Водородная связь: механизм образования ее между молекулами, примеры

• Атомы металлов имеют ряд особенностей:
• ·          На внешнем слое у них от одного до трёх электронов;
• ·           У них сравнительно большие радиусы атомов;
• ·          Атомы металлов имеют достаточное количество свободных орбиталей.

Например, у атома натрия один электрон на третьем энергетическом уровне. А на третьем энергетическом уровне всего девять орбиталей (одна эс, три пэ и пять дэ орбиталей).

Когда атомы металлов сближаются, то их свободные орбитали перекрываются и валентные электроны одного атома могут перемещаться на свободные орбитали другого атома.

При этом, в кристалле металла постоянно идут два противоположных процесса: атом, который отдал электроны превращается в катион, а свободные электроны при этом, притягиваясь к положительным ионам металлов вновь превращают их в нейтральные атомы.

Поэтому в металлах постоянно идёт превращение атомов в ионы и наоборот, а частицы, из которых состоят кристаллы металла, называют атом-ионами.

Поэтому в узлах кристаллической решётки металлов находятся как нейтральные атомы, так и катионы металла. Образовавшиеся при этом электроны перемещаются внутри кристалла металла и являются общими для всех атомов и ионов металла, связывая их между собой.

Таким образом, металлическая связь – это химическая связь, между атомами в металлическом кристалле посредством обобществления валентных электронов.

Металлическая связь характерная для металлов и сплавов и объясняет ряд физических свойств металлов: ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность металлов, металлический блеск.

Особенностью этой химической связи является то, что она не имеет направленности в пространстве, она является коллективной, как и ионная, потому что в ней принимают участие все атомы металла.

Сходство металлической связи с ковалентной заключается в том, что при её образовании электроны обобществляются, но в металлической связи эти электроны связывают все атомы металла в кристалле, а в ковалентной связи связываются только находящиеся рядом атомы.

Водородная связь осуществляется между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Причем, чаще всего отрицательно заряженным атомом являются наиболее электроотрицательные элементы: фтор, кислород, азот, реже хлор и сера.

Схематично водородную связь показывают тремя точками. Образование водородной связи объясняется электростатическим взаимодействием между молекулами. При этом возникает донорно-акцэпторное взаимодействие свободной орбитали атома водорода и орбитали с неподелённой парой электронов электроотрицательного атома. Из-за этого, водородная связь обладает направленностью.

Благодаря водородной связи молекулы объединяются в ассоциаты, как, например, димеры уксусной кислоты.

1. Водородные связи также определяют кристаллическую структуру льда, в которой каждый атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода – двумя ковалентными и двумя водородными связями.
2. Кристаллическая структура льда
3. 

Водородная связь объясняет такое алхимическое правило, как «подобное растворяется в подобном», когда возникают связи между молекулами растворителя и молекулами растворённого вещества. Вещества метиловый спирт, этанол, уксусная кислота, этиленгликоль, глицерин неограниченно растворимы в воде.

Водородная связь в молекуле аммиака обуславливает его возможность легко сжижаться и вновь переходить в газообразное состояние с поглощением теплоты. Поэтому аммиак используют как хладагент в холодильных установках.

Водородная связь слабее ковалентной, поэтому она характерна для веществ в твёрдом и жидком состояниях.

Некоторые аномальные свойства веществ объясняются наличием водородной связи. Например, высокие температуры кипения воды, фтороводорода и аммиака по сравнению с аналогичными веществами, образованными элементами этих же групп других периодов, объясняются образованием ассоциатов за счёт водородных связей.

Водородная связь наиболее распространена в природе. Эта связь объясняет аномальные свойства воды, такие как высокие температуры кипения и плавления, высокую теплоёмкость и диэлектрическую проницаемость. Благодаря своей структуре лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, поэтому лёд находится на поверхности воды и глубокие водоёмы не промерзают до дна.

Светло-голубой цвет чистой воды и толстого льда также обусловлен водородными связями. Ещё водородная связь объясняет образование кристаллов в виде изморози и снежинок.

Водородная связь возникает и между атомами одной молекулы. Это так называемая внутримолекулярная водородная связь. Она возникает в молекулах органических веществ, которые имеют группы атомов: о-аш, эн-аш, эн-аш-два и другие.

Внутримолекулярная водородная связь

Водородная связь характерна для большинства органических соединений, например, для белков, нуклеиновых кислот. Вторичная структура молекулы ДНК объясняется наличием внутримолекулярной водородной связи. Благодаря ей полипептидная цепь закручена в спираль, и её витки удерживаются от раскручивания.

Но водородная связь непрочная, поэтому белки разрушаются – денатурируют. Денатурация может быть обратимой и необратимой.

Обратимая денатурация белков обусловлена влиянием механического воздействия. Например, многие работники шахт, дорожных служб, горняки, стекловары, металлурги, врачи-рентгенологи, работники химических производств постоянно подвергаются какому-то механическому воздействию. Поэтому для компенсации вредного воздействия условий труда на организм, им предоставляются определённые льготы.

Необратимую денатурацию вы можете наблюдать при варке яиц, мяса, рыбы и других белковых продуктов. Например, если к раствору куриного яйца прилить этилового спирта или соли тяжёлого металла, то можно будет наблюдать выпадение осадка вследствие денатурации белка. Аналогичным действие обладает и никотин, который воздействует на белковые молекулы.

• Денатурацию белка вызывает этиловый спирт, соли тяжёлых металлов.
• Таким образом, молекулы могут взаимодействовать между собой и это взаимодействие называется межмолекулярным.
• Силы, которые обеспечивают это взаимодействие, называются ван-дэр-ваальсовыми, в честь голландского учёного Ван-дэр-Ваальса.
• Межмолекулярное взаимодействие, как и химическая связь, имеет электростатическую природу.

В молекуле возникают противоположные полюса: положительные, где электронная плотность понижена и отрицательные полюса, где электронная плотность повышена. Образовавшиеся полярные молекулы притягиваются друг к другу.

Это межмолекулярное взаимодействие может осуществляться между полярными молекулами, между полярными и неполярными молекулами, а также между неполярными молекулами.

Межмолекулярное взаимодействие объясняет переход вещества из газообразного в жидкое, а затем и в твёрдое. Межмолекулярное взаимодействие слабее, чем ковалентная связь, поэтому связи между молекулами непрочные и легко разрываются. Из-за этого, молекулярные вещества плавятся и кипят при низких температурах.

Чем сильнее межмолекулярное взаимодействие, тем выше у вещества температуры кипения и плавления. Например, кислород из-за более прочного межмолекулярного взаимодействия кипит при более высокой температуре, чем азот. Углеводороды с большей молярной массой кипят при более высокой температуре, чем низкомолекулярные углеводороды.

1. Межмолекулярные связи возникают между молекулами в молекулярной кристаллической решётке.
2. Например, молекулярные кристаллические решётки имеют: водород, азот, кислород, сера, йод, вода, углекислый газ, благородные газы и многие органические вещества.
3. Для веществ с молекулярной кристаллической решёткой характерны низкие температуры плавления и кипения, небольшая твёрдость и лёгкая сжижаемость.

Нагревание некоторых молекулярных кристаллов, как йода, углекислого газа, приводит к переходу вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу. Этот процесс называется возгонкой, или сублимацией.

• Многие органические вещества вообще не плавятся, потому что прочность связей между молекулами в сумме оказывается выше прочности связей внутри молекулы.
• Если попробовать расплавить такие вещества, как крахмал, цэллюлоза или вата, то они начнут разрушать раньше, чем плавиться.

Реакционная способность молекулярных веществ зависит от прочности внутримолекулярных связей, потому что при химическом взаимодействии разрываются внутримолекулярные связи. Парафин – непрочное вещество, связи между молекулами слабые, но это вещество химически устойчиво.

