Водородная связь в химии: что это такое

Что такое водородная связь — особенности

Основная задача атомов химических элементов в природе — образовывать более стабильные соединения со стабильной структурой, так что энергия может потребляться с меньшими затратами.

Современная химия выделяет следующие типы химических связей:

• металл;
• ковалентный;
• ионный;
• межмолекулярный.

Еще до появления современной теории химических связей ученые заметили особые свойства неметаллических соединений с водородом. Специфика этого типа химической связи заключается в способности атома водорода образовывать межмолекулярные связи.

Определение

Водородная связь — это межмолекулярная химическая связь, которая возникает между атомом водорода и другим атомом с более высоким EO, принадлежащим другим молекулам или структурным фрагментам.

Есть 2 типа водородной связи:

• межмолекулярный;
• межмолекулярный.

В подходящих природных условиях водородная связь может возникать самопроизвольно.

Отличительной особенностью водородной связи является высокая электроотрицательность атомов, контактирующих с водородом. Чем выше их ЭО, тем сильнее водородная связь.

Водородная связь наблюдается учеными во всех областях химии, независимо от характера образования химических соединений. Его характеристики, такие как низкая прочность, позволяют водородной связи быть своего рода промежуточным звеном между основными химическими связями (ионными, ковалентными и металлическими) и силами Ван-дер-Ваальса.

Как образуется между молекулами, механизм

Межмолекулярные водородные связи соединяют разные молекулы. Чтобы объединить их, необходимо иметь H в одной молекуле водорода и элемент с высоким содержанием ЭО в другой. Между ними возникает связь, но она удерживает вместе не только эти два элемента, но и обе молекулы.

Внутри молекулы возникают внутримолекулярные соединения. В этом случае и водород H, и элемент с высоким содержанием ЭО должны находиться в одной и той же молекуле.

В обоих случаях водородная связь показана точками .

Механизм образования водородной связи нельзя назвать однородным, поскольку частицы могут притягиваться друг к другу одновременно донорно-акцепторным и электростатическим типами, в зависимости от природы сильно электроотрицательных элементов. Донор представляет собой химический элемент с более высоким содержанием ЭО, а акцептор — атом водорода Н.

Следовательно, атомы, участвующие в образовании межмолекулярных связей, приобретают заряды с частичными значениями, от частично отрицательных до частично положительных.

Проявление в неорганической химии

Определение «водородная связь» появилось в 1920 году. Его использовали ученые Латимер и Родебуш, чтобы объяснить сущность аномалий, наблюдаемых при кипении воды, насыщенных одновалентных спиртов и жидкой плавиковой кислоты. Сравнивая точки кипения в ряду родственных водородсодержащих соединений H2O (вода), H2S (сероводород), H2Se (селенид водорода) и H2Te (теллурид водорода), было обнаружено, что первый член этого списка (H2O) он переходит из жидкости в пар гораздо раньше, чем он мог ожидать, следуя схеме, которой подчиняются другие члены. Истинная температура кипения воды оказалась на 200 ° C выше ожидаемой.

Это также относится к другой серии: NH3 (аммиак), PH3 (фосфин), H3As (арсин), H3Sb (стибин), где фактическая точка кипения (-33 ° C) аммиака на 80 градусов выше ожидаемой. Если предположить, что молекулы в жидкости удерживаются исключительно силами Ван-дер-Ваальса, которые разрушаются при переходе в газовую фазу, то эти скачки не должны наблюдаться и не могут быть объяснены.

Неожиданное повышение температуры кипения привело к выводу о наличии дополнительных связывающих сил, которые изменяют физические свойства молекул. Водородная связь играет роль в создании аномальных точек кипения спиртов по сравнению с аналогами без гидроксильных (-ОН) групп. В перечень достоинств Н-связей входит не только изменение температур кипения веществ, но и усиление их кристаллических решеток, что вызывает повышение точек плавления, поверхностного натяжения и вязкости.

Например, борная кислота с формулой H3BO3 имеет слоистую триклинную кристаллическую решетку, в которой каждая из молекул присоединена к трем другим посредством Н-связей. В результате образуются плоские слои, которые за счет межмолекулярных связей образуют кристалл состав — «паркет» из шестиугольников.

С помощью инфракрасной спектроскопии сегодня можно надежно идентифицировать любой тип межмолекулярного взаимодействия: группы с Н-связями сильно отличаются по спектральным характеристикам от других случаев. Исследования структуры вещества помогают измерить расстояние между водородом и атомом акцептора, сравнить его с суммой лучей и, если первое значение не превышает второе, доказать существование явления.

