ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ. Водородная связь – это особый вид связи, свойственный только атомам водорода

Водородная связь – это особый вид связи, свойственный только атомам водорода. Она возникает в тех случаях, когда атом водорода связан с атомом наиболее электроотрицательных элементов, прежде всего фтора, кислорода и азота. Рассмотрим образование водородной связи на примере фтороводорода. У электроотрицательного атома водорода имеется только один электрон, благодаря которому он может образовывать ковалентную связь с атомом фтора. При этом возникает молекула фтороводорода Н—F, в которой общая электронная пара смещена к атому фтора.

В результате такого распределения электронной плотности молекула фтороводорода представляет собой диполь, положительным полюсом которого является атом водорода. Из-за того, что связывающая электронная пара смещается к атому фтора, частично освобождается 1s -орбиталь атома водорода и частично обнажается его ядро. У любого другого атома положительный заряд ядра после удаления валентных электронов экранируется внутренними электронными оболочками, которые обеспечивают отталкивание электронных оболочек других атомов. У атома водорода таких оболочек нет, его ядро представляет собой весьма малую (субатомную) положительно заряженную частицу – протон (диаметр протона примерно в 10⁵ раз меньше диаметров атомов, и, вследствие отсутствия у него электронов, он притягивается электронной оболочкой других электронейтральных или отрицательно заряженных атомов).

Напряжённость электрического поля вблизи частично «обнажённого» атома водорода настолько велика, что он может активно притягивать отрицательный полюс соседней молекулы. Поскольку этим полюсом является атом фтора, имеющий три несвязывающие электронные пары, а s- орбиталь атома водорода частично вакантна, то между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом фтора соседней молекулы возникает донорно-акцепторное ваимодействие.

Таким образом, в результате совместного электростатического и донорно-акцепторного взаимодействия возникает дополнительно вторая связь с участием атома водорода. Это и есть водородная связь, …Н–F•••Н–F…

Она отличается от ковалентной по энергии и длине. Водородная связь более длинная и менее прочная, чем ковалентная. Энергия водородной связи 8–40 кДж/моль, а ковалентной 80–400 кДж/моль. В твёрдом фтороводороде длина ковалентной связи Н–F равна 95 пм, длина водородной связи F•••Н равна 156 пм. Благодаря водородной связи между молекулами HF кристаллы твёрдого фтороводорода состоят из бесконечных пло­ских зигзагообразных цепей, так как образующаяся за счет водородной связи система из трех атомов, как правило, линейна.

Водородные связи между молекулами HF частично сохраняются в жидком и даже в газообразном фтороводороде.

Водородная связь условно записывается в виде трёх точек и изображается следующим образом:

Y•••H – X,

где X, Y – атомы F, O, N, Cl, S.

Энергия и длина водородной связи определяются дипольным моментом связи H–X и размером атома Y. Длина водородной связи уменьшается, а её энергия возрастает с увеличением разности электроотрицательностей атомов X и Y (и соответственно дипольного момента связи H–X) и с уменьшением размера атома Y.

Водородные связи образуются также между молекулами, в которых имеются связи О–Н (например, вода H₂O, хлорная кислота НClO₄, азотная кислота HNO₃, карбоновые кислоты RCOOH, фенол C₆H₅OH, спирты ROH) и N–Н (например, аммиак NH₃, тиоциановая кислота HNCS, органические амиды RCONH₂ и амины RNH₂ и R₂NH).

Вещества, молекулы которых соединены водородными связями, отличаются по своим свойствам от веществ, аналогичных им по строению молекул, но не образующих водородных связей. Температуры плавления и кипения гидридов элементов IVA-группы, в которых нет водородных связей, плавно понижаются с уменьшением номера периода (рис. 15).У гидридов элементов групп VA-VIIA наблюдается нарушение этой зависимости. Три вещества, молекулы которых соединены водородными связями (аммиак NH₃, вода Н₂О и фтороводород HF), имеют гораздо более высокие температуры плавления и кипения, чем их аналоги (рис. 15). Кроме того, эти вещества имеют более широкие температурные интервалы существования в жидком состоянии, более высокие теплоты плавления и испарения.

Важную роль водородная связь играет в процессах растворения и кристаллизации веществ, а также при образовании кристаллогидратов.

