Можно ли утверждать что водородная связь обладает направленностью насыщаемостью объясните

Водородная связь

Межмолекулярные взаимодействия

Ориентационные силы притяжения возникают между полярными молекулами (диполь-диполь взаимодействие). Эти силы возникают между полярными молекулами. Индукционные взаимодействия — это взаимодействие между полярной молекулой и неполярной. Неполярная молекула поляризуется из-за действия полярной, что и порождает дополнительное электростатическое притяжение.

Особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородные связи.

Водородные связи — это межмолекулярные (или внутримолекулярные) химические связи, возникающие между молекулами, в которых есть сильно полярные ковалентные связи — H-F, H-O или H-N. Если в молекуле есть такие связи, то между молекулами будут возникать дополнительные силы притяжения.

Механизм образования водородной связи частично электростатический, а частично — донорно–акцепторный. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором — атомы водорода, соединенные с этими атомами. Для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость.

Водородные связи возникают между следующими веществами:

Водородная связь оказывает влияние на физические и химические свойства веществ. Так, дополнительное притяжение между молекулами затрудняет кипение веществ. У веществ с водородными связями наблюдается аномальное повышение тепературы кипения.

Источник

Водородная связь в химии — как и где образуется, свойства, примеры

Водородная связь встречается во всех областях химии и проявляется в виде межмолекулярного или внутримолекулярного взаимодействия особых групп, одна из которых обязательно содержит реакционно-способный атом водорода с положительным зарядом. Это глобальное явление, называемое также H-связью, отличается от других объединений химических частиц тем, что образуется самопроизвольно в подходящих условиях, а не в результате направленного воздействия.

Характерные особенности

Этот тип связи возникает в молекулах, когда их атом водорода, поляризованный положительно, взаимодействует с атомом другой молекулы, имеющим заряд отрицательный. Расстояние между атомами-участниками процесса должно оказаться меньше, чем сумма их радиусов. Выделяют два вида H-связей:

Энергия H-связи обладает низкими прочностными характеристиками: она в несколько раз ниже, чем у остальных подобных взаимодействий. Это позволяет ей существовать промежуточным звеном между основными химическими связями (ковалентной, ионной и металлической) и силами притяжения и отталкивания Ван-дер-Ваальса, стремящимися удержать частицы в твёрдом или жидком состоянии. Кристаллические решётки с молекулами в узлах — характерная особенность веществ с водородной связью. Примеры можно привести различные:

Механизм образования водородной связи считается смешанным — одновременно электростатическим и донорно-акцепторным. Решающая роль в этом принадлежит повышению электроотрицательности одного атома (A), позволяющей оттягивать в свою сторону электронную пару другого атома (H), принимающего участие в этом взаимодействии. В результате:

Образовавшиеся атомы водорода, заряд которых частично положителен, обладают способностями притягивать другие молекулы, содержащие электроотрицательные группы. Эти электростатические взаимодействия и обуславливают появление Н-связей, для формирования которых необходимы три обязательных элемента:

Такое донорство в обычных условиях никогда не осуществляется на все 100%. Атом-донор остается химически связанным с водородом. Графически это обозначается в виде линии из точек, указывающей, что сила взаимодействия слабее ковалентной связи. Схема записи структуры выглядит следующим образом: Б ··· Нd+ — Аd-.

Только три химических элемента полностью проявляют донорские способности, и их атомы поставляют протоны для образования Н-связей: азот (N), кислород (O) и фтор (F). В атомах-акцепторах недостатка не наблюдается. Низкомолекулярным соединениям H-связь придаёт способность в обычных условиях иметь жидкое агрегатное состояние, как это происходит у этанола (C2H5OH), метанола (CH3OH) и воды (H2O), или становиться сжижающимися при охлаждении газами — аммиаком (NH3) и гидрофторидом (HF).

Проявление в неорганической химии

Определение «водородная связь» появилось в 1920 году. Его применили учёные Латимер и Родебуш для объяснения сущности аномалий, наблюдавшихся при кипении воды, предельных одноатомных спиртов и жидкого фтороводорода. При сопоставлении точек кипения в ряду водородсодержащих родственных соединений Н2O (вода), Н2S (сероводород), Н2Se (селеноводород) и Н2Te (теллуроводород) обнаружилось, что первый участник этого списка (H2O) переходит из жидкости в пар гораздо раньше, чем можно было бы ожидать, следуя закономерности, которой подчиняются остальные члены. Истинное значение точки кипения воды оказалось на 200° C выше ожидаемого.

