Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 6. Водневий зв’язок

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • пояснювати утворення водневого зв’язку;
  • оцінювати на основі будови молекул води і спиртів можливість утворення водневого зв’язку між молекулами води, спиртів, води та спиртів.

Водневий зв’язок не є для вас новим поняттям. Ви вже знаєте, що утворені за рахунок спільних електронних пар зв’язки О-Н у молекулі води ковалентні полярні. Вони розміщені під кутом 104,5°, і це зумовлює асиметричність структури й виникнення диполя - системи з двох зарядів, протилежних за знаком і однакових за величиною (рис. 6.1).

Рис. 6.1. 1. Масштабна модель молекули води. 2. Схематичне зображення диполя

Експериментально пересвідчитися, що молекули води полярні, можна за допомогою простого досліду: тонка водяна цівка притягується до виробів, наелектризованих тертям (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Цівка води притягується до наелектризованої повітряної кульки. Перевірте цю інформацію експериментально

Асиметричність розподілу електричних зарядів у молекулах води є причиною утворення між ними водневих зв’язків (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Водневі зв’язки (1) між молекулами води

Водневий зв’язок - слабкий. Він утворюється між електронегативним атомом та атомом Гідрогену, що сполучений хімічним зв’язком з іншим електронегативним атомом. Обидва електронегативні атоми здебільшого є атомами хімічних елементів другого та третього періодів періодичної системи. Ідеться про атоми Нітрогену, Оксигену, Флуору. Переважно водневий зв’язок - це електростатична взаємодія. Її підсилюють малий розмір атомів Гідрогену, що вможливлює зближення диполів, які взаємодіють. Водневі зв’язки є причиною аномально високих (порівняно з леткими сполуками інших елементів VIA групи періодичної системи) температур кипіння та плавлення води, а також деяких інших летких сполук з Гідрогеном (рис. 6.4).

Рис. 6.4. 1. Температури кипіння летких сполук з Гідрогеном. 2. Кулестержневі моделі молекул води (1), гідроген флуориду (2), амоніаку (3) та метану (4)

1. Проаналізуйте дані щодо температур кипіння, наведені на рисунку 6.4.1, та геометричну форму молекул (рис. 6.4. 2). Чи можуть утворитися водневі зв’язки між молекулами метану? Чому? 2. Зобразіть утворення водневих зв’язків між молекулами гідроген флуориду.

Утворення водневих зв’язків можливе не лише між молекулами неорганічних сполук. Ви вже знаєте, що між молекулами спиртів, а також між ними та молекулами води утворюються водневі зв’язки (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Утворення водневих зв’язків: 1 - між молекулами етанолу; 2 - між молекулами етанолу й води

За рисунком 6.5 поясніть: 1) як утворюються водневі зв’язки між молекулами спиртів та між ними й молекулами води; 2) чому температури кипіння спиртів вищі за температури кипіння алканів з приблизно такою самою масою молекул.

Водневий зв’язок відіграє важливу роль у неорганічній та органічній хімії. Його низька енергія, здатність легко руйнуватися й відновлюватися за звичайної1 температури водночас із величезною поширеністю зумовлює непересічне значення водневого зв’язку в біологічних системах. Упорядковане розташування поліпептидних ланцюгів у структурі білка, поперечні зв’язки в структурі целюлози та в подвійній спіралі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) зумовлені водневими зв’язками. Доведено, що вони утворюються на деяких стадіях майже всіх біохімічних процесів. Водневі зв’язки беруть участь у каталітичних і фотохімічних процесах, ферментному бродінні, є складниками механізмів дії лікарських засобів, потрібні для забезпечення життєдіяльності організмів (рис. 6.6).

1 20-25 °С, тиск 1 атм.

Рис. 6.6. Багатоликий водневий зв’язок.

1. Водневі зв’язки в кристалічній структурі льоду. 2. Сніжинки складаються з кристаликів льоду (висловте припущення, чому в будь-якої сніжинки саме шість променів). 3. Завивання та розпрямляння волосся під дією високої температури послаблює водневі зв’язки між молекулами білка, тому волосся змінює форму, однак щойно воно намокає, то повертається до початкового стану. 4. У подвійній спіралі молекули ДНК нітрогеновмісні основи одного з ланцюгів сполучені з нітрогеновмісними основами іншого ланцюга водневими зв’язками згідно з принципом комплементарності: аденін з’єднується лише з тиміном, гуанін - лише із цитозином

Цікаво і пізнавально

Самовідновлюваний за звичайної температури полімерний матеріал (органічне скло) створив 2017 року в Токійському університеті (Японія) Ю. Янагісава (Yu Yanagisawa). Відновлення цілісності внаслідок легкого стискання зумовлено утворенням водневих зв’язків. https://interestingengineering.com/this-material-heals-under-pressure-rather-than-cracking

Проаналізуйте цю інформацію та висловте припущення щодо перспектив використання нового матеріалу.

https://www.youtube.com/watch?v=njWsfApthXc&index=7&t=0s&list=PLi01XoE8jYohmMWyMaSsBwdZQbCjQKVzp

https://www.youtube.com/watch?v=LGwyBeuVjhU

ПРО ГОЛОВНЕ

• Диполь - система з двох зарядів, протилежних за знаком й однакових за величиною.

• Асиметричність розподілу електричних зарядів у молекулах води є причиною утворення між ними водневих зв’язків.

• Водневі зв’язки є причиною аномально високих (порівняно з леткими сполуками інших елементів VIA групи періодичної системи) температур кипіння та плавлення води.

• Перебіг багатьох біологічних процесів та існування живих організмів можливі саме завдяки утворенню та руйнуванню водневих зв’язків.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Визначте, якою цифрою на рисунку 6.7 позначено водневий зв’язок. Чим зумовлена можливість його утворення?

Рис. 6.7

  • 3. Поясніть можливість утворення водневих зв’язків між молекулами води й амоніаку (рис. 6.8).

Рис. 6.8

Творча майстерня

  • 4. Підготуйте презентацію «Водневі зв’язки в живих організмах».