Водородная связь

Водородная связь является особым видом химической связи. Известно, что атом водорода способен соединятся одновременно с двумя другими атомами, входящими в состав разных молекул или одной и той же молекулы, т.е у водорода в данном случае координационное число равно двум. Атом водорода ковалентно, связанный с атомом элемента А, обладающим высокой электроотрицйательностью, образует вторую связь с отрицательно поляризованным атомом В. В роли А и В выступают атомы F,O,N, реже Cl и S.

Вследствие большой разницы в ЭО химические связи H–F, H–O, H–N сильно поляризованы. Поэтому атом водорода имеет положительный эффективный заряд (δ⁺), а на атомах А F, O и N находится избыток электронной плотности, и они заряжены отрицательно (δ^-). Вследствие кулоновского притяжения происходит взаимодействие положительно заряженного атома водорода одной молекулы с электроотрицательным атомом другой молекулы. Из-за очень малого размера положительно поляризованного атома водорода и его способности глубоко внедряться в оболочку соседнего (ковалентно с ним не связанного отрицательно поляризованного атома) — образуется водородная связь.

Таким образом, при возникновении водородной связи проявляется как электростатическое, так и донорно-акцепторное взаимодействие.

Водородная связь появляется тем сильнее, чем больше элетроотрицательность атома-партнёра и чем меньше его размеры. В общем случае энергия водородной связи зависит как от вида и состояния атома-партнёра(А), так и от того, с какими атомами(В) последний соседствует. По прочности водородная связь на порядок слабее ковалентной связи, но превосходит вандер-ваальсово взаимодействие. Так, энергия водородной связи H ^… F равна ≈ 40кДж/моль, а связи H ^… O ≈ 20кДж/моль.

Водородная связь по прочности превосходит вандерваальсовское взаимодействие и её энергия составляет 8–40кДж/моль, но обычно на порядок слабее ковалентной связи. Например, Е_связи (в кДж/моль) для Н₂, О₂ и Cl₂ равна соответственно 436,0; 498,4; 239,2. а энергия наиболее прочных водородных связей, которые имеют соединения фтора и кислорода, равны: Е_связи H ^… F ≈ 40кДж/моль, а Е_связи H ^… O ≈ 20кДж/моль.

Соседство электроотрицательных атомов может активизировать к образованию водородной связи и атомы СН-групп, хотя электроотрицательности углерода и водорода почти одинаковы. Этим объясняется возникновение водородных связей, например, в таких соединениях, как HCN,CF₃H.

Образование водородной связи, несмотря на её низкую энергию, процесс энергетически выгодный, протекает без разрушения молекул (следовательно, характеризуется низкой энергией активации). Поэтому водородная связь легко реализуется, весьма распространена и свойственна всем агрегатным состояниям.