Что мы узнали?

Между атомами водорода и неметаллическими атомами возникает водородная связь, основанная на электростатическом взаимодействии атомов. Это частный случай ковалентной полярной связи, характеризующийся взаимодействием водорода и атомов с высокой электроотрицательностью. Есть два типа связей: межмолекулярные, которые возникают между молекулами вещества, и внутримолекулярные, которые возникают между водородом и атомом другого элемента в молекуле. Водородная связь присуща неорганическим и органическим веществам.

Основные типы химических связей

В химии существует четыре типа связей: ковалентная, ионная, металлическая и водородная. Но в чистом виде они встречаются редко, обычно наблюдается перекрытие разных типов химических связей. Например, в молекуле фосфата аммония (NH4) 3PO4 существует как ионная связь между ионами, так и ковалентная связь внутри ионов.

Отметим также, что во время образования кристалла тип связи между частицами зависит от того, какой будет кристаллическая решетка. Если это ковалентная связь, образуется атомная решетка, если водородная связь является молекулярной решеткой, а если она ионная или металлическая, то будет ионная или металлическая решетка соответственно. Следовательно, влияя на тип кристаллической решетки, химическая связь также определяет физические свойства вещества: твердость, летучесть, температуру плавления и так далее

Основные характеристики химической связи:

• насыщение — ограничение количества образующихся связей за счет конечного числа неспаренных электронов;
• полярность — неравномерная электронная плотность между атомами и смещение общей пары электронов на одном из них;
• направленность — ориентация связи в пространстве, расположение орбиталей атомов под определенным углом друг относительно друга.

Ковалентная связь

Как упоминалось выше, у этого типа связи есть два механизма образования: обменный и донорно-акцепторный. В механизме обмена свободные электроны двух атомов объединяются в пару, а в донорно-акцепторном механизме пара электронов от одного из атомов перемещается к другому по его свободной орбитали.

Ковалентная связь — это процесс взаимодействия атомов с равными или близкими радиусами, при котором образуется общая электронная пара. Если эта пара в равной степени принадлежит обоим взаимодействующим атомам, это неполярная связь, а если она перемещается к одному из них, это полярная связь.

Как вы помните, сила притяжения электронов определяется электроотрицательностью атома. Если это одинаково для двух атомов, между ними будет неполярная связь, а если один из атомов имеет большой EO, общая электронная пара будет перемещаться по нему, и будет получена полярная химическая связь.

Важно В зависимости от того, сколько электронных пар получено, химические связи могут быть одинарными, двойными или тройными.

Неполярная ковалентная связь образуется в молекулах простых неметаллических веществ с одним и тем же ЭО: Cl2, O2, N2, F2 и других.

Давайте посмотрим на схему образования этой химической связи. У каждого атома водорода есть внешний электрон, который образует общую пару.

Ковалентная полярная связь характерна для неметаллов с разным уровнем ЭО: HCl, NH3, HBr, H2O, H2S и других.

Давайте посмотрим, как выглядит такая связь в молекуле соляной кислоты. У водорода один свободный электрон, у хлора семь. Следовательно, есть только два неспаренных электрона, которые объединяются в общую пару. Поскольку в этом случае для хлора ЭО больше, эта пара смещена в его сторону.

Другой пример — молекула сероводорода H2S. В этом случае мы видим, что каждый атом водорода имеет одну химическую связь, а атом серы — две. Количество связей определяет валентность атома в конкретном соединении; следовательно, валентность серы в сероводороде равна II.

Количество связей, которые может иметь атом в молекуле вещества, называется валентностью.

Характеристики ковалентной связи:

• насыщенный,
• непосредственный,
• имеет полярность.

Ионная связь

Как следует из названия, этот тип связи основан на взаимном притяжении ионов с противоположными зарядами. Это возможно между веществами с большой разницей в ЭО: металл и неметалл. Механизм следующий: один из атомов отдает свои электроны другому атому и становится положительно заряженным. Второй атом переносит электроны на пустую орбиталь и получает отрицательный заряд. В результате этого процесса образуются ионы.

Ионная связь — это взаимодействие между атомами в молекуле вещества, результатом которого является образование и взаимное притяжение ионов.

Невероятно заряженные ионы стремятся друг к другу из-за кулоновского притяжения, которое одинаково направлено во всех направлениях. Благодаря этому притяжению образуются ионные кристаллы, в решетке которых чередуются заряды ионов. У каждого иона есть несколько ближайших соседей — это называется координационным числом.

Обычно ионная связь возникает между металлическими и неметаллическими атомами в таких соединениях, как NaF, CaCl2, BaO, NaCl, MgF2, RbI и других. Ниже представлена ​​диаграмма ионной связи в молекуле хлорида натрия.

Важно! Все соли образуются с использованием ионных связей, поэтому в случаях, когда необходимо определить тип химической связи в веществах, таблица растворимости может использоваться в качестве рекомендации.

Характеристики ионной связи:

• ненасыщенный
• у него нет направления.

Ковалентные и ионные связи в целом похожи, и одну из них можно рассматривать как крайнее выражение другой. Но между ними все же есть существенная разница. Сравним эти типы химических связей в таблице.

Ковалентная связьИонная связь

для него характерно появление пар электронов, принадлежащих обоим атомам.	он характеризуется появлением и взаимным притяжением ионов.
Общая пара электронов притягивается к обоим ядрам атомов.	Противоположно заряженные ионы подвержены кулоновскому притяжению.
В нем есть фокусировка и насыщенность.	Ненасыщенный и несфокусированный.
Количество связей, образованных атомом, называется валентностью.	Число ближайших соседей атома называется координационным числом.
Образуется из неметаллов с одинаковым или не сильно различающимся ЭО.	Образуется между металлами и неметаллами — веществами с существенно разными ЭО.

Металлическая связь

Отличительной особенностью металлов является то, что их атомы имеют довольно большой радиус и легко отдают свои внешние электроны, превращаясь в положительно заряженные ионы (катионы). В результате получается кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы, а электроны проводимости движутся беспорядочно, образуя «электронное облако» или «электронный газ».

Свободные электроны мигрируют от одного иона к другому, временно присоединяются к ним и снова освобождаются, чтобы плавать. Этот механизм по своей природе напоминает ковалентную связь, но взаимодействие происходит не между отдельными атомами, а в веществе.

Металлическая связь — это взаимодействие положительных ионов металла и отрицательно заряженных электронов, которые являются частью «электронного облака», разбросанного по всему объему материи.

Наличие такого «электронного облака», которое может предполагать направленное движение, определяет электропроводность металлов. Другие их качества — пластичность и пластичность — объясняются тем, что ионы в кристаллической решетке легко перемещаются. Таким образом, металл способен растягиваться при ударе, но не разрушаться.

Характеристики металлической связки:

• отсутствие направления,
• делокализованный персонаж,
• мультиэлектроника.

Металлическая связь присуща как простым веществам, таким как Na, Ba, Ag, Cu, так и сложным сплавам, например AlCr2, CuAl11Fe4, Ca2Cu и другим.

Металлическая схема подключения:

М — металл,

n — количество свободных внешних электронов.

Например, у чистого железа два электрона снаружи, поэтому его металлический рисунок связи выглядит следующим образом:

Обобщаем все полученные знания. В таблице ниже кратко описаны химические связи и структура вещества.

Понятие водных кластеров

Земля — ​​чемпион по содержанию воды среди других планет Солнечной системы. Моря и океаны, реки и озера, средняя глубина которых достигает 6 тысяч метров, занимают 70% поверхности земли, а огромные запасы влаги сосредоточены в районах полюсов в виде снега и льда.

влияние воды на возникновение и существование жизни на нашей планете сложно переоценить. Это связано с необычными характеристиками соединений, которые считаются его близкими аналогами. Только вода является жидкой и твердой в условиях, когда водородные соединения серы или селена с более высокой атомной массой становятся газообразными.

Наличие водородных связей в молекулах воды вызывает образование водных групп или комплексов, и димеры воды являются их простейшими примерами. Энергия их водородных связей ненамного превышает энергию броуновского движения при нормальных условиях, но она сильно отличается от мощности ковалентных связей в гидроксильных группах и в 200 раз превышает тепловые характеристики. Вода из простой жидкости превращается в сложную, «связанную» сеткой Н-связей, хотя они относительно слабые и нестабильные, они самопроизвольно возникают и исчезают при изменении температуры.

Кристаллическая структура льда имеет объемную сетку этих связей, а молекулы H2O расположены таким образом, что атомы водорода некоторых молекул направлены к атомам кислорода своих соседей. В кристалле льда между молекулами всегда есть промежутки; их объем немного больше размера отдельных молекул воды. Именно благодаря этим «карманам» плотность льда ниже, чем его жидкая фаза, и гигантские айсберги остаются дрейфующими на поверхности, в то время как замерзание большинства других веществ значительно увеличивает их плотность.

