УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14/2003

§ 4.11. Водородная связь

Водородная связь встречается в системах с участием воды и в самой воде. Водородная связь обусловливает протекание биологических процессов и существование живых организмов. Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – носитель генетической (наследственной) информации – состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи удерживаются в виде спирали благодаря многочисленным водородным связям между составляющими их аминокислотами.

В ряду соединений с водородом элементов VI группы – Н₂О–Н₂S–H₂Se–Н₂Те – температура плавления возрастает почти линейно для трех последних веществ (рис. 4.22). Если бы зависимость температуры плавления от номера периода сохранялась по всей группе, то лед плавился бы (пунктирная линия) примерно при температуре 170 К (–100 °С). Однако температура плавления льда нарушает ожидаемую закономерность – она почти на 100 °С выше (273 К, или 0 °С). По-видимому, это связано со значительно более прочной кристаллической решеткой льда по сравнению с кристаллическими решетками других гидридов.

Рис. 4.22. Температура плавления соединений элементов VI группы периодической системы с водородом

Повышенная прочность кристаллической воды обусловлена двумя главными причинами: первая – угол между связями в молекуле воды благодаря
sр³-гибридизации внешних электронных оболочек атома кислорода близок к тетраэдрическому углу (109,5°), в то время как в молекулах остальных гидридов VI группы углы близки к 90°; вторая – образование водородных связей между молекулами воды.
Возникновение такой связи обусловлено тем, что электронное облако атома водорода в молекуле воды смещено к ядру атома кислорода, благодаря чему имеется дополнительная возможность для взаимодействия протона с еще одним атомом кислорода другой молекулы воды. Таким образом, атом водорода в структуре воды образует одну прочную ковалентную связь с ближайшим атомом кислорода и одну более слабую, водородную, связь с атомом кислорода соседней молекулы воды.
Атом кислорода в молекуле воды имеет две sр³-гибридные орбитали, заполненные парами электронов, которые он и поставляет для образования двух водородных связей. Таким образом, каждая молекула воды связана с четырьмя другими молекулами воды. Следовательно, водородная связь между молекулами воды обусловлена акцепторным характером протона и донорным поведением отрицательно заряженного атома кислорода.
В кристаллической структуре льда каждая молекула воды образует четыре связи с соседними молекулами воды за счет своих двух атомов водорода и двух гибридных орбиталей атома кислорода, имеющих по паре электронов. Все четыре связи между молекулами кристаллической воды равноценны. Структуру льда можно представить в виде структуры алмаза, если атомы углерода заменить молекулами воды. Угол между связями всех молекул воды почти равен тетраэдрическому.
Водородные связи проявляются также в жидкой воде. Вода кипит при сравнительно высокой температуре (100 °С), что указывает на высокий уровень порядка в жидкой воде, вызванный тем, что в ней существуют «осколки льда» (Н₂О)_n, состоящие из сотен молекул воды. Даже в газовой фазе ассоциация молекул воды сохраняется, и там обнаружены частицы из нескольких молекул воды. Такова прочность водородных связей между молекулами воды!
Водородные связи образуются также между молекулами аммиака NH₃ и фтороводорода HF, но структуры этих веществ (кристалл, жидкость) менее прочны. Это вызвано не слабостью водородных связей между их молекулами, а их числом. В жидком аммиаке от каждой молекулы исходит три связи, что обусловливает плоскостную структуру связанных между собой молекул. В структуре жидкого фтороводорода одна молекула HF связана с двумя другими, и молекулы образуют зигзагообразные, вытянутые в линию цепочки.
Почему же молекулы Н₂S, H₂Se, Н₂Те и многие другие, как образующие, так и вообще не образующие водородных связей, могут существовать в жидком и кристаллическом состояниях? Что связывает эти молекулы между собой? В этих веществах значительную роль играют силы Ван-дер-Ваальса, силы притяжения электростатической природы между частицами.

Список новых и забытых понятий и слов

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Почему фтороводородная кислота HF слабее хлороводородной HCl?

Правильнее говорить, что в водном растворе фтороводородной кислоты концентрация ионов Н⁺ меньше, чем концентрация этих же ионов в аналогичном растворе хлороводородной кислоты. Почему?

2. Ниже приведены температуры кипения некоторых веществ.

Можете ли вы сказать, какие из перечисленных веществ в жидком состоянии имеют наиболее сильные водородные связи?

3. Не покажется ли вам неожиданным, что существуют вещества, обладающие более сильными водородными связями по сравнению с водой, например глицерин или растительное масло. Когда вы готовите что-нибудь в кипящем масле, вам следует помнить, что оно кипит при более высокой температуре, чем вода, потому что в нем молекулы связаны более прочными водородными связями. Когда масло кипит на сковороде, то вы «видите», как разрываются водородные связи между молекулами. Постарайтесь вспомнить формулу какой-либо органической кислоты (олеиновая, пальмитиновая) и нарисуйте на бумаге схему водородных связей, удерживающих вместе молекулы жидкого масла.

Свойства (например, вязкость) жидких органических кислот, обусловленные сильными или слабыми водородными связями, имеют большое значение при изготовлении красок для живописи и других потребностей человека.

4. Переведите на русский язык.

A hydrogen atom is normally monovalent and forms only one bond, there are certain compounds in which it appears to form two bonds. Hydrogen fluoride, for example, is known, from molecular weight measurments, to be associated, i.e. to exist as (HF)_n.
Originally, (HF)_n was formulated by assuming that hydrogen could act as acceptor and form a dative bond with fluorine acting as the donor:

There is, however, no reason to assume that a hydrogen atom can act as an acceptor in this way for it has only one stable orbit (1s) which can only hold two electrons, and the formulae written above give hydrogen four electrons.
The linkage previously represented as a dative bond is now regarded as a special type of bond known as a hydrogen bond. The mechanism of its formation is thought to be electrostatic. The bifluoride ion, for instance, is envisaged as two negatively charged fluoride ions linked together by a positively charged ion (proton). The proton is thought to be able to exert a sufficiently strong electrostatic attraction to do this because of its small size. Hydrogen bonding is, indeed, sometimes called proton bonding.
To distinguish a hydrogen bond it is best to write it as a dotted line so that the bifluoride ion becomes (F••••H–F)^–, and, in general, when a hydrogen bond links two atoms, A and B, the structure is represented as A–H••••B.
That the electrostatic mechanism for the formation of a hydrogen bond is probably correct is shown by the fact that a hydrogen bond A–H••••B is formed most easily if A and B have high electronegativities. Thus the tendency of an A–H bond to form a hydrogen bond with another atom, B, increases rapidly from C–H through N–H to F–H, and it decreases in passing from O–H to S–H or from F–H to Cl–H. This shows that the bond A–H has the greatest tendency to form hydrogen bonds when the ionic сharacter of the bond is greatest, i.e. when the bond has the greatest polar character, ⁺.
The hydrogen bond is a weak bond, the strength of the strongest being about 5–10 kcal as compared with strengths of 50–100 kcal for normal covalent bonds.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сравнение прочности водородной связи двух веществ.
Опыт 1. На металлическую или керамическую пластинку поместите рядом по капле воды и растительного масла. Начинайте нагревать пластинку. Какое вещество быстрее закипит и испарится? У какого из веществ более сильная водородная связь?
Опыт 2. Проделайте все, как в опыте 1, но вместо растительного масла возьмите глицерин.