Водородная связь в ЕГЭ по химии: образование, строение, свойства.

Содержание

1. Прочные и слабые связи между химическими частицами. 
2. Водородная связь как промежуточная между ковалентной и ван-дер-ваальсовой. 
3. Следствия, к которым ведет наличие водородной связи. 
   3.1. Повышение температур кипения и плавления. 
   3.2. Повышение растворимости в воде. 
   3.3. Полимеризация. 
 

1. Прочные и слабые связи между химическими частицами.

Между химическими частицами, то есть атомами и молекулами, возможны разные взаимодействия. Самыми сильными, безусловно, являются внутримолекулярные химические связи. Если брать ковалентные химические связи, то они возникают за счет обобществления электронов двух атомов. Энергия таких связей весьма высока и находится в диапазоне примерно 200-1000 кДж/моль. Эти связи удерживают атомы в молекуле, например, H-H, O=O, N≡N. Это прочные связи, для разрыва которых нужно приложить усилия. Но есть также и гораздо более слабые взаимодействия, например, между молекулами, которые объединяют термином «ван-дер-ваальсовы взаимодействия». Среди них можно выделить следующие подтипы.

1) Ориентационное взаимодействие (эффект Кеезома). Такие силы возникают между молекулами, имеющими полярные связи, то есть диполями. Напомним, что диполь – это частица, имеющая суммарный нулевой заряд, однако внутри нее есть разделенные в пространстве разноименные заряды. Фактически при ориентационном взаимодействии речь идет о взаимодействии диполей, противоположные заряды которых электростатически притягиваются.

2) Индукционное взаимодействие (эффект Дебая). Такая сила возникает между диполем, то есть молекулой с полярной связью, и неполярной молекулой, способной поляризоваться. Речь идет о том, что неполярная молекула под действием диполя сама превращается в диполь, то есть поляризуется, и так снова возникает притяжение диполей. Однако это взаимодействие слабее, чем взаимодействие двух полноценных диполей.

3) Дисперсионное взаимодействие (силы Лондона). Такие силы возможны даже между неполярными молекулами. В этом случаи возникают так называемые «мгновенные диполи» вследствие флуктуации электронной плотности в молекулах. Это самый слабый тип взаимодействий, однако он характерен для абсолютно всех веществ. 

Ван-дер-ваальсовы связи очень слабые, их энергия на два порядка ниже энергии ковалентных связей и обычно не превышает 5 кДж/моль. Таким образом, с точки зрения энергии мы имеем два крайних случая – прочные ковалентные связи и очень слабые ван-дер-ваальсовы.

2. Водородная связь как промежуточная между ковалентной и ван-дер-ваальсовой. 

Так вот есть еще один тип взаимодействий – это водородные связи, которые с точки зрения энергии следует поместить посередине между ковалентными и ван-дер-ваальсовыми. Их энергия варьируется в диапазоне 10-40 кДж/моль. 

Следует сформулировать правило:

Межмолекулярные водородные связи образуются между формульными единицами молекулярного строения, в которых есть сильно полярные связи F-H, O-H или N-H.

Исходя из данного определения, можно заключить, что водородные связи будут присутствовать в HF, H₂O и NH₃, потому что это соединения молекулярного строения и в них есть связи F-H, O-H или N-H. Соответственно в таких соединениях как LiH (ионное строение) или H₂S (нет связей F-H, O-H или N-H) водородной связи не будет. Если брать серную кислоту H₂SO₄, то она тоже имеет молекулярное строение и полярные связи O-H, тем не менее водородной связи в водном растворе не будет. Вода оказывает поляризующее действие на связь О-Н в серной кислоте, превращая ее в ионную –О^-Н⁺, а значит, серная кислота перестает быть молекулой и уже не подпадает под определение водородной связи. Однако в безводной жидкой, а также твердой серной кислоте водородные связи есть.

Ниже на рисунке показано, как образуется водородная связь между молекулами воды, фтороводородной кислоты и между молекулами аммиака и воды.

Водородная связь примерно в 1,5-2 раза длиннее, чем ковалентная между атомами внутри молекулы.

Если брать органические соединения, то водородная связь возникает в спиртах и карбоновых кислотах, потому что в них есть неионная полярная связь О-Н. Ниже показано, как образуется водородная связь между молекулами метанола.

При этом в водном растворе метанол может образовывать водородную связь также с молекулами воды. Это, в частности, объясняет неограниченную растворимость метанола в воде. В том, что касается карбоновых кислот, водородная связь позволяет объяснить существовать димеров уксусной кислоты в газовой фазе, как показано ниже:

Важно отметить, что водородная связь отсутствует в альдегидах и кетонах. В этих соединениях нет полярной связи О-Н.

