронные пары.

Поэтому водородные связи характерны для таких веществ, как вода Н20, аммиак МН3, фтороводород !№. Менее прочные, чем ковалентные, приблизительно в 20 раз, водородные связи заставляют воду быть жидкостью или льдом в обычных условиях. Они разрушаются только тогда, когда жидкая вода переходит в пар. Рассмотрим природу этой связи на примере воды.

Вода — весьма своеобразное соединение. Прежде всего она кипит и затвердевает при аномально высоких, для ее малого молекулярного веса температурах. Действительно, вода — Н20 — кипит при 373 К, а твердеет при 273 К, в то время как 02 кипит при 90 К и твердеет при 54 К; Н2 кипит при всего 20 К и плавится при 4 К. То, что структуры воды и льда с трудом разрушаются теплом, показывает, что молекулы воды очень сильно связаны между собой связью атомов О и Н, принадлежащих к различным молекулам Н20. За это ответственна связь именно между О и Н, так как и 02, и Н2 в отдельности легко кипят и плавятся.

В молекуле воды две электронные пары образуют полярные ковалентные связи между атомами водорода и кислорода, а оставшиеся две электронные пары остаются свободными и называются неподеленными.

Рис. 1.2

Водородные связи (пунктир) между молекулами воды

Молекула воды полярна. Это значит, что на ее атомах есть небольшие («парциальные») электрические заряды: на электроотрицательном О — отрицательный, на Н — положительный. Заряды на полярных атомах появляются в результате того, что электроотрицательные атомы О оттягивают электронные облака от соседних Н атомов. В результате на атомах водорода возникают небольшие положительные заряды, а на О — отрицательный заряд.

Молекула имеет угловое строение, угол Н-О-Н составляет 104,5 градусов. Водородная связь (на рис. 1.2 она обозначена пунктиром) возникает при взаимодействии обедненного электронами атома водорода одной молекулы воды с неподеленной электронной парой атома кислорода другой молекулы воды.

Водородные связи во многом обусловливают физические свойства как воды, так и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры). Аномально высокая теплоемкость воды и многоатомных спиртов обеспечивается многочисленными водородными связями. Одна молекула воды может образовать до четырех классических водородных связей с соседями. Водородные связи повышают температуру кипения, вязкость и поверхностное натяжение жидкостей и создают многие другие уникальные свойства воды. Именно поэтому вода может находиться в жидком и даже в твердом состоянии (лед) в условиях, в которых похожие соединения водорода с более тяжелыми элементами (серой, селеном и т. д.) газообразны. Лед имеет гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично. В кристалле льда между молекулами остаются пустоты (рис. 1.3).

Наличие пустот в структуре льда обусловливает:

  • ? меньшую плотность, чем у воды, он плавает в ней (большинство других веществ при замерзании увеличивает свою плотность);
  • ? понижение температуры плавления под сильным давлением (например, лезвия конька). Этим же объясняется спекание кусков льда или снежинок в монолит. Ажурная структура льда при плавлении разрушается, и «обломки» (молекулы воды) занимают меньший объем (тот же эффект как при разрушении здания).

Водородная связь молекул воды имеет электрическую природу. Ее связь именно с электронами и зарядами, а не с ядрами водородных атомов, следует из того, что температуры и кипения, и плавления легкой (Н20) и тяжелой (020) воды практически совпадают — несмотря на двукратное различие в массах ядер Б и Н.

У каждой Н-связи — один донор и один акцептор. При этом Н почти всегда выступает донором только одной Н-связи, а О может быть акцептором двух Н-связей.

Большинство из существующих во льду водородных связей сохраняется и в жидкой воде. Это следует из малой теплоты плавления льда (320 Дж/г) по сравнению с теплотой кипения воды (2400 Дж/г). Можно было бы сказать, что в жидкой воде рвется только 320/(2400 + 320) = 12% из существующих во льду водородных связей. Однако эксперименты по инфракрасному поглощению О-Н групп показывают, что происходит одновременное ослабление всех водородных связей. Если бы одни связи разорвались, а другие сохранились, то в жидкой воде было бы два вида О-Н групп — образующие водородные связи и не образующие их. И одни О-Н группы в воде колебались бы так же (с той же частотой), как во льду (где они образуют водородные связи), а другие — как в веществах, где они водородных связей не образуют. Тогда спектр воды был бы «двугорбым» — имел бы два максимума инфракрасного поглощения, соответствующие двум состояниям О-Н групп, двум их характерным частотам колебаний. В реальности же наблюдается один максимум, что говорит о наличии только одного вида групп О-Н. Поэтому картина, в которой часть водородных связей в воде разорвана, а часть сохранена, строго говоря, неверна. Однако она столь проста и удобна для описания термодинамических свойств воды, что ею широко пользуются.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >