Водородная связь

Образование водородной связи обусловлено специ­фикой водорода как элемента, состоящего из протона и электрона. В соединениях водорода с резко электроотрицатель­ными элементами (фтор, кислород, азот), атом водорода приобретает положительную степень окисления. Такой во­дород обладает уникальными свойствами, очень малым раз­мером и отсутствием электронов. Поэтому он может прони­кать в электронное облако электроотрицательного атома соседней молекулы, в результате между атомами возникает дополнительная водородная связь.

Водородная – это связь которая образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом сильно электро­отрицательного элемента другой молекулы. Возникновение водородной связи приводит к ассоциации (соединению) мо­лекул. Она характерна для веществ в жидком и твердом со­стояниях.

H–F^– + ⁺H–F = H–F _ _ _ H–F или H–F • • • H–F

водородная связь

Обозначают водородную связь тремя точками или тремя пунктирами.

При установлении каждой молекулой двух Н-связей вещест­во может иметь линейную (зигзагообразную) надмолекулярную структуру, как во фтороводороде (а). При участии каждой мо­лекулы в четырех Н-связях образуются трехмерные структуры (б), рис. 11.

(в) (г)

Рисунок 11 – Образование водородных связей в молекулах фтороводорода (а), воды (б), метановой кислоты (в), салицилового альдегида (г)

Такие структуры имеются в воде, каждая молекула которой обладает двумя атомами Н и двумя неподеленными электронными парами от атома кислорода О. Молекулы Н₂О объединяются в ажурные тетраэдрические структуры. В вершинах тетраэдров находятся атомы О, от которых под углами, близкими к 109° (вследствие sр³-гибридизации четырех орбиталей кислорода), расходятся четыре связи – две атомные и две водородные*. Атомы кислорода, лежащие в одной плоскости, образу­ют вершины не квадратов, а правильных шестиугольников, располагающихся слоями и определяющих гексагональную симметрию кристалли­ческого льда. Такое расположение молекул, приводящее к образованию многочис­ленных пустот, объясняет меньшую плотность льда по сравнению с жидкой водой, в которой около 15 % молекул воды уходят из узлов кристаллической решетки и за­полняют ее полости. Однако и в жидком состоянии вода сохраняет, в основном, структуру льда.

За счет образования водородных связей в веществе могут возникать межмолекулярные и внутримолекулярные циклические структуры. Например, молекулы органических кислот типа муравьи­ной, рис. 11в, соединяются попарно своими полярными концами, так как в их карбоксильных группах атом водорода и карбонильный атом кислорода направлены в одну сторону, что приводит к образова­нию из двух таких групп замкнутого цикла. Димеры этих кислот существуют даже в их парах, рис. 11.

Если в одной и той же молекуле имеются две сильно полярные атомные группы, одна из которых содержит атом водорода, то меж­ду ними может возникнуть Н-связь с образованем внутримолеку­лярного цикла, как это показано на примере салицшювого аль­дегида, рис. 11г.

Образование водородных связей приводит к усложнению струк­туры вещества, как, например, в полимерах. Изучение этих связей позволяет расшифровывать не только строение веществ, но и глуб­же понимать механизм многих физико-химических и химических процессов, особенно протекающих в водных средах – диссоциацию кислот и оснований, гидролиз веществ, набухание полимеров и пр.

Наличие водородных связей объясняет отклонение свойств некоторых соединений. Например, вследствие ассо­циации фтороводородная кислота более слабая кислота по сравнению с другими галогеноводородными кислотами, тем­пература кипения HF выше температуры кипения НС1. Спо­собностью к ассоциации обладают вода, спирты, аммиак и другие соединения.

Энергия водородной связи составляет 8–40 кДж/моль, т.е. значительно меньше энергии ковалентной свя­зи. Чем больше электроотрицательность элемента, с которым образует соединение водород, тем больше энергия водород­ной связи. Водородная связь, как и ковалентная, имеет на­правленность в пространстве и насыщаемость. Длина ее больше, чем у обычной ковалентной связи.

Вопросы для подготовки к занятию

1. Составные части атома. Зависимость массы и заряда ядра от его состава. Изотопы.

2. Атомные орбитали. Форма орбиталей. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Правило Хунда.

3. Какова последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней в многоэлектронных атомах? Правила Клечковского.

4. Напишите электронную формулу атома германия (марганца, брома, циркония, мышьяка, селена, ванадия) с учетом правил Клечковского. Приведите значения квантовых чисел для всех валентных электронов.

5. Сколько электронов находится на 5d -подуровне атома вольфрама (5d - осмия, 5d - Ta, 5d - Co, 4d - Tc)? Приведите значения квантовых чисел для этих электронов.

6. Приведите значения квантовых чисел для 4р⁶ (3d⁶, 5p⁵, 4d⁴, 6s²6p²) электронов. Охарактеризуйте каждое квантовое число.

7. Покажите связь периодической системы со строен6ием атома. Определите элемент, для которого строение валентных слоев имеет вид ... 3d⁵4s¹ (…4d⁴5s¹, …5s²5p⁴ , …6s²).

8. Опишите структуру периодической системы.

9. Современная формулировка периодического закона. Периодичность изменения свойств элементов в периодах и группах на примере ряда элементов Al-Si-P-As-Sb (Be-Mg-Ca-Sc-Ti-V; P-S-Cl-Br-I; N-P-As-Se-Br).

10. Изменение кислотно-основных свойств соединений типа Э-О-Н по периодам и группам периодической системы.

11. Дайте определение понятиям “энергия ионизации” и “энергия сродства к электрону “. У какого элемента наименьшая энергия ионизации: Ca,Be, Mg, Zn (Xe,Rn, Kr, Ar; O,S, Se, Te; Na,K, Ca, Zn)? Почему?

12. Энергия ионизации многоэлектронных атомов. Объясните, почему у атома магния первая энергия ионизации больше, чем у атома алюминия, а вторая – у магния меньше, чем у алюминия.

13. Какие валентные состояния может проявлять висмут (сурьма, селен, теллур, иод, олово, индий, барий)? Ответ обоснуйте.

14. Дайте определение параметров ковалентной связи: длина, угол связи, энергия связи. Почему углы между связями в молекулах CH₄ и SiH₄ одинаковы, а у молекул H₂O и H₂S – различны (у молекул NH₃ и AsH₃ – различны)?

15. По методу валентных связей покажите образование молекул NH₃ и H₂Se (угол 91 ^о) [ CH₄ и BF₃; HCl и COCl₂; C₂H₂ и H₂Te ]. Раскройте физический смысл свойств ковалентной связи: насыщаемость и направленность.

16. Определите тип гибридизации атомных орбиталей центрального атома в молекулах BeCl₂, BCl₃, CCl₄. Покажите форму перекрывающихся атомных орбиталей и величину валентных углов.

17. Раскройте физический смысл свойства ковалентной связи “насыщаемость”. Определите тип гибридизации атомных орбиталей азота в молекуле NH₃ (BF₃ ) и ионе NH₄⁺ (BF₄ ^-). Определите величину валентных углов.

18. Объясните, почему у молекул CO₂ и BeCl₂ дипольный момент равен нулю, хотя каждая связь характеризуется высоким диполем. Покажите образование этих молекул по методу валентных связей.

19. Молекула NF₃ имеет меньший дипольный момент, чем молекула NH₃. Чем объясняется различие в значениях дипольных моментов этих молекул?

20. Какую форму могут иметь трехатомные молекулы типа АВ₂? Рассмотрите на примере молекул BeCl₂ , CO₂, H₂O. Какая из этих молекул полярная?

21. Какую форму могут иметь четырехатомные молекулы типа АВ₃? Рассмотрите на примере молекул BCl₃, NH₃, SbH₃. Какая из этих молекул неполярная?

22. Покажите образование молекулы О₂ (NO, В₂, N₂, CN, F₂) по методу валентных связей.