Водородная связь играет огромную роль в биохимии. Она лежит в основе принципа комплементарности оснований в молекуле ДНК. Под комплементарностью понимается молекулярное соответствие, обусловливающее межмолекулярную связь строго между определенными фрагментами ДНК. Аденин связан двумя водородными связями с тимином, а гуанин связан тремя водородными связями с цитозином. Ниже правило комплементарности показано для пары аденин-тимин. 

Фактически водородная связь во многом определяет винтовую структуру молекулы ДНК, то есть определяет ее пространственную ориентацию.

3. Следствия, к которым ведет наличие водородной связи.

Теперь мы можем перейти к обсуждению следствий, к которым ведет наличие водородной связи.

3.1. Повышение температур кипения и плавления.

Водородная связь – это дополнительная сила (помимо ван-дер-ваальсовых взаимодействий), которая связывает молекулы между собой. Соответственно если молекулы связаны прочнее, то нужно приложить большие усилия, чтобы разорвать эти связи и твердое вещество перевести в жидкость, а жидкость в газ. И действительно, у веществ с водородными связами выше температуры кипения и плавления. Ниже в таблице это наглядно показано.

Аммиак NH₃, вода H₂O и фтороводородная кислота HF должны были бы иметь минимальные температуры кипения в своих группах, хотя бы по причине минимальных дисперсионных взаимодействий. Дисперсионные взаимодействия зависят от молекулярной массы и как раз как раз минимальны в случае наименьшей массы. Однако наши вещества наоборот имеют аномально высокие температуры кипения в своих группах. Это объясняется именно наличием водородных связей, которые прочнее удерживают молекулы друг с другом. Поэтому нужна повышенная температура, чтобы их разорвать. Если бы в воде не было водородных связей, она бы кипела при температуре ниже -60°С. Если же взять метан CH₄, то у него водородные связи отсутствуют, поэтому температура кипения минимальная в своей группе. 

Аналогичное наблюдение можно сделать для органических веществ. Молярные массы метанола (32 г/моль) и этана (30 г/моль) примерно одинаковы, однако разница в температурах кипения колоссальная: 64°С для метанола и -88°С для этана. Это тоже объясняется наличием водородной связи в случае метанола.

Следует упомянуть одну особенность воды, которая обусловлена наличием водородных связей. Когда вода замерзает в лед, ее молекулы образуют трехмерный каркас, удерживаемый водородными связями. В нем есть пустоты, что приводит к понижению плотности льда по сравнению с жидкой водой. Именно поэтому лед плавает в воде и не тонет. Эта аномалия тем не менее оказалась очень важной для эволюции жизни. Когда моря замерзают, менее плотный лед формируется только на поверхности, сохраняя жидкую воду под своим слоем. Поэтому живые организмы продолжают существовать в воде даже при холодном климате. Максимальную плотность вода имеет при 4°С. При этой температуре происходит уравновешивание двух противоположных тенденций: роста плотности за счет разрыва водородных связей и ее снижения за счет увеличения кинетической энергии движения молекул.

3.2. Повышение растворимости в воде.

Иногда молекулы, образующие водородную связь между собой, могут также ее образовывать с молекулами воды. Это способность обусловливает их высокую растворимость в воде. Например, аммиак имеет огромную растворимость в воде - более 1000 объемов в одном объеме воды. Амины, также образующие водородные связи, тоже хорошо растворимы в воде. Еще один пример - спирты, о чем мы уже говорили.

Мы также говорили о том, что альдегиды и кетоны не образуют водородных связей, потому что в них нет полярных связей О-Н. Это действительно так, когда речь идет об индивидуальных веществах. Отсутствие водородной связи позволяет объяснить более низкие температуры кипения альдегидов и кетонов по сравнению с соответствующими спиртами, в которых водородная связь есть. Однако если мы поместим низшие альдегиды и кетоны в воду, мы увидим их хорошую растворимость. Это объясняется способностью карбонильной группы С=О образовывать водородную связь с водой. Поэтому в водных растворах альдегидов и кетонов водородная связь есть.

3.3. Полимеризация.

Водородные связи могут приводить к объединению молекул в более крупные образования. Мы приводили пример димера уксусной кислоты, который существует в парах. Еще можно упомянуть полимер фтороводорода состава (HF)₆, так же наблюдаемый в газовой фазе.

Итак, выше мы описали все самое важное, что необходимо знать о водородной связи для ЕГЭ по химии.