Полярные молекулы, содержащие атом водорода, могут образовывать электростатические связи, называемые водородными связями. Атом водорода уникален тем, что он состоит из одного электрона вокруг одного протона. Когда электрон притягивается к другим атомам в молекуле, положительный заряд экспонированного протона приводит к поляризации молекулы.
Этот механизм позволяет таким молекулам образовывать прочные водородные связи помимо ковалентных и ионных связей, которые составляют основу большинства соединений. Водородные связи могут придавать соединениям особые свойства и могут делать материалы более стабильными, чем соединения, которые не могут образовывать водородные связи.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Полярные молекулы, которые включают атом водорода в ковалентную связь, имеют отрицательный заряд на одном конце молекулы и положительный заряд на противоположном конце. Одиночный электрон от атома водорода мигрирует к другому атому с ковалентной связью, оставляя обнаженным положительно заряженный протон водорода. Протон притягивается к отрицательно заряженному концу других молекул, образуя электростатическую связь с одним из других электронов. Эта электростатическая связь называется водородной связью.
Как образуются полярные молекулы
В ковалентных связях атомы разделяют электроны, образуя стабильное соединение. В неполярных ковалентных связях электроны распределяются поровну. Например, в неполярной пептидной связи электроны равномерно распределяются между атомом углерода карбонильной группы углерод-кислород и атомом азота амидной группы азот-водород.
В случае полярных молекул электроны, связанные ковалентной связью, имеют тенденцию собираться на одной стороне молекулы, в то время как другая сторона становится положительно заряженной. Электроны мигрируют, потому что один из атомов имеет большее сродство к электронам, чем другие атомы в ковалентной связи. Например, хотя сама пептидная связь неполярна, структура связанного белка обусловлена к водородным связям между атомом кислорода карбонильной группы и атомом водорода амида группа.
Типичные конфигурации ковалентных связей соединяют атомы, у которых есть несколько электронов во внешней оболочке, с атомами, которым требуется такое же количество электронов для завершения своей внешней оболочки. Атомы разделяют лишние электроны от бывшего атома, и каждый атом иногда имеет полную внешнюю электронную оболочку.
Часто атом, которому нужны дополнительные электроны для завершения своей внешней оболочки, притягивает электроны сильнее, чем атом, обеспечивающий дополнительные электроны. В этом случае электроны распределяются неравномерно, и они проводят больше времени с принимающим атомом. В результате принимающий атом имеет тенденцию иметь отрицательный заряд, в то время как донорный атом заряжен положительно. Такие молекулы поляризованы.
Как образуются водородные связи
Молекулы, которые включают ковалентно связанный атом водорода, часто поляризованы, потому что единственный электрон атома водорода удерживается сравнительно слабо. Он легко мигрирует к другому атому ковалентной связи, оставляя единственный положительно заряженный протон атома водорода с одной стороны.
Когда атом водорода теряет свой электрон, он может образовывать сильную электростатическую связь, потому что, в отличие от других атомов, у него больше нет электронов, экранирующих положительный заряд. Протон притягивается к электронам других молекул, и образовавшаяся связь называется водородной связью.
Водородные связи в воде
Молекулы воды с химической формулой H2O, поляризованы и образуют прочные водородные связи. Одиночный атом кислорода образует ковалентные связи с двумя атомами водорода, но не разделяет электроны поровну. Два электрона водорода проводят большую часть своего времени с атомом кислорода, который становится отрицательно заряженным. Два атома водорода становятся положительно заряженными протонами и образуют водородные связи с электронами атомов кислорода других молекул воды.
Поскольку вода образует эти дополнительные связи между своими молекулами, она обладает несколькими необычными свойствами. Вода имеет исключительно сильное поверхностное натяжение, необычно высокую температуру кипения и требует много энергии, чтобы превратиться из жидкой воды в пар. Такие свойства типичны для материалов, для которых поляризованные молекулы образуют водородные связи.
