§ 5. Поняття про водневий зв'язок

Пригадайте: як утворюється ковалентний зв'язок.

Поняття про водневий зв'язок

Завдяки полярності й електронній будові молекул води між ними утворюється особливий тип хімічного зв’язку — водневий. На відміну від уже відомих вам типів хімічного зв’язку, водневий зв’язок є міжмолекулярним, тобто утворюється між молекулами.

Пригадаємо електронну будову молекули води, яку ми розглянули ще у 8 класі: під час утворення молекули води між атомами Оксигену й Гідрогену утворюються дві спільні електронні пари, які зумовлюють ковалентний зв’язок у молекулі води. При цьому в атома Оксигену ще залишаються дві неподілені електронні пари:

Ці електронні пари утворюють підвищену електронну густину навколо атома Оксигену й дозволяють йому взаємодіяти з іншими частинками (йонами або молекулами), у яких «дефіцит» електронної густини. У молекулі води зв’язок між атомом Гідрогену й Оксигену дуже полярний, тобто спільні електронні пари значно зміщені в бік атома Оксигену. Завдяки цьому на атомах Гідрогену відчувається «дефіцит» електронів і виникає певний позитивний заряд.

Отже, між атомом Оксигену однієї молекули води та атомом Гідрогену іншої молекули виникає додаткова взаємодія:

Таку взаємодію називають водневим зв’язком і позначають рядом крапок (мал. 5.1). Цей зв’язок не такий міцний, як ковалентний, але достатній, щоб утримувати молекули води разом на певній відстані.

Мал. 5.1. Атоми Гідрогену й Оксигену в молекулі води утворюють водневі зв'язки із сусідніми молекулами

Водневий зв'язок — це взаємодія атома Гідрогену, сполученого з електронегативним атомом (Оксигену, Нітрогену або Флуору), однієї молекули зі значно електронегативним атомом іншої молекули.

Вплив водневого зв'язку на фізичні властивості речовин

У воді атом Оксигену завдяки двом неподіленим електронним парам утворює зв’язки з атомами Гідрогену двох сусідніх молекул води. У свою чергу атоми Гідрогену цієї молекули утворюють зв’язки з атомами Оксигену інших молекул води (мал. 5.2). У такий спосіб кожна молекула води може утворити по чотири водневі зв’язки з іншими молекулами води. Це зумовлює специфічні властивості води: у твердому стані густина льоду менша порівняно з рідкою водою, тому під час замерзання вода розширюється (мал. 5.3).

Мал. 5.2. Кристалічні ґратки твердої води: кожна молекула утворює по чотири водневі зв'язки із сусідніми молекулами

Мал. 5.3. У рідкій воді молекули води розташовані невпорядковано та близько одна до одної; у льоду молекули розташовані впорядковано й на більшій відстані, тому лід легший за воду (а). Під час замерзання вода розширюється, внаслідок чого закрита скляна пляшка з водою в морозилці лопається (б)

Завдяки додатковому зв’язуванню молекул водневими зв’язками вода виявляє певні аномальні фізичні властивості. Так, молекулярні речовини з невеликими молекулярними масами характеризуються низькими температурами кипіння та плавлення. Але завдяки водневим зв’язкам у води аномальна висока температура кипіння (М_r = 18, t_кип_. = +100 °С) порівняно, наприклад, із киснем (М_r = 32, t_кип_. = -183 °С), гідроген сульфідом (М_r = 34, t_кип_. = -60,8 °С), гідроген йодидом (М_r = 128, t_кип_. = -35,4 °С). Серед цих речовин у води молекули найлегші, а температура кипіння — найбільша, оскільки на руйнування додаткової взаємодії потрібна додаткова енергія (додаткове нагрівання). Наявність водневих зв’язків зумовлює великий поверхневий натяг води, завдяки чому багато комах здатні переміщатися по воді.

Можливістю утворення водневих зв’язків з молекулами інших речовин, що також здатні утворювати такі зв’язки, пояснюється добра розчинність багатьох речовин у воді: спирту, цукру, ацетону, оцтової кислоти тощо.

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’якіший, ніж у центрі континентів.

Водневий зв’язок можуть утворювати не тільки молекули води, а й молекули інших речовин: неорганічних (гідроген флуориду HF, амоніаку ΝΗ₃тощо) та органічних (етилового спирту, ацетону, оцтової кислоти тощо), що зумовлює їхню добру розчинність у воді.

Завдяки водневим зв’язкам молекули білків та нуклеїнових кислот мають спіральну будову, про що ви докладніше дізнаєтеся на уроках біології та під час вивчення органічної хімії.

Ключова ідея

Водневий зв'язок — особливий тип міжмолекулярної взаємодії. Наявність водневих зав'язків зумовлює аномальні фізичні властивості води, а також розчинність багатьох речовин.

Контрольні запитання

54. Який зв'язок називають водневим? Завдяки чому він утворюється?
55. Як впливає наявність водневого зв'язку на фізичні властивості води?
56. Порівняйте наведені в тексті параграфа молекулярні маси сполук та їхні температури кипіння. Який факт свідчить про наявність водневого зв'язку між молекулами води?
57. Як ви вважаєте, чому можливість утворення водневого зв'язку впливає на розчинність речовин та теплоємність і поверхневий натяг води?

Завдання для засвоєння матеріалу

58*. Використовуючи пластилін або інший матеріал, виготовте моделі молекул води та з'єднайте їх водневими зв'язками, як показано на малюнку 5.2. За можливості створіть комп'ютерну модель.

59*. Знайдіть інформацію щодо впливу водневого зв'язку на фізичні властивості речовин та його роль у біологічних системах.