Водородная связь может образовываться не только между молеку­лами (межмолекулярная водородная связь, МВС),как это имеет место в рассмотренных выше примерах, но и между атомами од­ной и той же молекулы (внутримолекулярная водородная связь, ВВС). Например, благодаря внутримолекулярным водородным связям между атомами водорода аминогрупп и атомами кислорода карбонильных групп, полипептидные цепи, образующие молекулы белков, имеют спиралеобразную форму.

рисунок??????????????

Огромную роль водородные связи играют в процессах редуп­ликации и биосинтеза белков. Две нити двойной спирали ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) удерживаются вместе водородными связями. В процессе редупликации эти связи разрываются. При транскрипции синтез РНК (рибонуклеиновой кислоты) с использованием ДНК в качестве матрицы происходит также благодаря возникновению водородных связей. Оба процесса возможны потому, что водородные связи легко образуются и легко разрываются.

Рис. 15. Температуры плавления (а) и кипения (б)гидридов элементов групп IVА-VIIА.

Вопросы для самоконтроля

1. Может ли химическая связь осуществляться одним электроном?

2. Какие показатели характеризуют прочность химической связи?

3. Может ли длина химической связи быть равной сумме радиусов изолированных атомов, вступающих в химическую связь?

4. Чем должны обладать химические частицы для образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму?

5. Чем определяется валентность атомов химических элементов в веществах?

6. Чем ограничивается число ковалентных связей, образуемых атомом химического элемента в веществах?

7. Что является причиной гибридизации электронных орбиталей атомов, участвующих в образовании ковалентных связей?

8. Какие атомные орбитали участвуют в гибридизации?

9. Какой тип гибридизации атомных орбиталей осуществляется в большинстве неорганических соединений?

10. Что является мерой полярности ковалентной связи и чем она измеряется?

11. Что называется электроотрицательностью атома, элемента?

12. Дайте определение ковалентной, ионной, металлической и водородной связям.

13. Почему по аналогии с аммиаком, фтороводородом и водой метан не имеет аномально высокой температуры кипения?

14. Чему равны валентности атомов углерода и кислорода в молекуле оксида углерода (II)?

15. Возможна ли химическая реакция между фтороводородом HF и фторидом кремния () SiF?

16. Какова кратность ковалентной связи в молекуле оксида азота (II) NО?

17. Укажите тип гибридизации атомных орбиталей углерода в молекуле оксида углерода (IV).

18. Одинакова ли геометрическая конфигурация молекул фторидов бора и азота BF₃ и NF₃?

19. Дипольный момент молекулы циановодорода HCN равен 2,9 Д. Вычислите длину диполя.

Тесты

№ 1

1. Длина ковалентной связи наибольшая в молекуле ….

1) НСl 2) НI 3) НВr 4) НF

2. Максимальную тенденцию образовывать соединения с ионной связью проявляют атомы элементов ….

1) Сu и Сl 2) Н и Сl 3) Li и Сl 4) С и Сl

3. Молекула ВеF₂ (газообразный фторид бериллия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 2

1. Полярность ковалентной связи уменьшается в ряду ….

1) НF, Н₂О, NН₃ 2) Н₂О, Н₂Sе, Н₂S

3) НСl, НI, НВr 4) NН₃, NСl₃, NF₃

2. π-Связи могут образовываться в результате перекрывания электронных облаков … типа.

1) s и р 2) s и s 3) р и р 4) s и d

3. Молекула аммиака имеет … строение.

1) тригональное 2) пирамидальное

3) угловое 4) тетраэдрическое

№ 3

1. Полярность ковалентной связи увеличивается в ряду ….

1) ССl₄, СН₄, СО₂ 2) СН₄, NН₃, Н₂О

3) НF, Н₂О, Н₂Sе 4) NН₃, NСl₃, NВr₃

2. В молекуле сероводорода возможны ….

1) только σ-связи

2) только π-связи

3) как σ-, так и π-связи

3. Молекула SnСl₄ (газообразный хлорид олова) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

№ 4

1. Полярность ковалентной связи в ряду НСl – НВr – НI ….

1) увеличивается

2) не изменяется

3) уменьшается

4) вначале уменьшается, а затем увеличивается

2.Число двойных связей одинаково в молекулах ….