Водородные связи придают воде уникальные характеристики, позволяющие существовать множеству форм жизни в районах, где температура окружающей среды опускается ниже нуля. Если представить на минуту, что лед начнет опускаться в воду, моря зимой рано или поздно промерзнут до дна и рыба будет обречена на вымирание. Люди могут растопить лед, чтобы получить живительную влагу, но на это потребуется много энергии.

Еще одно проявление Н-связей — голубой цвет чистой воды по ее толщине. Вибрация молекулы воды вызывает движение близких к ней частиц, связанных водородными связями. Красные лучи, входящие в состав солнечного спектра, будут расходоваться на поддержание этих колебаний, поскольку они соответствуют в основном энергетически. Происходит фильтрация красных лучей: их энергия поглощается и рассеивается в виде тепла колеблющимися молекулами.

Синяя часть спектра начинает просвечивать, уравновешивая отсутствие красного. Вода станет волшебного голубого цвета. Для этого необходимо, чтобы солнечные лучи проходили через слой чистой воды толщиной два метра и теряли достаточное количество красного спектра.

Механизм образования химической связи

Есть два механизма взаимодействия атомов:

• обмен — предполагает выделение внешнего электрона от каждого атома и соединение их в общую пару;
• донор-акцептор — возникает, когда один атом (донор) высвобождает два электрона, а второй атом (акцептор) принимает их на свою свободную орбиталь.

Независимо от механизма химическая связь между атомами сопровождается выделением энергии. Чем больше ЭО атомов, то есть их способность притягивать электроны, тем сильнее это увеличение энергии.

Энергия связи — это энергия, которая выделяется при взаимодействии атомов. Он определяет прочность химической связи и по величине равен силе, необходимой для ее разрыва.

На силу также влияют следующие показатели:

• Длина связи — это расстояние между ядрами атомов. По мере уменьшения этого расстояния энергия связи увеличивается и увеличивается ее прочность.
• Кратность связи — количество электронных пар, появившихся при взаимодействии атомов. Чем выше это число, тем больше энергия и, следовательно, прочность связи.

На примере химической связи в молекуле водорода давайте посмотрим, как изменяется энергия системы при уменьшении расстояния между ядрами атомов. По мере приближения ядер друг к другу электронные орбитали этих атомов начинают перекрывать друг друга, в результате чего образуется общая молекулярная орбиталь. Неспаренные электроны через перекрывающиеся области перемещаются от атома к атому, и возникают общие электронные пары. Все это сопровождается увеличивающимся выделением энергии. Схождение происходит до тех пор, пока сила притяжения не будет компенсирована силой отталкивания самих зарядов.

Кратко о химических связях

Итак, самое главное. Химическая связь — это взаимодействие атомов, причиной которого является стремление системы обрести устойчивое состояние. Во время взаимодействия свободные внешние электроны атомов объединяются попарно или внешний электрон одного атома переходит к другому.

Образование химической связи сопровождается выделением энергии. Эта энергия увеличивается с увеличением числа образованных электронных пар и с уменьшением расстояния между ядрами атомов.

Основные типы химических связей: ковалентные (полярные и неполярные), ионные, металлические и водородные. В отличие от всех остальных водород ближе к молекулярным связям, так как может находиться как внутри одной молекулы, так и между разными молекулами.

Как определить тип химической связи:

• В неметаллических молекулах между атомами с аналогичным ЭО образуется ковалентная полярная связь.
• Неполярная ковалентная связь возникает между атомами с разными ЭО.
• Ионная связь приводит к образованию и взаимному притяжению ионов. Это происходит между металлическими и неметаллическими атомами.
• Металлическая связь возникает только между атомами металла. Это взаимодействие положительных ионов в кристаллической решетке и свободных отрицательных электронов. Масса свободных электронов, разбросанных по объему, представляет собой «электронное облако».
• Водородная связь возникает, когда есть высокий атом EO и атом водорода, связанный с другой электроотрицательной частицей ковалентной связью.

Химическая связь и молекулярная структура: тип химической связи определяет кристаллическую решетку вещества: ионная, металлическая, атомная или молекулярная.

Таблица поможет определить тип химической связи в 8 классе.