Это справедливо и для другого ряда — NH3 (аммиак), PH3 (фосфин), H3As (арсин), Н3Sb (стибин), где фактическая (-33 °C) температура кипения аммиака на 80 градусов превышает ожидаемую. Если считать, что молекулы в жидкости удерживаются исключительно Ван-дер-Ваальсовыми силами, разрушающимися при переходе в газообразную фазу, то эти скачки не должны наблюдаться, а объяснить их невозможно.

Неожиданные повышения температур кипения привели к выводам о присутствии дополнительно связывающих молекулы сил, изменяющих физические свойства. Водородной связи принадлежит роль в создании аномальных температур кипения спиртов, если их сравнивать с аналогами без гидроксильных групп (-ОН). В перечне заслуг H-связей не только изменение точек кипения веществ, но и упрочнение их кристаллических решёток, вызывающее повышение температур плавления, поверхностного натяжения и вязкости.

Например, борная кислота с формулой H3BO3 имеет слоистую триклинную кристаллическую решётку, где каждая из молекул посредством H-связей крепится к трём другим. В результате образуются плоские слои, которые за счёт межмолекулярных связей создают кристаллическую структуру — «паркет» из шестиугольников.

При помощи инфракрасной спектроскопии сегодня можно достоверно выявить любой тип межмолекулярного взаимодействия: группы с Н-связями заметно отличаются по спектральным характеристикам от остальных случаев. Исследования структуры вещества помогают измерить дистанцию между водородом и атомом-акцептором, сравнить её с суммой радиусов и, если первое значение не превышает второе, доказать существование явления.

Понятие водных кластеров

Земля — чемпион по содержанию воды среди других планет Солнечной системы. Моря и океаны, реки и озёра, средние глубины которых достигают 6 тыс. метров, занимают 70% земной поверхности, а в областях полюсов сосредоточились огромные запасы влаги в виде снегов и льдов.

Трудно переоценить влияние воды на возникновение и существование жизни на нашей планете. Это связано с особенностями, нехарактерными для соединений, считающихся её близкими аналогами. Только вода находится в жидком и твёрдом состоянии при условиях, в которых водородные соединения серы или селена с большей атомной массой становятся газообразными.

Присутствие H-связей в молекулах воды обуславливает образование водных кластеров или комплексов, а димеры воды служат их простейшими примерами. Энергия их водородных связей ненамного больше энергии броуновского движения при нормальных условиях, но сильно отличается от мощности ковалентных связей в гидроксильных группах, а они в 200 раз превышают тепловые показатели. Вода из простой жидкости превращается в сложную, «связанную» сетью H-связей, хотя они относительно слабы и неустойчивы, самопроизвольно возникают и исчезают при температурных изменениях.

Кристаллическая структура льда имеет объёмную сетку из этих связей, и молекулы H2O расположены так, чтобы атомы водорода одних молекул оказывались направленными к атомам кислорода соседей. В ледяном кристалле между молекулами обязательно присутствуют пустоты, их объёмы немного превышают размеры отдельных молекул воды. Именно благодаря таким «карманам» плотность льда меньше, чем у его жидкой фазы, а гигантские айсберги остаются дрейфовать на поверхности, в то время как замерзание большинства других веществ существенно увеличивает их плотность.

Водородные связи сообщают воде уникальную характеристику, обеспечивающую существование разнообразных форм жизни в областях, где окружающие температуры опускаются ниже нуля. Если на минуту представить, что лёд начнёт тонуть в воде, то моря зимой рано или поздно промёрзнут до самого дна, и рыбы будут обречены на вымирание. Люди могли бы растапливать лёд для получения живительной влаги, но это потребует больших энергозатрат.

Ещё одно проявление H-связей — голубая окраска чистой воды в её толще. Колебание одной молекулы воды вызывает движение соседних частиц, соединенных с ней водородными связями. Красные лучи из состава солнечного спектра будут расходоваться на поддержание этих колебаний, поскольку больше всего соответствуют им энергетически. Происходит фильтрация красных лучей — их энергия поглощается и рассеивается в виде тепла колеблющимися молекулами.