1) СО₂ и SО₃ 2) Н₂SО₄ и НСlО₄

3) SО₂ и Н₂SО₄ 4) N₂ и С₂Н₂

3. Молекула SnСl₂ (газообразный хлорид олова) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

№ 5

1. В кристаллах NаF, RbСl, СsСl химическая связь ….

1) ионная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) металлическая

2. Число π-связей одинаково в молекулах ….

1) С₂Н₄ и СО₂ 2) SО₃ и Н₂SО₄

3) N₂ и С₂Н₄ 4) СО₂ и С₂Н₂

3. Молекула метана имеет … строение.

1) угловое 2) тетраэдрическое

3) пирамидальное 4) тригональное

№ 6

1. В молекулах О₂, N₂, Сl₂, Н₂ связь ….

1) ионная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) металлическая

2. Число σ-связей одинаково в молекулах ….

1) С₂Н₄ и РСl₅ 2) SО₂ и С₂Н₂

3) SО₂Сl₂ и СОСl₂ 4) Н₂SО₄ и РОСl₃

3. Молекула сероводорода имеет … строение.

1) угловое 2) тетраэдрическое

3) линейное 4) пирамидальное

№ 7

1. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле ….

1) Сl₂ 2) SО₂ 3) NН₃ 4) Н₂S

2. В молекуле азота существуют ….

1) только σ-связи 2) только π-связи

3) одна σ- и две π-связи 4) одна π- и две σ-связи

3. Молекула АlСl₃ (газообразный хлорид алюминия) имеет … строение.

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

№ 8

1. Длина ковалентной связи больше во второй молекуле в случае соединений ….

1) Сl₂ и N₂ 2) SО₂ и СО₂ 3) СF₄ и СН₄ 4) F и НВr

2. Валентный угол в ряду NН₃ – РН₃ – АsН₃ ….

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

3. Молекула GаСl₃ (газообразный хлорид галлия) имеет … строение.

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

№ 9

1. В ряду LiF – ВеF₂ – ВF₃ – СF₄ – NF₃ – ОF₂ – F₂ ….

1) ионный характер связи усиливается

2) ковалентный характер связи усиливается

3) ковалентный характер связи ослабевает

4) ионный характер связи не изменяется

2. Ионный тип связи имеет ….

1) хлорид калия 2) фторид кислорода(II)

3) фторид углерода(IV) 4) хлорид фосфора(III)

3. Молекула МgСl₂ (газообразный хлорид магния) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) тетраэдрическое

№ 10

1. Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется в ….

1) КСl 2) НСl 3) ССl₄ 4) NН₄Сl

2. Ковалентную полярную связь имеет ….

1) алмаз 2) аммиак 3) фтор 4) кобальт

3. Молекула АsН₃ имеет строение ….

1) линейное 2) тригональное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 11

1. В ряду NаСl – МgСl₂ – АlСl₃ – SiСl₄ – РСl₃ – Сl₂ ….

1) ионный характер связи усиливается

2) ковалентный характер связи усиливается

3) ковалентный характер связи ослабевает

4) ионный характер связи не изменяется

2. Ковалентную неполярную связь имеет ….

1) хлорид натрия 2) хлор

3) хлороводород 4) цинк

3. Молекула ССl₄ имеет строение ….

1) угловое 2) пирамидальное

3) тетраэдрическое 4) тригональное

№ 12

1. Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется в ….

1) NаF 2) НF 3) (НF)₂ 4) НВrF₄

2. В молекуле N₂ у атомов азота ….

1) валентность равна степени окисления

2) валентность больше степени окисления

3) валентность и степень окисления противоположны по знаку

4) валентность меньше степени окисления

3. Молекула сероводорода имеет строение ….

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 13

1. Валентный угол в ряду молекул Н₂О, Н₂S, Н₂Sе, Н₂Те ….

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Максимальную тенденцию образовывать соединения с ионной связью проявляют элементы ….

1) Rb и F 2) Сu и F 3) Н и F 4) С и F

3. Молекула GеСl₂ [газообразный хлорид германия(II)] имеет … строение.

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 14

1. Валентный угол в ряду молекул NН₃, РН₃, АsН₃ ….

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. При образовании связи в молекуле НВr перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

3. Молекула GеСl₄ [газообразный хлорид германия (IV)] имеет … строение.

