Водородная связь

Атом водорода, находясь в соединениях полярного типа, не утрачивает своей реакционной способности; он, обладая малыми размерами и частичным положительным зарядом, создает электрическое поле высокой напряженности и выступает акцептором электронов. Поэтому в соединениях, содержащих полярные связи с участием водорода – O-H, N-H, F-H и др. – возможно образованием так называемых водородных связей. При образовании водородной связи атом Н оказывается химически связанным с 2 или более атомами других элементов. Водородная связь – именно химическая связь, т. к. при ее образовании атом Н проникает в электронное облако другого атома и их облака перекрываются. Это отличает водородную связь от других межмолекулярных взаимодействий. Водородные связи непрочные, слабее обычной ковалентной связи, энергия их невелика, и при высоких температурах связи эти не существуют.

Примеры водородных связей:

Вследствие образования водородных связей между молекулами воды происходит их ассоциация – объединение в одну надмолекулярную структуру - кластер. На следующем рисунке приведен пример кластера воды:

Как показал теоретический расчет, если бы молекулы воды не образовывали водородные связи друг с другом, то вода кипела бы при -70^оС, а замерзала бы при -90^оС.

Поскольку молекулы в жидкостях постоянно совершают броуновское движение, то водородная связь постоянно разрывается и образуется. Например, молекулам воды для этого требуется всего 200 фемтосекунд (1 фемтосекунда это 10^─15 сек). Очень часто и быстро в воде возникают и самопроизвольно распадаются разнообразные структурные мотивы. Время, за которое поляризация молекул Н₂О, вызванная внешним электромагнитным полем, уменьшается равно при комнатной температуре 8 пикосекундам (8• 10^─12 сек). ТАК ЧТО вода быстро-быстро забывает о том, что на нее воздействовали полем, но, конечно, очень-очень-очень долго будет помнить, что ее посолили или добавили сахар.

За счет водородных связей образуется H₂F₂ – очень устойчивый димер:

Именно образованием водородных связей и объясняются более высокие температуры кипения HF и HCl по сравнению с их аналогами HI и HBr, молекулы которых гораздо менее полярны. А также температуры кипения воды H₂O по сравнению с ее аналогами H₂S, H₂Se, H₂Te.

Рис. Образование водородной связи между молекулой воды и бутилового спирта.

Водородная связь может удерживать молекулы в определенной взаимной ориентации. Если две молекулы ориентированы так, что протон удален от неподеленной электронной пары, то водородная связь между ними не может образоваться.

Водородная связь относится к слабым взаимодействиям: ее энергия обычно находится в пределах от 10 до 30 кДж\моль, хотя иногда может достигать и сотен кДж\моль. При этом энергии обычных химических связей (ковалентных и ионных) заметно превышают 150 кДж\моль. Например, для молекулы азота N₂ энергия связи составляет 900 кДж\моль.