Состав веществаЭлементы в составе веществаХимическая связьТип кристаллической решетки

Простой	Металл	Металл	Металл
Не металл с тем же EO	Неполярный ковалентный	Молекулярный или атомный
Жесткий	Металл, а не металл	Ионный	Ионный
Не металл с разными ЭО	Ковалентный полярный	Молекулярный или атомный

Типы водородных связей

Межмолекулярные связи наблюдаются между молекулами водорода и другим элементом с хорошей способностью притягивать электроны, то есть с высокой электроотрицательностью.

Такой тип водородной связи характерен для одноатомных спиртов (метанол CH3OH), молекул аммиака NH3, карбоновых кислот (муравьиная кислота HCOOH), аминокислот.

Внутримолекулярные соединения характеризуются химическими связями внутри молекулы. Этот тип водородной связи характерен для разновидностей поливалентных спиртов (глицерин C3H8O3), углеводов, гидроксикислот, белковых соединений и т.д.

Аномальные свойства воды, обеспеченные водородной связью

Вода, или оксид водорода, представляет собой соединение двух атомов водорода H и одного атома кислорода O. Графически это соединение выглядит так:

Особенностью этого соединения является способность атомов водорода H одной молекулы и кислорода O другой молекулы образовывать прочные межмолекулярные связи. Это позволяет воде приобретать уникальные свойства:

• высокая температура кипения — при нормальных условиях вода представляет собой жидкость, но в узком температурном диапазоне может стать паром или льдом;
• низкая плотность воды в твердом агрегатном состоянии по отношению к жидкости;
• H2O — хороший высокополярный растворитель;
• при температурах выше 0, но ниже точки кипения молекулы воды могут образовывать нецелые структуры и отдельные конгломераты.

Типы химической связи и их основные отличительные признаки

Значение для органических соединений

Многие органические вещества не растворяются в воде. Но если это происходит, то процесс не обходится без активного участия Н-связей.Кислород и азот, основные доноры протонов, часто играют роль акцепторов. Органические соединения, содержащие О и N, легко растворяются в воде: здесь кислород и азот выступают в роли акцепторных атомов, а донорным атомом выступает кислород из молекул воды. Образовавшиеся водородные связи вытесняют органическое вещество в растворе, «втягивая» его в молекулы.

Видна эмпирическая модель: органическое соединение будет легко растворяться в воде, если в составе его молекул на каждый атом кислорода не более 3-х атомов углерода. Например, бензол C6H6 плохо растворяется в воде, но замена группы (-CH) на (-N) дает пиридин C5H5N, который смешивается с водой в любых пропорциях.

Для неводных растворов, в которых в качестве растворителей выступают органические вещества, также характерны Н-связи, в которых водород частично поляризован положительно, а рядом находится молекула с сильным акцептором — чаще всего это кислород. Жирные кислоты приобретают полезную способность растворяться в хлороформе HCCl3, а ацетилен, растворенный в ацетоне, получил важные технические применения. Горючий газ C2H2 под давлением чувствителен к ударам и взрывчатым веществам, но его растворение в ацетоне C3H6O позволяет безопасно хранить и транспортировать любой объем.

роль Н-связей в прочных полимерных и биополимерных структурах трудно переоценить. Целлюлоза (древесное волокно) в структуре молекулы имеет по бокам полимерной структуры гидроксильные группы, в которых чередуются циклические фрагменты. Низкая энергия одинарной Н-связи, умноженная на количество по всей длине молекулярной цепи, в конечном итоге вызывает мощное притяжение. По этой причине целлюлозу можно растворить только в высокополярных растворителях, дигидроксотетрааммонии меди, известном как реагент Швейцера.

Карбонильные (= C = O) и амино (-NH2) группы в соседних полимерных цепях нейлона и нейлона также образуют связи этого типа и увеличивают механическую прочность веществ, поскольку кристаллические фрагменты образуются в полиамидных структурах. Полиуретаны и белки ведут себя аналогичным образом: витки белковых спиралей фиксируются теми же Н-связями, которые образуются при взаимодействии функциональных групп.

ДНК макромолекулы полимера — это хранилище информации о живом организме, зашифрованной в чередующихся фрагментарных циклах. Их карбонильные и аминогруппы имеют четыре типа азотистых оснований (аденин A, гуанин G, тимин T, цитозин C) и расположены в виде боковых ответвлений по длине молекулы. Индивидуальные особенности всего живого на планете зависят от порядка их чередования. Взаимодействие пар в составе аминогруппы и атома азота приводит к образованию множества Н-связей, которые удерживают 2 молекулы ДНК в виде классической двойной спирали.