§ 6. Водородная химическая связь

Определения и обозначения

Водородная химическая связь — притяжение между атомом водорода, связанным с электроотрицательным атомом, и другим электроотрицательным атомом. Она обозначается пунктиром, например O—H···O. Это понятие помогает объяснить свойства веществ, которые нельзя понять только по составу молекул.

Донор водородной связи — электроотрицательный атом, соединённый с водородом полярной ковалентной связью. Он как бы предоставляет для взаимодействия свой частично положительный атом водорода. По донору можно определить, способна ли молекула отдавать водородную связь.

Акцептор водородной связи — электроотрицательный атом с неподелённой электронной парой. Эта пара притягивает частично положительный водород другой частицы. Понятие акцептора нужно, чтобы установить, с каким именно атомом может взаимодействовать донор.

Межмолекулярная связь возникает между разными молекулами, а внутримолекулярная — между участками одной молекулы. В первом случае молекулы объединяются в ассоциаты, во втором меняется и закрепляется форма отдельной частицы. Такое различие помогает правильно объяснять физические свойства и строение веществ.

Как это устроено

В связях H—F, H—O и H—N общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому. Поэтому этот атом получает частичный отрицательный заряд, а водород, лишившийся части электронной плотности, — частичный положительный заряд δ⁺. Чем сильнее такое разделение зарядов, тем заметнее притяжение водорода к соседним частицам.

Положительно поляризованный водород одной молекулы притягивается к электроотрицательному атому другой молекулы. Между ними возникает направленное взаимодействие, которое записывают, например, как O—H···O. Оно не создаёт новую обычную общую электронную пару между двумя атомами, а в основном имеет электростатическую природу.

Для водородной связи нужны сразу три условия: донор, акцептор и неподелённая электронная пара. Донор создаёт поляризованный водород, а акцептор обеспечивает область повышенной электронной плотности. Если нет хотя бы одного из этих элементов, нужного притяжения не возникает или оно становится слишком слабым для характерной водородной связи.

Ковалентная связь образуется общими электронными парами между атомами и обычно прочнее водородной. Водородная связь возникает между уже существующими полярными участками, имеет выраженную направленность и зависит от расстояния и взаимной ориентации частиц. Поэтому отдельная водородная связь сравнительно легко разрывается, но множество таких связей заметно укрепляет вещество.

Вода образует сеть связей O—H···O, поэтому для разделения её молекул требуется много энергии и температура кипения оказывается высокой. Во фтороводороде сильная поляризация связи H—F приводит к объединению молекул в цепочки. Аммиак тоже образует водородные связи, хотя они слабее, а в белках и ДНК такие взаимодействия поддерживают определённые участки пространственной структуры.

Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь

Пользуясь таблицей, сначала найдите донор и акцептор, а затем определите, принадлежат ли они одной молекуле. Если частицы разные, ожидайте ассоциации и изменения физических свойств вещества. Если участки соединены одной молекулой, ищите влияние на её форму.

Разбор задач

Какие частицы могут образовать водородную связь?

Условие. Определите, какие частицы из HCl, H₂O, NH₃, CH₄ и HF способны образовывать водородные связи. Нужно проверить не просто наличие водорода, а тип связи с ним и наличие акцептора.

1. Ищем в составе молекулы связь H—F, H—O или H—N, которая создаёт донора.
2. Проверяем, есть ли у электроотрицательного атома неподелённая электронная пара, способная принять водородную связь.
3. У HCl связь полярна, но в школьном курсе её не относят к типичным водородным связям; в CH₄ связь C—H недостаточно полярна.

Ответ: водородные связи образуют H₂O, NH₃ и HF. Молекулы HCl и CH₄ в данном школьном приближении не рассматриваются как типичные участники таких связей.

Почему вода кипит при сравнительно высокой температуре?

Условие. Объясните необычно высокую температуру кипения воды по сравнению с близкими по составу соединениями. Причину нужно связать не с массой молекулы, а с особенностями её взаимодействия с соседями.

1. В каждой молекуле воды есть две полярные связи O—H, поэтому атомы водорода являются донорами.
2. Кислород имеет неподелённые электронные пары и может быть акцептором.
3. Молекулы образуют разветвлённую сеть O—H···O, разрыв которой требует значительной энергии.

Ответ: высокая температура кипения воды объясняется развитой сетью межмолекулярных водородных связей. При кипении нужно разрушить эту сеть и перевести молекулы в пар.

Этанол и диэтиловый эфир

Условие. Сравните растворимость в воде и температуры кипения этанола и диэтилового эфира. Объясните различие строением молекул и способностью образовывать водородные связи.

1. В этаноле есть группа O—H: её водород является донором, а кислород — акцептором.
2. В диэтиловом эфире есть атом кислорода с неподелёнными парами, но отсутствует связь O—H, поэтому молекула является акцептором, но не донором.
3. Этанол образует с водой более развитую сеть связей и сильнее удерживает собственные молекулы, чем эфир.

Ответ: этанол обычно лучше смешивается с водой и имеет более высокую температуру кипения. У эфира водородные связи с водой возможны, но их меньше и они менее развиты, поскольку у него нет донорной группы O—H.

Типичные ошибки

Ошибка: считать водородную связь обычной ковалентной. Её допускают, потому что обе связи соединяют атомы, но водородная связь в основном основана на притяжении частичных зарядов и неподелённой пары. Проверьте себя: спросите, образуется ли новая общая электронная пара.

Ошибка: утверждать, что водородная связь возникает с любым электроотрицательным элементом. В школьном курсе прежде всего рассматривают сильно полярные связи H—F, H—O и H—N. Проверка проста: найдите конкретную связь водорода и оцените её полярность.

Ошибка: путать донора и акцептора. Донор предоставляет поляризованный атом водорода, а акцептор — неподелённую электронную пару. Чтобы не ошибиться, обозначьте направление как X—H···Y: X—H связано с донором, Y является акцептором.

Ошибка: не различать межмолекулярную и внутримолекулярную связь. Из-за этого межмолекулярное объединение молекул ошибочно принимают за изменение формы одной частицы. Проверьте расположение участников: разные молекулы означают межмолекулярную, одна — внутримолекулярную связь.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны электроотрицательность, полярность ковалентной связи, частичные заряды и неподелённые электронные пары. Эти понятия показывают, почему один атом становится донором, а другой — акцептором.

Водородные связи помогают объяснить свойства воды, спиртов, карбоновых кислот и других молекулярных веществ. С их помощью можно связать строение частиц с растворимостью, температурами кипения и плавления.

В биологии такие связи объясняют строение белков и двойной спирали ДНК. В растворах они влияют на взаимное расположение и устойчивость молекул.

Что запомнить

• Водородная связь возникает при участии атома водорода, связанного с сильно электроотрицательным атомом.
• Главные доноры водородной связи в школьном курсе — группы H—F, H—O и H—N.
• Акцептором служит электроотрицательный атом с неподелённой электронной парой.
• Водородная связь слабее ковалентной, но сильнее многих обычных межмолекулярных взаимодействий.
• Межмолекулярные водородные связи объединяют молекулы в ассоциаты и влияют на температуры кипения и плавления.
• Внутримолекулярные водородные связи стабилизируют определённую форму молекулы.
• Водородные связи имеют большое значение для свойств воды и строения биомолекул.