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 15

1. Прочность химической связи в ряду ВF₃ – АlF₃ – GаF₃ – InF₃ ….

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. При образовании связей в молекуле кислорода перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

3. Молекула ВСl₃ имеет … строение.

1) линейное 2) тригональное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 16

1. Прочность ковалентной связи в ряду Н₂S – Н₂Sе – Н₂Те ….

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала уменьшается, а затем увеличивается

2. При образовании связей в молекуле азота перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

3. Молекула ОF₂ имеет строение ….

1) линейное 2) пирамидальное

3) тетраэдрическое 4) угловое

№ 17

1. Прочность химической связи в ряду SnСl₄ – GеСl₄ – SiСl₄ – ССl₄ ….

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле ….

1) Сl₂ 2) F₂ 3) I₂ 4) Вr₂

3. Молекула фосфина РН₃ имеет … строение

1) пирамидальное 2) тетраэдрическое

3) угловое 4) тригональное

№ 18

1.Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле ….

1) РН₃ 2) Н₂S 3) SiН₄ 4) НСl

2. В молекуле аммиака образуются ….

1) только σ-связи 2) только π-связи

3) одна σ- и две π-связи 4) две σ- и одна π-связи

3. Молекула силана SiН₄ имеет … строение.

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

№ 19

1. Длина ковалентной связи увеличивается в ряду ….

1) Сl₂, N₂, О₂ 2) НСl, НF, НВr

3) АlСl₃, GаСl₃, InСl₃ 4) Н₂Sе, Н₂S, Н₂Те

2. Ионный тип связи имеет ….

1) хлорид бора 2) хлорид цезия

3) хлорид фосфора(III) 4) хлороводород

3. Молекула GеСl₂ (газообразный хлорид германия) имеет строение ….

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

№ 20

1. Прочность ковалентной связи в ряду Н₂Sе – Н₂S – Н₂О ….

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Ковалентная связь образуется между атомами ….

1) неметаллов

2) типичных неметалла и металла

3) металла

1. Молекула РbСl₂ (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

№ 21

1. Длина связи увеличивается в ряду ….

1) F₂, О₂, N₂ 2) НВr, НСl, НF

3) ВСl₃, АlСl₃, GаСl₃ 4) Н₂S, Н₂О, NН₃

2. Примером полярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является ….

1) N₂ 2) Н₂О 3) ССl₄ 4) ВСl₃

3. Молекула РbСl₄ (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 22

1. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле ….

1) Н₂Те 2) Н₂О 3) Н₂Sе 4) Н₂S

2. Примером неполярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является ….

1) О₂ 2) ССl₄ 3) Н₂S 4) НСl

3. Молекула ССl₄ имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

№ 23

1. Ионный тип связи имеет ….

1) лёд 2) поваренная соль

3) алмаз 4) металлическая медь

2. Электронные орбитали атома бериллия в молекуле ВеН₂ (газообразный гидрид бериллия) гибридизованы … по типу.

1) sр 2) sр² 3) sр³ 4) s²р

3. Молекула ВеН₂ (газообразный гидрид бериллия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) тетраэдрическое

№ 24

1. Образование ионной кристаллической решетки характерно для ….

1) иодида цезия 2) графита

3) иода 4) льда

2. Электронные орбитали атома алюминия в молекуле АlСl₃ (газообразный хлорид алюминия) гибридизованы … по типу.

1) sр 2) sр² 3) sр³ 4) s²р

3. Молекула АlСl₃ (газообразный хлорид алюминия) имеет строение ….

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

№ 25

1. Полярность ковалентной связи уменьшается в ряду ….

1) НF, НI, НСl 2) NН₃, Н₂О, НF

3) Н₂О, Н₂S, Н₂Sе 4) NН₃, Н₂S, НF

2. Электронные орбитали атома германия в молекуле GеСl₄ (газообразный хлорид германия) гибридизованы … по типу.

1) sр 2) sр² 3) sр³ 4) s²р²

3. Молекула GеСl₄ (газообразный хлорид германия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 26

1. В молекулах НСl, NН₃, Н₂Sе химическая связь ….

1) водородная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) ионная

2. Примером полярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является ….

