Водородная связь - важная тема в химии, и она лежит в основе поведения многих веществ, с которыми мы взаимодействуем изо дня в день, особенно воды. Понимание водородной связи и того, почему она существует, является важным шагом в понимании межмолекулярной связи и химии в целом. Водородная связь в конечном итоге вызвана разницей в чистом электрическом заряде в некоторых частях определенных молекул. Эти заряженные участки привлекают другие молекулы с такими же свойствами.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Водородная связь вызвана тенденцией некоторых атомов в молекулах притягивать электроны больше, чем их сопутствующий атом. Это дает молекуле постоянный дипольный момент - это делает ее полярной - поэтому она действует как магнит и притягивает противоположный конец других полярных молекул.
Электроотрицательность и постоянные дипольные моменты
Свойство электроотрицательности в конечном итоге вызывает образование водородных связей. Когда атомы ковалентно связаны друг с другом, они разделяют электроны. В идеальном примере ковалентной связи электроны распределяются поровну, поэтому общие электроны находятся примерно на полпути между одним атомом и другим. Однако это только в том случае, когда атомы одинаково эффективно притягивают электроны. Способность атомов притягивать связывающие электроны известна как электроотрицательность, поэтому, если электроны распределяются между атомами с такой же электроотрицательностью, то электроны в среднем находятся примерно посередине между ними (потому что электроны движутся непрерывно).
Если один атом более электроотрицателен, чем другой, общие электроны более близко притягиваются к этому атому. Однако электроны заряжены, поэтому, если они более склонны собираться вокруг одного атома, чем другого, это влияет на баланс заряда молекулы. Вместо того, чтобы быть электрически нейтральным, более электроотрицательный атом получает небольшой чистый отрицательный заряд. И наоборот, менее электроотрицательный атом имеет небольшой положительный заряд. Эта разница в заряде создает молекулу с так называемым постоянным дипольным моментом, и их часто называют полярными молекулами.
Как работают водородные связи
Полярные молекулы имеют в своей структуре два заряженных участка. Точно так же, как положительный конец магнита притягивает отрицательный конец другого магнита, противоположные концы двух полярных молекул могут притягиваться друг к другу. Это явление называется водородной связью, потому что водород менее электроотрицателен, чем молекулы, с которыми он часто связывается, например, кислород, азот или фтор. Когда водородный конец молекулы с чистым положительным зарядом приближается к кислороду, азоту, фтору или другому электроотрицательному концу, в результате получается молекула-молекула. связь (межмолекулярная связь), которая отличается от большинства других форм связи, с которыми вы сталкиваетесь в химии, и отвечает за некоторые уникальные свойства различных вещества.
Водородные связи примерно в 10 раз менее прочны, чем ковалентные связи, удерживающие вместе отдельные молекулы. Ковалентные связи трудно разорвать, потому что для этого требуется много энергии, но водородные связи достаточно слабы, чтобы их можно было разорвать относительно легко. В жидкости движется множество молекул, и этот процесс приводит к разрыву и преобразованию водородных связей, когда энергии достаточно. Точно так же нагревание вещества разрывает некоторые водородные связи по той же причине.
Водородная связь в воде
Вода (H2O) является хорошим примером действия водородных связей. Молекула кислорода более электроотрицательна, чем водород, и оба атома водорода находятся на одной стороне молекулы в форме буквы «v». Это дает стороне молекулы воды с атомами водорода чистый положительный заряд, а стороне кислорода - отрицательный заряд. Следовательно, атомы водорода одной молекулы воды связаны с кислородной стороной других молекул воды.
Для образования водородных связей в воде доступны два атома водорода, и каждый атом кислорода может «принимать» водородные связи из двух других источников. Это сохраняет межмолекулярную связь прочной и объясняет, почему вода имеет более высокую температуру кипения, чем аммиак (где азот может принимать только одну водородную связь). Водородная связь также объясняет, почему лед занимает больше объема, чем та же масса воды: водородные связи фиксируются на месте и придают воде более регулярную структуру, чем когда она является жидкостью.