Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 8. Водневий зв'язок

Пригадайте: донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку (за § 7).

Механізм утворення водневого зв'язку

У багатьох речовинах існує особливий тип хімічного зв’язку — водневий. У 9 класі ви вивчали, що водневий зв’язок є міжмолекулярним, тобто утворюється між молекулами (або між частинами однієї молекули).

Розгляньмо утворення водневого зв’язку на прикладі молекул води. У молекулі води між атомами Оксигену та Гідрогену зв’язок ковалентний. Через значну різницю електронегативностей (ΔΕΗ = 3,44 - 2,20 = 1,24) цей зв’язок дуже полярний. Унаслідок цього на атомах Гідрогену наявний позитивний заряд і дефіцит електронної густини, а в атома Оксигену заряд негативний і є дві неподілені електронні пари:

Неподіленими електронними парами атом Оксигену притягується до атомів Гідрогену інших молекул води, і між молекулами води виникає додаткова взаємодія — водневий зв’язок — який позначають крапками:

Водневий зв’язок має частково електростатичний характер, а частково — донорно-акцепторний (мал. 8.1, с. 24).

Мал. 8.1. Властивості водневого зв'язку

Отже, молекула певної речовини утворює водневий зв’язок за наявності неподілених електронних пар на одному з атомів та за наявності дуже полярного зв’язку з одним із атомів Гідрогену.

Водневий зв'язок — це взаємодія атома Гідрогену однієї молекули (або її частини), сполученого з дуже електронегативним атомом, із дуже електронегативним атомом іншої молекули.

Водневий зв’язок утворюється атомами Гідрогену здебільшого з атомами Оксигену, Флуору та Нітрогену. Атоми цих елементів мають велику електронегативність і невеликі розміри. Водневий зв’язок атомів Гідрогену з атомами більшого розміру, як, приміром, з атомами Хлору або Сульфуру, значно слабший, хоча за електронегативністю ці елементи близькі до Нітрогену.

Водневі зв'язки в різних речовинах

Водневий зв’язок утворюється не лише між молекулами води, а й між молекулами інших речовин. Відрізнити такі речовини можна за їхньою хімічною формулою. Якщо в молекулі речовини є групи -ОН або -ΝΗ₂, то з великою ймовірністю такі молекули утворюють водневі зв’язки. Так, молекули спиртів та карбонових кислот, у яких наявна група -ОН, утворюють водневі зв’язки між собою, а також із молекулами води (мал. 8.2).

Мал. 8.2. Водневі зв'язки можуть утворюватися як між молекулами однієї речовини, так і між молекулами різних речовин

Водневий зв’язок може існувати не тільки між молекулами, а й усередині однієї молекули між різними її частинами. Наприклад, у молекулі саліцилової кислоти (з якої синтезують аспірин) водневий зв’язок утворюється між гідроксильною та карбоксильною групами однієї молекули (мал. 8.3a). Також наявність водневих зв’язків характерна для білків і нуклеїнових кислот. Завдяки утворенню водневих зв’язків стабілізується вторинна структура білків (мал. 8.3б) і реалізується можливість існування молекул ДНК у вигляді подвійної спіралі (мал. 8.3в).

Мал. 8.3. Водневі зв'язки в саліциловій кислоті (а), білку (б) та нуклеїновій кислоті (в)

Водневий зв'язок:

• є міжмолекулярним і значно посилює притягання молекул;
• зумовлює підвищення температури кипіння;
• зумовлює підвищення розчинності речовин у воді.

Вплив водневого зв'язку на властивості речовин

Водневий зв’язок не такий міцний, як ковалентний. Якщо енергія одинарного ковалентного зв’язку становить близько 250-400 кДж/моль, то енергія водневого зв’язку — 10-30 кДж/моль.

Але, незважаючи на невелику енергію водневих зв’язків, вони суттєво впливають на фізичні властивості речовин. Можливістю утворення водневого зв’язку з молекулами інших речовин, які також здатні їх утворювати, пояснюється велика розчинність багатьох речовин у воді: спирту, цукру, ацетону, етанової кислоти тощо. Речовини, в яких існує водневий зв’язок між молекулами, мають температуру кипіння набагато вищу, ніж речовини з молекулярними кристалічними ґратками і близькими значеннями молярної маси, але без водневих зв’язків:

Утворення водневих зв’язків у напрямку неподіленої електронної пари зумовлює чітку структуру молекул води у твердому агрегатному стані (мал. 8.4). У рідкій воді водневі зв’язки частково руйнуються, тому під час плавлення вода дещо стискається, бо густина рідкої води трохи більша за густину льоду.

Мал. 8.4. Кристалічні ґратки твердої води: кожна молекула утворює по чотири водневі зв'язки із сусідніми молекулами

Наявність водневих зв’язків зумовлює сильний поверхневий натяг води, завдяки чому багато комах здатні переміщатися по воді. Наявність додаткового зв’язування молекул водневими зв’язками також зумовлює аномально високу теплоємність води: щоб пришвидшити тепловий рух, молекулам необхідно надати значно більше теплоти. Така особливість води має велике значення для формування клімату на Землі. Поблизу морів та океанів клімат м’якший, ніж у центрі континентів.

Завдяки утворенню водневих зв’язків між різними надмолекулярними комплексами можливі процеси реплікації нуклеїнових кислот та синтез білків у рибосомах.

Ключова ідея

Водневий зв'язок — особливий тип міжмолекулярної взаємодії. Він має надзвичайне значення для появи й існування життя на Землі та для існування біологічно важливих речовин.

Запитання та завдання

41. Дайте визначення водневого зв'язку. Завдяки чому він утворюється?

42. Як впливає наявність водневого зв'язку у воді та спиртах на їхні фізичні властивості?

43. Схарактеризуйте, як можливість утворення водневого зв'язку впливає на: а) розчинність речовин у воді, б) теплоємність речовин; в) поверхневий натяг води.

44. Назвіть основні властивості водневого зв'язку.

45. Порівняйте наведені в тексті параграфа молекулярні маси сполук та їхні температури кипіння. Який факт свідчить про наявність водневого зв'язку між молекулами води?

46. Зобразіть утворення водневого зв'язку між молекулами: а) води й амоніаку; б) етанолу і води; в) етанової кислоти і води; г) етанолу й етанової кислоти.