1) Н₂О 2) N₂ 3) АlСl₃ 4) ССl₄

3. Молекула Н₂Sе имеет … строение.

1) пирамидальное 2) угловое

3) тетраэдрическое 4) линейное

№27

1. Степень ионности связи в ряду NiСl₂ – СаСl₂ – КСl – RbСl ….

1) усиливается

2) ослабевает

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Примером неполярной молекулы, имеющей ковалентные полярные связи является ….

1) Н₂ 2) АsН₃ 3) ВеН₂ 4) Н₂S

3. Водородная связь соединяет молекулы ….

1) водорода 2) фтороводорода

3) теллуроводорода 4) гидрида мышьяка

№ 28

1. Степень ионности связи в ряду АlСl₃ – SiСl₄ – РСl₅ ….

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Орбитали атома кремния в молекуле SiН₄ гибридизированы … по типу.

1) sр 2) sр² 3) sр³ 4) s²р²

3. Молекула силана SiН₄ имеет … строение.

1) пирамидальное 2) угловое

3) тетраэдрическое 4) тригональное

Литература

1) Килеев Р.Г., Векшин В.В. Пособие по общей химии, – Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2004. – С.101-138.

2) Химия: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Н.Н. Волков, М.А. Мелихова. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – С.28-44.

3) Слесарев С.31-47

4) Глинка С.97-157 (учебник и задачник)

5) Князев С.145-193

6) Угай С.56-98

[1] Термин «химическая связь» введён А.М.Бутлеровым в 1863г.

[2] 1 Дж = 1 Н/м (один джоуль есть работа силы в один ньютон на пути в один метр).

[3] Энергия в 1 кДж может поднять 1 кг груза на 102 м или 102 кг груза на 1 м. Ю.Майер в 1842 г. определил механический эквивалент теплоты, равный 427 кгм/ккал. Из этого (с учётом того, что 1 ккал = 418,68 кДж) следует, что при образовании хим. связей в 1 моль вещества выделяется энергия, которая может произвести работу, равную 10 200–102 000 кгм. Это значит, что 1 моль вещества обладает энергией, достаточной для того, чтобы поднять груз массой в 10,2–102 т на 1 м или, наоборот, 1 кг груза поднять на 102–1020 м.

[4] По аналогии с атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали обозначают греческими буквами σ, π, δ, φ.

[5] 1 пм (пикометр) = 10^-12 м.

[6] Валентность (от лат. valentia – сила) – это способность атома химического элемента образовывать химические связи; количественной меры валентности (в рамках метода валентных связей) является число связей, образованных данным атомом с другими атомами или атомными группировками.
Валентность (ковалентность) атома химического элемента в общем случае определяется числом орбиталей, которые могут быть использованы в образовании химических связей.

[7] Гибридные атомные орбитали обозначают буквой «g».

[8]Ковалентной полярной будет также связь между атомами нетипичных металлов и неметаллов в случае небольшой разницы в значениях их ЭО, например AlBr₃, GeH₄ и др.

[9] Эффективный (реальный) заряд атома – это заряд, возникающий на атоме вследствие смещения электронной плотности связи в сторону более электроотрицательного атома. При этом более электроотрицательный атом приобретает отрицательный заряд (он обозначается «-δ»), а атом - партнёр – положительный «+δ». Величина эффективного заряда измеряется в единицах заряда электрона. Для атомов, образующих ковалентную неполярную связь, эффективный заряд равен нулю, например, Н–Н. Эффективный заряд может служить мерой ионности химической связи. Например, для хлороводорода HCl: δ_H = +0,2, δ_Cl = –0,2, и связь в молекуле HCl примерно на 20 % имеет ионный характер, то есть она полярна и близка к ковалентной; в хлориде натрия NaCl: δ_Na = +0,8, δ_Cl = –0,8, и можно говорить, что связь на 80 % ионная.

В пределах Периодической системы хим. элементов с увеличением порядкового номера элемента значения эффективных зарядов атомов в одноатомных соединениях уменьшаются. В главных подгруппах с ростом порядкового номера элемента эффективные заряды увеличиваются. Эффективный заряд атома одного и того же элемента в различных соединениях снижается с уменьшением полярности связи.

[10] ОЭО χ (хи)

Поиск по сайту: