Водородная связь

Экспериментально отмечено, что температура кипения воды приблизительно на 180ºC выше, чем, если бы она подчинялась общей закономерности: с изменением молекулярной массы в ряду водородных соединений элементов третьего и последующих периодов температура кипения растет. Это объясняется проявлением у молекул, а также и взаимодействия, известного под названием водородной связи. Прочность водородной связи составляет 8-40 кДж/моль, что значительно меньше, чем прочность ковалентной связи.

В общем виде образование водородной связи схематически можно представить следующим образом:

Вода – особенно подходящее вещество для образования водородных связей, так как ее молекула имеет два атома водорода и две неподеленные электронные пары у атома кислорода. Следовательно, каждая молекула воды способна образовать четыре водородные связи.

Тетраэдрической расположение четырех электронных пар вокруг атома кислорода обусловливает кристаллическую структуру льда.

Попытка построить теорию водородной связи пока не увенчались успехом, и приходиться довольствоваться лишь качественной картиной. Оказалось невозможно создать единую теорию, так как все виды водородной связи А – Н... В делятся на две совершенно различные группы:

1. Прочные водородные связи, которые характеризуются большой энергией, относительно короткими расстояниями А... В и симметричным расположением атома водорода;

2. Слабые водородные связи с малой энергией, увеличенным расстоянием А... В и расположением атома водорода ближе к атому А.

Теоретическое объяснение водородной связи состоит в следующем. Всякий сильно электроотрицательный атом оттягивает электроны от соседних атомов. Атом водорода способен удержать на своей орбитали только два электрона. При сильном оттягивании этих электронов в одном направлении, например, в сторону атома кислорода, с которым связан данный атом водорода (посредством – связи), противоположная сторона атома водорода становится сильно положительной, особенно в направлении продолжения межядерной оси кислород-водород. Это объясняется тем, что у водорода нет других электронов на орбиталях с более низкими энергетическими уровнями, и поэтому с указанной стороны его ядро остается неэкранированным. Если водород связан с сильно электроотрицательным атомом, дипольный момент такой связи очень велик и еще более усиливается за счет появления на продолжении межядерной оси довольно «оголенного» ядра водорода. При приближении с этой стороны какого-либо другого сильно электроотрицательного атома возникает большая сила притяжения между ним и атомом водорода. Такие силы уменьшаются, если атом водорода смещается от оси, соединяющей ядра двух соседних электроотрицательных атомов, поскольку ядро атома водорода становится тем лучше экранированным, чем больше его удаление от межядерной оси.

Замена атома водорода на атом лития, натрия и т.д. уничтожает всякой взаимодействие. Аналоги атома водорода в отличие от него имеют внутренние электронные оболочки, которые сильно увеличивают силы отталкивания, делая группировку А – Х... В неустойчивой.

ПРИМЕР 3. Объяснить, почему температура кипения паранитрофенола намного выше температуры кипения орто-нитрофенола.

Решение: в обоих веществах могут образоваться водородные связи между водородом гидроксильной группы и атомами кислорода нитрогрупп. Однако в о-нитрофеноле возможно образование внутримолекулярных водородных связей, вследствие чего его молекулы легче отделяются друг от друга, и это вещество имеет более низкую температуры кипения. В n- нитрофеноле могут образоваться только межмолекулярные водородные связи, что понижает их летучесть.

Дата добавления: 2014-10-23