Начинает проступать голубой участок спектра, уравновешивающий отсутствие красного. Вода самостоятельно окрасится в волшебный небесный цвет. Для этого необходимо, чтобы солнечные лучи прошли через двухметровую толщу чистой воды и потеряли достаточное количество красного спектра.

Значение для органических соединений

Многие органические вещества не могут растворяться в воде. Но если это происходит, то процесс не обходится без активного участия H-связей. Кислород и азот, главные доноры протонов, часто играют роли акцепторов. Органические соединения, содержащие O и N, легко растворяются в воде: здесь кислород и азот выступают в качестве атомов-акцепторов, а атомом-донором является кислород из молекул воды. Возникающие H-связи перемещают органическое вещество в раствор, «растаскивая» его на молекулы.

Просматривается эмпирическая закономерность: органическое соединение будет легко растворяться в воде, если в составе его молекул на каждый атом кислорода приходится не более 3 атомов углерода. Например, бензол C6H6 в воде растворяется плохо, но замена одной группы (-СН) на (-N) даёт пиридин С5Н5N, смешивающийся с водой в любых пропорциях.

Для неводных растворов, в которых растворителями служат органические вещества, тоже характерны H-связи. В них водород частично положительно поляризован, а поблизости обнаруживается молекула с сильным акцептором — чаще всего это бывает кислород. Жирные кислоты приобретают полезную способность растворяться в хлороформе HCCl3, а растворённый в ацетоне ацетилен получил важное техническое применение. Горючий газ C2H2 под давлением чувствителен к сотрясениям и взрывоопасен, но его растворение в ацетоне C3H6O позволяет безопасно хранить и транспортировать любые объёмы.

Трудно переоценить роль H-связей в прочных полимерных и биополимерных структурах. Целлюлоза (клетчатка древесины) в строении молекулы располагает гидроксильные группы по бокам полимерной структуры, в которой чередуются циклические фрагменты. Невысокая энергия единичной Н-связи, умноженная на количество по всей длине молекулярной цепи, вызывает в итоге мощное притяжение. Из-за этого целлюлозу можно растворить только в высокополярных растворителях — дигидроксотетрааммиакате меди, известном как реактив Швейцера.

Карбонильные (=C=O) и аминогруппы (-NH2) в расположенных рядом полимерных цепочках капрона и нейлона тоже образуют связи этого типа и увеличивают механическую прочность веществ, поскольку в полиамидных структурах создаются кристаллические фрагменты. Аналогично ведут себя полиуретаны и белки: витки белковых спиралей закрепляются всё теми же H-связями, возникающими при взаимодействии функциональных групп.

Полимерная макромолекула ДНК — хранилище запасов информации о живом организме, зашифрованной в чередующихся фрагментарных циклах. Их карбонильные и аминогруппы имеют четыре типа азотистых оснований (аденин A, гуанин G, тимин T, цитозин C) и располагаются в форме боковых ответвлений по длине молекулы. От порядка их чередования зависят индивидуальные особенности всего живого на планете. Взаимодействия пар в составе аминогруппы и атома азота дают начало множеству Н-связей, которые удерживают 2 молекулы ДНК в виде классической двойной спирали.

Источник

Водородная связь

Водородная связь весьма распространена и играет важную роль в биологических объектах. Рассмотрим ее образование подробнее.

Образование водородной связи

При возникновении подходящих условий водородная связь возникает самопроизвольно.

Какие же условия приводят к возникновению водородной связи?

Можно предположить, что в любом ряду веществ с молекулами одинаковой формы и полярности температуры плавления и кипения должны повышаться прямо пропорционально возрастанию молекулярной массы, однако существуют некоторые несоответствия.

На следующем рисунке приведены кривые зависимости температуры кипения гидридов элементов 6 группы от молекулярной массы.

Так, для гидридов элементов 6 группы наблюдается последовательное увеличение температур кипения и плавления с увеличением молекулярной массы (номера периода), но из этой закономерности выпадает вода.

В 5 группе аномально высокие температуры кипения и плавления наблюдаются у аммиака NH₃, а в 7 группе – у HF, по сравнению с гидридами элементов соответствующих групп.

Почему вода, аммиак и фтороводород имеют аномально высокие температуры кипения и плавления?

Это связано с присутствием в воде, аммиаке и фтороводороде водородных связей.

Водородная связь — это внутри- или межмолекулярная связь, которая образуется с соединениях между атомами водорода и атомами, имеющими большую электроотрицательность (N, O, F).

Механизм образования водородной связи, вследствие электростатического притяжения атомов — электростатический. Но частично он также носит донорно–акцепторный характер.

Образуемые соединения имеют большую полярность, возникает диполь. Атом водорода находится на положительном конце диполя. Этот диполь может взаимодействовать с неподеленной электронной парой кислорода (и азота, и фтора), который принадлежит другой или этой же молекуле. Таким образом, донором электронной пары являются атомы F, O или N, а акцептором — атомы водорода.

Графически, на рисунках, водородная связь обозначается тремя точками:

Виды водородной связи

Характеристика водородной связи

Водородная связь характеризуется

N-H···Y ˂ O-H···Y ˂ F-H···Y

Т.е., связь тем прочнее, чем меньше размер атома с неподеленными парами — N, O, F и больше его электроотрицательность. Среди них более прочную водородную связь образует тот, неподеленная электронная пара которого менее сильно притягивается к своему ядру.

Источник

Лекции по химии

вторник, 20 марта 2012 г.

Насыщаемость и направленность

Насыщаемость

Максимальная ковалентность у элементов 2 го периода равна 4, т.к. на внешнем энергетическом уровне у них находятся 4 орбитали (s и p) и может разместиться максимум 8 электронов 2s 2 2p 6 (2+6=8) 8:2=4.

Атомы элементов 3 го периода и т.д. имеют и d-орбитали и ковалентность может = 9; 3s 2 3p 6 3d 10 (2+6+10=18); 18:2=9.

Способность атомов участвовать в образовании ограниченного числа ковалентных связей называется насыщаемостью.

Направленность

Свойства молекулы, её способность вступать в химическое взаимодействие с другими молекулами (реакционная способность) зависят не только от прочности химических связей в молекуле, но в значительной мере и от её пространственного строения. Этот раздел химии называется стереохимией.

Образование ковалентной связи осуществляется за счет перекрывания электронных облаков взаимодействующих атомов. При этом область перекрывания располагается в определенном направлении к атомам. Иначе говоря обладает направленностью.

Например, молекула водорода.

Перекрывание атомных s- орбиталей происходит вблизи прямой, соединяющей ядра атомов Н, т.е. оси. Такая связь называется сигма связью – σ связь.

В образовании σ связи могут принимать участие и р-электроны. Например: HF

– связь ориентирована вдоль оси.

Но при взаимодействии р-электронов перпендикулярно оси связи, образуется не одна, а две области перекрывания, такая связь называется Пи – связью. (π – связь). см. N₂

Идет образование связи в N₂ за счет 3 х ковалентных связей 1 сигма и 2 Пи связи в пространстве x, y, z.

Пи связь и сигма неравноценны, т.к. энергия из разрыва различна.

Источник

Водородная связь. Межмолекулярные взаимодействия

Водородная связь – это связь между“+”атомом водорода одной молекулы и “-”атомом другой молекулы. Вод. связь имеет электростат. и донорно-акцепторный характер. Водородная связь, обусловлена электростатическим взаимодействием между молекулами. Таким образом, водородная связь близка к межмолекулярным связям. Все межмолекулярные связи имеют низкую энергию.

Водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости. Водородная связь характерна для спиртов, карбоновых кислот, в том числе высших и нуклеиновых, белков.

Агрегатные состояния вещества.

Свойства плазмы:

Квазинейтральность-что (-) заряд электронов в ней почти точно нейтрализует (+) заряд ионов. Высокая t,электропроводность.

Газ— это агрегатное состояние вещества, в котором силы взаимодействия его частиц, заполняющих весь предоставленный им объем. Свойства газов: образующие его частицы хаотически движутся и при этом большую часть времени находятся на больших расстояниях друг от друга, сжимаемость и способность расширяться,способны смешиваться друг с другом, и более активные.

Жидкость— это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкостям присущи некоторые черты твердого вещества (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в котором находится). Ближний порядок – это строгое расположение близко лежащих частиц по отношению к одной частице. Свойства:изотропность, то есть одинаковостью физических свойств по различным направлениям; текучесть; жидкости присущ определенный объем. Жидкие кристалы- вещества обладающие свойствами и жидкостей и кристалов. Типы: смертические, нематические, холестиричекие.

Твердое состояние вещества — это агрегатное состояние, которое характеризуется большими силами взаимодействия между частицами вещества, характеризуются устойчивостью формы.

Вещество, находящееся в твёрдом состоянии, но структура его приближается к структуре жидкости –аморфными. Свойства аморфных тел: отсутствие атомной или молекулярной решетки; наличие только ближнего порядка; неустойчивость; изотропность; текучесть; нет фиксированной tпл(мёд, янтарь, канифоль, смола, битум_,стекло, многие оксиды, гидроксиды)

Кристаллические вещества.

Строение вещества определяется не только взаимным расположением атомов в химических частицах, но и расположением этих химических частиц в пространстве. Наиболее упорядочено размещение атомов, молекул и ионов в кристаллах, где химические частицы расположены в определенном порядке, образуя в пространстве кристаллическую решетку.

Геометрически правильная форма кристаллов обусловлена, прежде всего, их строго закономерным внутренним строением. Если вместо атомов, ионов или молекул в кристалле изобразить точки как центры тяжести этих частиц, то получится трехмерное регулярное распределение таких точек, называемое кристаллической решеткой. Сами точки называют узлами кристаллической решетки. Свойства кристаллов: дальний порядок; наличие анизотропии(зависимость механических, оптических, магнитных, электрических свойств кристалла от направления); постоянной t кристаллизации и плавления.

Одиночные кристаллы – монокристаллы(то есть единый кристалл); поликристаллами– соединения, состоящие из большого числа кристаллических зёрен.

Ещё в 1749 году М.В. Ломоносов закон постоянства междугранных углов: кристаллы одной и той же модификации данного вещества могут иметь разную величину, форму и количество граней, но углы между соответствующими гранями при данной температуре и давлении остаются постоянными. Сущ. 230 кристаллических форм.

Кристаллы – симметричные фигуры, обладающие определёнными элементами симметрии: центром, плоскостью и осью симметрии. Центр симметрии – точка внутри кристалла, делящая пополам любую проходящую через неё прямую, проведённую до пересечения с гранями кристалла. Плоскость симметрии – плоскость, делящая кристалл на две зеркально отображающие части. Ось симметрии – линия, при вращении вокруг которой на 360° кристалл совмещается сам с собой n раз. Число совмещений n называется порядком оси симметрии. Число n может быть равным 2, 3, 4 или 6. Оси пятого и выше шестого порядков в кристаллах не существует, так как они несовместимы с пространственным расположением атомов в кристаллической решётке. В кубической системе можно выделить 3 вида кристаллических решеток:

а) простая кубическая решётка (ПК)

d = а

k = 6

r = 52,4 %.

(NaCl, KCl и большая часть оксидов, сульфидов)

б) объёмно-центрированная кубическая решётка (ОЦК)

Простая+частица в ячейке, расположенная в точке пересечения диагоналей куба.

r = 68 %.

(CsCl, щелочные металлы)

в) гранецентрированная кубическаярешётка (ГЦК)

Простая + 6 частиц, расположенных на каждой грани в точке пересечения диагоналей квадрата.

r = 74 %.

г) гексагональная плотная упаковка (ГПУ)

а – длина ребра h – высота призмы

r = 74 %. (Be, Mg,Са, Zn,Sr, Cd, Ti, Tl, Zr)

Элементарная ячейка кристалла – это наименьший объём кристаллической решётки вещества, отображающий его хим состав и все особенности внутренней структуры.

а – величина ребра; кратчайшее расстояние между частицами в ячейке – d; координационное число – k – число одинаковых частиц, расположенных на кратчайшем расстоянии от данной частицы; число частиц, необходимое для построения элементарной ячейки – n; Эффективный радиус r_эф=d/2.

Расчёт размеров элементарных ячеек кубической системы

Источник