Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Савчин

§ 6. ВИДИ ХІМІЧНИХ ЗВ'ЯЗКІВ: ВОДНЕВИЙ ЗВ'ЯЗОК

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • називати речовини з водневим зв'язком; виявляти речовини, які здатні утворювати водневий зв'язок;
  • пояснювати механізм утворення водневого зв'язку між молекулами води, спиртів, води та спиртів;
  • прогнозувати фізичні властивості речовин на основі їхньої будови та будову речовин на основі їхніх фізичних властивостей.

Водневий зв'язок. Вам уже відомо, що речовини з полярним ковалентним зв'язком мають здатність до міжмолекулярної взаємодії. Це зумовлено поляризацією молекул та утворенням диполів.

У молекулах, де атом Гідрогену сполучений із сильно електронегативним атомом неметалічного елемента, виникає зв'язок і всередині молекул, і між окремими молекулами.

Водневий зв'язок — це електростатична взаємодія в молекулах або між ними за участю атомів Гідрогену.

Цей вид зв'язку утворюється в речовинах, молекули яких містять атом Гідрогену й атоми елементів, що проявляють значно більшу електронегативність. Іноді водневий зв'язок розглядають як різновид зв'язку, що виникає не тільки внаслідок дії електростатичних сил притягання, а й за донорно-акцепторним механізмом (наприклад, HF). У цьому разі електронегативний елемент зі значно більшою силою притягує атом Гідрогену й той втрачає свій електрон з s-орбіталі, залишається тільки ядро (протон). Вільну орбіталь заповнює неподілена електронна пара атома більш електронегативного елемента, який є донором, а ядро атома Гідрогену — акцептором.

Міжмолекулярний водневий зв'язок. Участь у такому зв'язку беруть дипольні молекули. Він наявний у речовин, які перебувають у рідкому або твердому агрегатному стані, зокрема в молекулах води, спиртів, карбонових кислот, між молекулами води й інших речовин тощо.

Механізм утворення цього виду зв'язку полягає в притягуванні атомами Гідрогену, на якому концентрується частковий позитивний заряд, атомів з більшою електронегативністю іншої молекули, на якому сконцентрований частковий негативний заряд.

Як наслідок, виникають асоційовані молекули: димери у випадку карбонових кислот або асоціати з багатьох молекул.

Між молекулами води асоціати утворюються внаслідок притягання атомами Гідрогену однієї молекули атомів Оксигену іншої молекули (рис. 18).

Рис. 18. Схема утворення асоціатів між молекулами води

Між молекулами спиртів водневий зв'язок виникає між атомом Гідрогену гідроксильної групи однієї молекули й атомом Оксигену гідроксильної групи іншої молекули (рис. 19). Завдяки здатності утворювати водневі зв'язки серед спиртів немає газів.

Рис. 19. Схема утворення водневого зв'язку між молекулами етанолу

Пригадайте й поясніть, як відбувається зміщення електронної густини в гідроксильній групі спиртів.

Міжмолекулярна взаємодія на основі водневого зв'язку виникає не тільки між однаковими, а й між різними молекулами.

Між молекулами води та спиртів, зокрема в процесі розведення спиртів водою, утворюються асоціати між атомом Гідрогену молекули спирту, що має частковий позитивний заряд, та атомом Оксигену молекули води, на якому сконцентрований частковий негативний заряд. Завдяки водневому зв'язку спирти добре розводяться водою. Утворення асоціатів між етанолом і водою зображено на рис. 20.

Рис. 20. Схема утворення водневого зв'язку між молекулами етанолу й води

Внутрішньомолекулярний водневий зв'язок. Цей вид водневого зв'язку виникає не тільки в молекулах неорганічних, а й у молекулах органічних речовин. Багато органічних речовин містять у своєму складі характеристичні групи, у яких наявна поляризація зв'язку. Це гідроксильна група —ОН у спиртів, карбоксильна —СООН у карбонових кислот, аміногрупа —NH2 у молекулах амінів та амінокислот. Наприклад, вторинна структура молекули білка утримується у формі спіралі завдяки утворенню водневих зв'язків.

Наявність водневого зв'язку впливає на властивості речовин. У них значно вищі температури кипіння. Так, вода, порівнюючи з речовинами підгрупи Оксигену (H2S, H2Se, Н2Те), має високу температуру кипіння — 100 °С. Це пояснюється тим, що під час кип'ятіння води потрібно використати додаткову енергію на руйнування водневих зв'язків. Щодо міцності, то водневий зв'язок значно слабший від ковалентного й міцність його зменшується з підвищенням температури.

Водневий зв'язок, як вам уже відомо, відіграє важливу роль у процесі розчинення речовин, утворенні та утриманні вторинної структури білка, кристалогідратів, а також у процесах кристалізації, електролітичної дисоціації йонних і ковалентних полярних сполук. Особливо важлива роль водневих зв'язків у живій природі, адже вони наявні в молекулах не тільки білків, а й нуклеїнових кислот, гормонів, вітамінів та інших біологічно важливих речовин.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

Водневий зв'язок — електростатична взаємодія в молекулах або між молекулами за участю атомів Гідрогену. Виникає в речовинах, молекули яких містять атом Гідрогену й атоми елементів, що проявляють значно більшу електронегативність.

• Розрізняють міжмолекулярний та внутрішньомолекулярний водневий зв'язок.

Міжмолекулярний водневий зв'язок спостерігається між молекулами води, спиртів (етанолу), між спиртами та водою. Механізм міжмолекулярної взаємодії у воді полягає в притягуванні атомами Гідрогену однієї молекули атомів Оксигену іншої молекули. Утворюються асоційовані молекули (асоціати).

• У спиртах асоціація виникає між атомом Гідрогену гідроксильної групи однієї молекули й атомом Оксигену гідроксильної групи іншої молекули.

• Під час розчинення спиртів у воді утворюються асоціати між атомом Гідрогену молекули спирту, що має частковий позитивний заряд, та атомом Оксигену молекули води, на якому сконцентрований частковий негативний заряд.

Внутрішньомолекулярний водневий зв'язок виникає в молекулах неорганічних та органічних речовин. В органічних речовинах на утворення цього зв'язку впливають характеристичні групи, у яких наявна поляризація зв'язку.

Водневий зв'язок впливає на фізичні властивості речовин. Речовини з водневим зв'язком мають значно вищі температури кипіння.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Поясніть, який зв'язок називають водневим.
  • 2. Поясніть механізм утворення асоціатів між молекулами: а) води; б) етанолу; в) етанолу та води.
  • 3. Охарактеризуйте внутрішньомолекулярний водневий зв'язок.
  • 4. Спрогнозуйте фізичні властивості речовин, що подані формулами NH3, Сl2, ZnCl2, на основі їхньої будови.
  • 5. Укажіть сполуку, здатну до утворення водневого зв'язку.

А КВr

Б H2O

В FeCl2

Г Br2

  • 6. Оцініть роль водневого зв'язку в живій природі.