Водневий зв'язок
- 27-11-2023, 13:31
- 342
11 клас , Хімія 11 клас Григорович (рівень стандарту)
§ 7. Водневий зв'язок
Пригадайте: донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв'язку (за § 6).
Механізм утворення водневого зв'язку
У багатьох речовинах існує особливий тип хімічного зв'язку — водневий. У 9 класі ви вивчали, що водневий зв'язок є міжмолекулярним, тобто утворюється між молекулами (або між частинами однієї молекули).
Розглянемо утворення водневого зв'язку на прикладі молекул води. У молекулі води між атомами Оксигену та Гідрогену зв'язок ковалентний. Через значну різницю електронегативностей (ΔΕΗ = 3,44 - 2,20 = 1,24) цей зв'язок дуже полярний. Унаслідок цього на атомах Гідрогену наявний позитивний заряд і дефіцит електронної густини, а в атома Оксигену заряд негативний і є дві неподілені електронні пари:
Неподіленими електронними парами атом Оксигену притягується до атомів Гідрогену інших молекул води, і між молекулами води виникає додаткова взаємодія — водневий зв'язок, який позначають крапками:
Водневий зв'язок має частково електростатичний характер, а частково — донорно-акцепторний:
Отже, молекула певної речовини утворює водневий зв'язок за наявності неподілених електронних пар на одному з атомів та за наявності дуже полярного зв'язку з одним із атомів Гідрогену.
• Водневий зв'язок — це взаємодія атома Гідрогену однієї молекули (або її частини), сполученого з дуже електронегативним атомом, із неподіленою електронною парою дуже електронегативного атома іншої молекули (або її частини).
Водневий зв'язок утворюється атомами Гідрогену переважно з атомами Оксигену, Флуору та Нітрогену. Атоми цих елементів мають велику електронегативність і невеликі розміри. Водневий зв'язок атомів Гідрогену з атомами більшого розміру, як, наприклад, з атомами Хлору або Сульфуру, значно слабший, хоча за електронегативністю ці елементи близькі до Нітрогену.
Водневі зв'язки в різних речовинах
Водневі зв'язки утворюються не тільки між молекулами води, а й між молекулами інших речовин. Відрізнити такі речовини можна за їхньою хімічною формулою. Якщо в молекулі речовини є групи —ОН або —NH2, то з великою ймовірністю такі молекули утворюють водневі зв'язки. Так, молекули спиртів та карбонових кислот, у яких наявна група —ОН, утворюють водневі зв'язки між собою, а також із молекулами води (мал. 7.1, с. 38).
Мал. 7.2. Водневі зв'язки в саліциловій кислоті (а), білку (б) та нуклеїновій кислоті (в)
Водневий зв'язок може існувати не тільки між молекулами, а й усередині однієї молекули між різними її частинами. Наприклад, у молекулі саліцилової кислоти (з якої синтезують аспірин) водневий зв'язок утворюється між гідроксильною та карбоксильною групами однієї молекули (мал. 7.2, а). Також наявність водневих зв'язків характерна для білків та нуклеїнових кислот. Завдяки утворенню водневих зв'язків стабілізується вторинна структура білків (мал. 7.2, б) та реалізується можливість існування молекул ДНК у вигляді подвійної спіралі (мал. 7.2, в).
Вплив водневого зв'язку на властивості речовин
Водневий зв'язок не такий міцний, як ковалентний. Якщо енергія одинарного ковалентного зв'язку становить близько 250-400 кДж/моль, то енергія водневого зв'язку — 10-30 кДж/моль.
Водневий зв'язок:
• є міжмолекулярним і значно посилює притягання молекул;
• зумовлює підвищення температури кипіння;
• зумовлює підвищення розчинності речовин у воді
Але, незважаючи на невелику енергію водневих зв'язків, вони суттєво впливають на фізичні властивості речовин. Можливістю утворення водневого зв'язку з молекулами інших речовин, які також спроможні їх утворювати, пояснюється велика розчинність багатьох речовин у воді: спирту, цукру, ацетону, етанової кислоти тощо. Речовини, у яких існує водневий зв'язок між молекулами, мають температуру кипіння набагато вищу, ніж речовини з молекулярними кристалічними ґратками і близькими значеннями молярної маси, але без водневих зв'язків (мал. 7.3).
Мал. 7.3. Температури кипіння речовин із приблизно однаковою молярною масою
Утворення водневих зв'язків у напрямку неподіленої електронної пари зумовлює чітку структуру молекул води у твердому агрегатному стані (мал. 7.4). У рідкій воді водневі зв'язки частково руйнуються, тому під час плавлення вода дещо стискається, бо густина рідкої води трохи більша за густину льоду (мал. 7.5).
Мал. 7.4. Кристалічні ґратки твердої води: кожна молекула утворює по чотири водневі зв'язки із сусідніми молекулами
Мал. 7.5. 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 тріскається (б)
Наявність водневих зв'язків зумовлює сильний поверхневий натяг води, завдяки чому багато комах здатні переміщатися по воді (мал. 7.6, с. 39). 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'якший, ніж у центрі континентів.
Мал. 7.6. Комахи ходять по воді завдяки її поверхневому натягу, що зумовлений міцними водневими зв'язками між молекулами води
Завдяки утворенню водневих зв'язків між різними надмолекулярними комплексами можливі процеси реплікації нуклеїнових кислот та синтез білків у рибосомах.
Ключова ідея
Водневий зв'язок — особливий тип міжмолекулярної взаємодії. Він має надзвичайне значення для появи й існування життя на землі та для існування біологічно важливих речовин.
Контрольні запитання
98. Дайте визначення водневому зв'язку. Завдяки чому він утворюється?
99. Як впливає наявність водневого зв'язку у воді та спиртах на їхні фізичні властивості?
100. Схарактеризуйте, як можливість утворення водневого зв'язку впливає на: а) розчинність речовин у воді; б) теплоємність речовин; в) поверхневий натяг води?
101. Назвіть основні властивості водневого зв'язку.
Завдання для засвоєння матеріалу
102. Порівняйте фізичні властивості речовин, зазначених на малюнку 7.3 (с. 39). Який факт свідчить про наявність водневого зв'язку між молекулами води?
103. Зобразіть утворення водневого зв'язку між молекулами: а) води та амоніаку; б) етанолу та води; в) етанової кислоти та води; г) етанолу та етанової кислоти.
104. Використовуючи знання про фізичні властивості органічних речовин, проілюструйте вплив на них водневого зв'язку на прикладі: а) етану й етанолу; б) етанолу й гліцеролу; в) етанолу й етаналю.
Завдання з розвитку критичного мислення
105. Оцініть можливість утворення водневих зв'язків між молекулами: а) спирту та альдегіду; б) спирту та карбонової кислоти; в) альдегіду та карбонової кислоти; г) спирту та естеру; д) спирту та амоніаку.
106. Проаналізуйте діаграми та схарактеризуйте вплив водневих зв'язків на фізичні властивості речовин. Поясніть, що спільного й відмінного між речовинами на кожній діаграмі. Зобразіть утворення водневих зв'язків молекулами цих сполук (між собою та з молекулами води).
Міні-проекти
107. У додаткових джерелах інформації знайдіть відомості щодо впливу водневого зв'язку на фізичні властивості речовин та його роль у біологічних системах.
108. Виконайте експеримент для дослідження поверхневої плівки води. Наповніть склянку водою майже до країв і акуратно покладіть на водну поверхню фільтрувальний папір із голкою. Як тільки папір намокне, він потоне, а голка має залишитися на поверхні. Голка не тоне, бо поверхня води вкрита плівкою, що не проривається завдяки малій вазі голки. Під час прання ця водна плівка перешкоджає видаленню бруду й жиру. Якщо поряд із голкою, що плаває на воді, насипати трохи прального порошку або долити мильну воду (акуратно!), голка незабаром потоне. А якщо дослід із голкою й папером провести у воді, до якої попередньо був доданий пральний порошок, то голка й зовсім не утримається на поверхні води. Це відбувається тому, що поверхнева плівка води руйнується під дією мийних засобів.
Коментарі (0)