Водородная химическая связь

Определения и обозначения

Водородная химическая связь — межмолекулярное или внутримолекулярное взаимодействие с участием атома водорода, ковалентно связанного с сильно электроотрицательным атомом. Иными словами, это притяжение, в котором участвует водород из полярной связи, чаще всего H–F, H–O или H–N. Определение помогает отличить такое взаимодействие от обычной ковалентной связи между атомами.

Межмолекулярная водородная связь — притяжение между атомом водорода одной частицы и электроотрицательным атомом другой частицы. Например, молекулы воды могут связываться друг с другом таким способом. Термин нужен, чтобы описывать взаимодействия, объединяющие отдельные молекулы в жидкость или кристалл.

Внутримолекулярная водородная связь — взаимодействие между группами одной молекулы, приводящее к образованию замкнутого фрагмента. В результате удалённые в формуле группы могут сблизиться в пространстве, если строение молекулы это позволяет. Это понятие важно при объяснении формы и устойчивости молекул.

Донор водородной связи — группа с атомом водорода, ковалентно связанным с электроотрицательным атомом и участвующим в образовании связи. Такой водород становится участником притяжения с электронной парой другого атома. Понятие «донор» помогает указать, какая группа предоставляет водород для взаимодействия.

Как это устроено

Для возникновения водородной связи водород должен быть связан с сильно электроотрицательным атомом, обычно F, O или N. Электроотрицательность — способность атома притягивать общие электроны к себе; у этих элементов она велика. Электронная плотность в связи смещается от водорода, поэтому на нём появляется частичный положительный заряд, а у электроотрицательного атома — частичный отрицательный. Без такого сильного смещения притяжение водорода к другому атому обычно недостаточно для образования характерной водородной связи.

Частично положительный водород притягивается к неподелённой электронной паре электроотрицательного атома. Неподелённая пара — электроны, принадлежащие одному атому и не участвующие в ковалентной связи; именно она может взаимодействовать с водородом соседней группы. Так возникает притяжение между донором и акцептором, которое слабее обычной ковалентной связи. На схемах его часто показывают пунктиром: H–O···O, где сплошная линия обозначает ковалентную связь, а пунктир — водородную.

Различие между двумя видами связи определяется не тем, какие именно элементы участвуют, а тем, к каким молекулам принадлежат взаимодействующие группы. Если водород одной частицы притягивается к электроотрицательному атому другой, связь межмолекулярная. Если донор и акцептор входят в состав одной молекулы и могут сблизиться при её изгибе, взаимодействие внутримолекулярное. Такое сближение иногда создаёт замкнутый фрагмент, поэтому для внутримолекулярной связи нужно учитывать не только формулу, но и пространственное строение.

Молекулы воды образуют между собой сеть водородных связей благодаря полярным связям O–H и неподелённым парам кислорода. При плавлении и особенно при кипении часть этих взаимодействий приходится ослабить, на что затрачивается энергия. Поэтому температуры плавления и кипения воды выше, чем можно было бы ожидать при сравнении с веществами сходной молекулярной массы, например с сероводородом. Водородные связи не меняют массу отдельной молекулы воды, но влияют на то, сколько энергии нужно, чтобы разделить молекулы.

В биомолекулах водородные связи помогают удерживать определённое взаимное расположение частей структуры. Например, в ДНК они соединяют комплементарные участки двух цепей: азотистые основания подходят друг к другу по строению и образуют между собой водородные связи. Каждая связь сравнительно слаба, но множество взаимодействий вместе стабилизирует двойную спираль. При этом цепи могут разъединяться, когда связи ослабевают, что необходимо для процессов копирования ДНК.

Виды водородной связи и их особенности

Пользуйся таблицей, сначала выясняя, принадлежат ли донор и акцептор одной молекуле. Затем определи, какие группы взаимодействуют и какое следствие можно ожидать. Один и тот же тип притяжения может влиять либо на свойства вещества в целом, либо на форму отдельной молекулы.

Разбор задач

Задача 1

Укажите, какие из веществ H₂O, CH₄, NH₃ могут образовывать водородные связи между своими молекулами. Обоснуйте ответ.

1. Проверяем, связан ли водород в молекуле с электроотрицательным атомом F, O или N. Для образования связи нужно также, чтобы рядом была неподелённая электронная пара акцептора.
2. В H₂O атомы водорода связаны с кислородом, а у кислорода есть неподелённые электронные пары. Поэтому водород одной молекулы воды может притягиваться к кислороду другой.
3. В NH₃ водород связан с азотом, а атом азота имеет неподелённую электронную пару. Молекулы аммиака способны образовывать водородные связи между собой.
4. В CH₄ водород связан с углеродом, а такая связь не создаёт необходимого сильного смещения электронной плотности. Углерод в метане также не предоставляет подходящей неподелённой пары для этого взаимодействия.

Ответ: водородные связи между своими молекулами могут образовывать H₂O и NH₃, но не CH₄.

Задача 2

Сравните температуры кипения воды и сероводорода. Объясните, почему вода кипит при более высокой температуре.

1. Обе молекулы имеют сходные формулы, но способность их частиц притягиваться друг к другу различается. Сравниваем не только состав, но и межмолекулярные взаимодействия.
2. В воде есть полярные связи O–H, а атом кислорода сильно электроотрицателен и имеет неподелённые электронные пары. Это позволяет молекулам воды связываться водородными связями.
3. В сероводороде связи H–S не дают столь выраженного смещения электронной плотности, как связи H–O, поэтому устойчивой сети водородных связей между молекулами не возникает.
4. При кипении воды требуется затратить энергию, чтобы ослабить притяжение между молекулами. У сероводорода такой дополнительной затраты на разрушение водородных связей нет.

Ответ: вода кипит при более высокой температуре, поскольку её молекулы соединены межмолекулярными водородными связями.

Задача 3

На схеме фрагмента молекулы найдите группы, способные образовать внутримолекулярную водородную связь, и покажите её пунктиром.

1. Найдите донор: группу, в которой водород ковалентно связан с электроотрицательным атомом, например –OH или –NH. Этот водород должен иметь частичный положительный заряд.
2. Найдите возможный акцептор — электроотрицательный атом, например O или N, с неподелённой электронной парой. Затем убедитесь, что донор и акцептор принадлежат одной молекуле.
3. Оцените пространственное расположение групп по схеме. Если они могут сблизиться без невозможного изгиба молекулы, взаимодействие возможно; если они далеко и не могут приблизиться, одной подходящей формулы недостаточно.
4. Проведите пунктир от водорода до акцепторного атома, не заменяя им сплошную ковалентную связь внутри донорной группы. Проверьте, что получившийся фрагмент замкнут и группы не относятся к разным молекулам.

Ответ: внутримолекулярную связь обозначают пунктиром между подходящим водородом донора и акцептором той же молекулы; без конкретной схемы назвать атомы невозможно.

Типичные ошибки

Ошибка — считать водородной связью любое взаимодействие, в котором участвует водород. Так думают, потому что название связи может показаться достаточным признаком. Проверь, связан ли водород с сильно электроотрицательным атомом и притягивается ли к неподелённой электронной паре другого атома. Если этих условий нет, не называй взаимодействие водородной связью.

Ошибка — называть водородную связь обычной ковалентной связью. Путаница возникает потому, что водородная связь тоже связывает частицы, а на схемах рядом могут стоять сплошная и пунктирная линии. Сверяй обозначения: общую электронную пару между атомами показывают сплошной линией, а водородное притяжение обычно пунктиром. Их природа и сила различаются.

Ошибка — путать межмолекулярную и внутримолекулярную связи. В обоих случаях участвуют донор и акцептор, поэтому по одним названиям групп тип не определить. Проследи, к каким молекулам относятся оба участника: разные молекулы означают межмолекулярную связь, одна и та же — внутримолекулярную. Для последней дополнительно проверь, могут ли группы сблизиться в пространстве.

Ошибка — считать водородную связь сильнее ковалентной. Её заметное влияние на свойства воды или биомолекул может создать такое впечатление, особенно когда взаимодействий много. Сравнивай одну водородную связь с одной ковалентной, а затем учитывай суммарный эффект множества связей. Водородная связь слабее ковалентной, хотя вместе такие связи способны существенно стабилизировать структуру.

Связь с другими темами

Чтобы объяснить появление водородной связи, нужно знать электроотрицательность, полярную ковалентную связь и частичные заряды: они показывают, почему водород становится частично положительным. Также понадобится понятие неподелённой электронной пары, к которой он притягивается. Эти знания помогают разбирать свойства воды и растворов, где межмолекулярные взаимодействия влияют на поведение вещества. В биологии и химии биомолекул водородные связи объясняют устойчивость пространственной структуры белков и нуклеиновых кислот.

Что запомнить

• Водородная связь возникает с участием атома водорода, связанного с электроотрицательным атомом.
• Важные атомы для образования водородных связей — F, O и N.
• Водородную связь часто обозначают пунктиром.
• Межмолекулярная связь возникает между разными молекулами, внутримолекулярная — внутри одной.
• Водородная связь слабее ковалентной.
• Водородные связи влияют на физические свойства веществ и устойчивость биомолекул.