§ 12. Водородная связь

Определения и обозначения

Водородная связь — особое взаимодействие атома водорода, ковалентно связанного с электроотрицательным атомом, с другим электроотрицательным атомом, имеющим неподелённую электронную пару. Обычно её обозначают пунктиром: X—H···Y. Такое обозначение помогает не путать водородную связь с обычной ковалентной связью.

Межмолекулярная водородная связь возникает между разными молекулами. В воде атом H одной молекулы притягивается к неподелённой электронной паре атома O другой: O—H···O. Пунктир показывает именно дополнительное взаимодействие между молекулами, а не новую общую электронную пару.

Внутримолекулярная водородная связь образуется между группами, принадлежащими одной молекуле. Для неё недостаточно наличия групп X—H и Y: они должны оказаться на подходящем расстоянии и быть правильно ориентированы. Такая связь может закреплять определённую форму молекулы.

Донор водородной связи предоставляет атом водорода, соединённый с электроотрицательным атомом. Акцептор предоставляет неподелённую электронную пару другого электроотрицательного атома. Разделение этих ролей позволяет быстро определить, какая частица отдаёт H, а какая принимает его через своё электронное облако.

Как это устроено

Полярность связи X—H появляется из-за разной электроотрицательности атомов. Электроотрицательный атом сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому около него возникает частичный отрицательный заряд, а у водорода — частичный положительный. Обозначают такие заряды символами δ− и δ+; они не являются полноценными ионами.

Частично положительный водород притягивается к неподелённой электронной паре соседнего электроотрицательного атома. Электронная пара создаёт область повышенной электронной плотности, поэтому взаимодействие имеет электростатическую природу. Чем удачнее ориентированы донор X—H и акцептор Y, тем заметнее притяжение; поэтому водородная связь направлена.

Водородная связь обычно слабее ковалентной, потому что не образует полноценную общую электронную пару между атомами. Однако она может многократно повторяться: одна молекула способна быть донором и акцептором одновременно. Поэтому суммарное действие множества таких связей становится значительным.

Межмолекулярные водородные связи объединяют отдельные молекулы в ассоциаты — временные группы связанных частиц. В жидкой воде молекулы постоянно образуют и разрывают связи, но общее притяжение сохраняется. Чтобы перевести воду в пар, требуется энергия не только для движения молекул, но и для ослабления этих связей, поэтому температура кипения воды выше ожидаемой для лёгкого вещества.

Внутримолекулярная связь возникает, когда донорная и акцепторная группы одной молекулы сближаются из-за её строения. Если группы удалены или направлены неудобно, взаимодействие становится слабым либо не возникает. Образовавшаяся связь может стабилизировать одну пространственную форму молекулы и тем самым менять её растворимость, реакционную способность и другие свойства.

Виды водородной связи и их проявления

При заполнении таблицы сначала найдите донорную связь X—H, затем — атом-акцептор с неподелённой парой. После этого определите, принадлежат ли обе группы одной молекуле или разным частицам.

Пунктир O—H···O или N—H···O обозначает водородное взаимодействие, а сплошная линия X—H — ковалентную связь. Для объяснения свойства вещества нужно учитывать не только наличие связи, но и число таких взаимодействий и их взаимное расположение.

Разбор задач

Задача 1

Укажите, между какими частицами образуется водородная связь в жидкой воде, и обозначьте её схематически. Нужно различить ковалентную связь внутри молекулы и дополнительное притяжение между молекулами. Ищем в одной молекуле воды связь O—H, а в другой — неподелённую пару кислорода.

1. Атом O сильнее притягивает общую электронную пару в связи O—H, поэтому H становится частично положительным.
2. Атом O соседней молекулы имеет неподелённые электронные пары и может быть акцептором.
3. Записываем ковалентную связь сплошной линией, а водородную — пунктиром: H—O···H—O.

Ответ: водородная связь образуется между атомом H одной молекулы H₂O и атомом O другой молекулы: O—H···O.

Задача 2

Сравните температуры кипения воды и сероводорода и объясните, почему вода кипит при более высокой температуре. По одной только молярной массе ожидание может быть ошибочным, поэтому сравним межмолекулярные взаимодействия. В воде они сильнее влияют на разделение молекул при кипении.

1. В молекуле H₂O связь O—H сильно полярна, а атом кислорода имеет неподелённые пары.
2. Молекулы воды образуют сеть водородных связей O—H···O.
3. Для перехода воды в пар нужно затратить энергию на преодоление этого дополнительного притяжения; у H₂S водородные связи выражены значительно слабее.

Ответ: вода имеет более высокую температуру кипения, потому что её молекулы соединены прочными межмолекулярными водородными связями.

Задача 3

В ряду HF, HCl, HBr и HI объясните необычно высокую температуру кипения HF. У галогеноводородов обычно температура кипения возрастает с увеличением молярной массы из-за усиления дисперсионного притяжения. HF отклоняется от этой тенденции из-за особого межмолекулярного взаимодействия.

1. Связь H—F очень полярна, поскольку фтор обладает высокой электроотрицательностью.
2. Фтор имеет неподелённые электронные пары, поэтому молекулы HF могут образовывать связи H—F···H—F.
3. Энергия, необходимая для разделения ассоциированных молекул HF, повышает его температуру кипения сильнее, чем это предсказывает одна молярная масса.

Ответ: HF кипит при необычно высокой температуре относительно HCl, HBr и HI благодаря межмолекулярным водородным связям.

Типичные ошибки

Любая связь с водородом считается водородной. Так ошибаются, потому что название связи воспринимают слишком буквально. Проверьте наличие полярной связи X—H и отдельного электроотрицательного акцептора с неподелённой парой.

Водородную связь путают с ковалентной X—H. Обе связи могут изображаться рядом, но ковалентная находится внутри молекулы, а водородная обычно обозначается пунктиром между частицами. Проверьте, соединяет ли линия общие электроны атомов или показывает притяжение H к неподелённой паре.

Считают, что водородная связь всегда соединяет разные молекулы. Ошибка возникает из-за наиболее знакомого примера с водой. Если донорная и акцепторная группы принадлежат одной молекуле и расположены подходящим образом, связь будет внутримолекулярной.

Высокую температуру кипения объясняют только молярной массой. Молярная масса влияет на межмолекулярное притяжение, но не отменяет роль водородных связей. Сравнивая вещества, отдельно проверьте, есть ли у их молекул доноры и акцепторы.

Связь с другими темами

Для понимания водородной связи нужны знания об электроотрицательности, полярности ковалентной связи, частичных зарядах и неподелённых электронных парах. Эти понятия позволяют определить донор и акцептор, а также объяснить появление притяжения между ними.

Тема помогает объяснять необычные физические свойства воды и других веществ. В биологии водородные связи участвуют в формировании пространственной структуры белков и соединении комплементарных участков нуклеиновых кислот.

Что запомнить

• Водородная связь связана с полярной связью X—H.
• Водород в связи X—H имеет частичный положительный заряд.
• Акцептор водородной связи предоставляет неподелённую электронную пару.
• Водородная связь слабее ковалентной, но влияет на свойства вещества.
• Связь может быть межмолекулярной или внутримолекулярной.
• Межмолекулярные водородные связи могут повышать температуру кипения вещества.