Водородная связь - определение, эффекты, типы, свойства

Водородная связь представляет собой электростатический контакт диполь-диполь между молекулами, который имеет определенные характеристики ковалентной связи. Водородная связь сильна и направлена, что приводит к более коротким межатомным расстояниям и небольшому числу партнеров по взаимодействию. Его прочность на моль водородных связей колеблется от 4 кДж до 50 кДж. При водородной связи взаимодействие между неподеленной парой богатого электронами донорного атома, особенно элементов второго ряда, таких как азот, кислород и фтор, и разрыхляющей молекулярной орбиталью связи между водородом и более электроотрицательным атомом или группой является называется частичной межмолекулярной связью.

Хотя водородные связи вносят свой вклад как электростатически, так и ковалентно, степень их вклада все еще обсуждается. Текущие исследования показывают, что преобладающий вклад является ковалентным.

Водородная связь

Hydrogen bonding is the development of hydrogen bonds, which are a type of attractive intermolecular force caused by the dipole-dipole interaction between a hydrogen atom bound to a strongly electronegative atom and another very electronegative atom nearby. Hydrogen is covalently bound to the more electronegative oxygen atom in water molecules (H₂O). 

В результате диполь-дипольных взаимодействий между атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы Н2О в молекулах воды возникает водородная связь.

Связующая пара электронов в связи ОН в этом случае достаточно близка к ядру кислорода (из-за большой разницы электроотрицательностей кислорода и водорода). В результате атом водорода генерирует частичный положительный заряд (+), тогда как атом кислорода развивает частичный отрицательный заряд (-).

Электростатическое взаимодействие между атомом водорода одной молекулы воды (с зарядом +) и атомом кислорода другой молекулы воды (с зарядом -) теперь может вызывать образование водородных связей. В результате водородные связи представляют собой уникальный тип силы межмолекулярного притяжения, которая возникает только тогда, когда атомы водорода связаны с сильно электроотрицательным атомом. По сравнению с типичными диполь-дипольными и дисперсионными силами водородные связи в первую очередь прочны. Однако они слабее, чем настоящие ковалентные или ионные связи.

Conditions required for Hydrogen Bonding

• A highly electronegative atom must be coupled to the hydrogen atom in the molecule. The polarisation of a molecule is proportional to its electronegativity.
• The electronegative atom should be modest in size. The greater the electrostatic attraction, the smaller the size.

Влияние водородных связей на элементы

1. Диссоциация: HF диссоциирует в воде и выделяет дифторид-ион вместо фторид-иона. В HF это связано с водородной связью. Молекулы HCl, HBr и HI не образуют водородных связей. Это объясняет, почему не существует таких химических веществ, как KHCl ₂ , KHBr ₂ и KHI ₂ .
2. Ассоциация: из-за водородных связей молекулы карбоновых кислот существуют в виде димеров. Молекулярная масса таких соединений в два раза больше, чем рассчитанная по их простой формуле.

Примеры водородной связи

• Вода . Высокоэлектроотрицательный атом кислорода соединен с атомом водорода в молекуле воды. Общая пара электронов больше притягивается к атомам кислорода, и этот конец молекулы становится отрицательным, а атомы водорода — положительными.

• Водородный флорид – самая прочная водородная связь образуется фтором, который имеет самую высокую электроотрицательность.

• Аммиак – содержит сильно электроотрицательные атомы азота, связанные с атомами водорода.

• Спирт и карбоновая кислота

Strength of Hydrogen Bond: The hydrogen bond is a relatively weak one. Hydrogen bonds have a strength that is halfway between weak van der Waals forces and strong covalent bonds. The attraction of the shared pair of electrons, and hence the atom’s electronegativity, determines the hydrogen bond’s dissociation energy.

Свойства водородной связи

1. Летучесть . Температура кипения соединений, содержащих водородные связи между отдельными молекулами, выше, поэтому они менее летучи.
2. Растворимость . Из-за водородных связей, которые могут возникать между водой и молекулой спирта, низшие спирты растворимы в воде.
3. Меньшая плотность льда, чем у воды . В случае твердого льда водородные связи заставляют молекулы воды образовывать клеточную структуру. На самом деле каждая молекула воды тетраэдрически связана с четырьмя другими молекулами воды. В твердом состоянии молекулы не так плотно упакованы, как в жидком состоянии. Эта похожая на футляр структура разрушается по мере таяния льда, сближая молекулы. В результате объем воды уменьшается, а плотность увеличивается при том же количестве воды. В результате при температуре 273 К лед имеет меньшую плотность, чем вода. Лед плавает из-за этого.
4. Вязкость и поверхностное натяжение . Водородная связь встречается в соединениях, имеющих связанную молекулу. В результате их течение усложняется. Они имеют высокое поверхностное натяжение и более высокую вязкость.

Why do hydrogen-bonded compounds have high melting and boiling points?

The melting and boiling temperatures of hydrogen-bonded compounds are unusually high. The elevated melting and boiling points of hydrogen-bonded compounds are attributable to the additional energy required to break these bonds.

• At room temperature, H₂O is a liquid, whereas H₂S, H₂Se, and H₂Te are all gases. Hydrogen bonding produces links in the water molecules, resulting in water having a higher boiling point than the other chemicals.
• Because there is hydrogen bonding in NH₃, but not in PH₃, ammonia has a higher boiling point than PH₃.
• The presence of hydrogen bonding accounts for hydrogen fluoride’s particularly high boiling point among the halogen acids.
• Because ethanol contains hydrogen bonds, it has a higher boiling point than diethyl ether.

Типы водородной связи

Существует два типа Н-связей, которые обозначаются следующим образом:

1. Межмолекулярная водородная связь. Межмолекулярная водородная связь возникает, когда водородные связи образуются между молекулами одного и того же или разных веществ. Например, водородная связь в воде, спирте и аммиаке.
2. Внутримолекулярная водородная связь. Внутримолекулярная водородная связь относится к водородной связи, возникающей внутри одной молекулы. Это происходит в соединениях с двумя группами, одна из которых имеет атом водорода, связанный с электроотрицательным атомом, а другая имеет сильно электроотрицательный атом, связанный с менее электроотрицательным атомом другой группы. Связь создается между более электроотрицательными атомами одной группы и атомами водорода другой группы.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Правило октета состояний.

Отвечать:

Atoms are most stable when their valence shells are filled with eight electrons, according to the octet rule. It is based on the observation that the atoms of the major group elements have a proclivity for chemical bonding in such a way that each atom in the resulting molecule has eight electrons in the valence shell. Only the core group elements are subject to the octet rule.

Вопрос 2: Какие факторы влияют на формирование ионной связи?

Отвечать:

Factors affecting the formation of Ionic Bond are:- 

• Ionization Enthalpy
• Electron Gain Enthalpy
• Lattice Energy

Вопрос 3: Перечислите любые три характеристики ионных соединений.

Отвечать:

Characteristics of Ionic Compounds are as follows:-

1. The melting and boiling points of ionic compounds are usually quite high. This is due to the strong electrostatic forces that hold ions together in ionic compounds.
2. Ionic compounds are frequently found in solid form.
3. Ionic compound solutions are excellent electrical conductors. In their molten condition, they are also good conductors of electricity.

Вопрос 4: Что такое водородная связь?

Отвечать:

When a hydrogen atom is coupled to a highly electronegative atom, the shared pair of electrons are attracted more by this atom, and the molecules’ negative end becomes slightly negative while the positive end becomes slightly positive.The negative end of one molecule attracts the positive end of the other, resulting in the formation of a weak bond. This connection is referred to as Hydrogen Bonding.

Вопрос 5: Какие условия необходимы для водородной связи?

Отвечать:

Conditions required for Hydrogen Bonding are:

• A highly electronegative atom must be coupled to the hydrogen atom in the molecule. The polarisation of a molecule is proportional to its electronegativity.
• The electronegative atom should be modest in size. The greater the electrostatic attraction, the smaller the size.