Таким образом, металлическая связь осуществляется за счёт обобществления электронов, межмолекулярное взаимодействие осуществляется между любыми молекулами и объясняет переход вещества из газообразного в жидкое, а затем в твёрдое. Водородная связь осуществляется между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы.

Источник: https://videouroki.net/video/8-metallicheskaya-i-vodorodnaya-svyaz.html

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

Время на чтение: 14 минут

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:

• Межмолекулярная. Возникает между различными молекулами веществ: для этого необходимо присутствие водорода и одного из элементов с хорошей способностью притягивать электроны других атомов. Высокая электроотрицательность фтора (F), кислорода (O), азота (N), хлора (Cl) и серы (S) служит этому надёжной поддержкой. Общие пары взаимодействующих электронов смещаются к атомам отрицательно заряженных элементов, а положительные электрические заряды водорода концентрируются в малых объёмах. Протоны взаимодействуют с электронными парами соседних атомов, что приводит к их обобществлению.
• Внутримолекулярная. Образуется в пределах одной молекулы, для чего в ней наряду с положительно заряженными атомами водорода должны присутствовать отрицательно поляризованные группы. Явление обнаруживается в природе у многоатомных спиртов, белков, углеводов и ряда других органических соединений.

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:

• вода H2O в виде льда;
• кристаллы йода I;
• хлор Cl;
• бром Br;
• диоксид углерода CO2 в форме «сухого льда»;
• твёрдый аммиак NH3;
• конденсированная органика (метан CH4, бензол C6H6, фенол C6H5OH, нафталин C10H8, различные белки).

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:

• первый атом приобретает частично отрицательный заряд (d-);
• второй участник заряжается положительно (d+);
• происходит поляризация химической связи (Аd-) — (Hd+).

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:

• атом-донор протона;
• атом-акцептор протона;
• атом водорода Н.

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.

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: https://nauka.club/khimiya/vodorodnaya-svyaz.html

Металлическая и водородная химические связи. Видеоурок. Химия 11 Класс

• Тема: Типы химической связи
• Урок: Металлическая и водородная химические связи
• Металлическая связьэто тип связи в металлах и их сплавах между атомами или ионами металлов и относительно свободными электронами (электронным газом) в кристаллической решетке.

Металлы – это  химические элементы с низкой электроотрицательностью, поэтому они легко отдают свои валентные электроны. Если рядом с элементом металлом находится неметалл, то электроны от атома металла переходят к неметаллу. Такой тип связи называется ионный (рис. 1).

Рис. 1. Образование ионной связи

В случае простых веществ металлов или их сплавов, ситуация меняется.

При образовании молекул электронные орбитали металлов не остаются неизменными. Они взаимодействуют между собой, образуя новую молекулярную орбиталь.

В зависимости от состава и строения соединения, молекулярные орбитали могут быть как близки к совокупности атомных орбиталей, так и значительно от них отличаться. При взаимодействии электронных орбиталей атомов металла образуются молекулярные орбитали.

Такие, что валентные электроны атома металла, могут свободно перемещаться по этим молекулярным орбиталям. Не происходит полное разделение, заряда, т. е. металл – это не совокупность катионов и плавающих вокруг электронов.

Но это и не совокупность атомов, которые иногда переходят в катионную форму и передают свой электрон другому катиону. Реальная ситуация – это совокупность двух этих крайних вариантов.

Рис. 2

Сущность образования металлической связи состоит в следующем: атомы металлов отдают наружные электроны, и некоторые из них превращаются в положительно заряженные ионы.

Оторвавшиеся от атомов электроны относительно свободно перемещаются между возникшими положительными ионами металлов. Между этими частицами возникает металлическая связь, т. е.

электроны как бы цементируют положительные ионы в металлической решетке (рис. 2).

1. Наличие металлической связи обуславливает физические свойства металлов:
2. · Высокая пластичность
3. · Тепло и электропроводность
4. · Металлический блеск

Пластичность – это способность материала легко деформироваться под действием механической нагрузки. Металлическая связь реализуется между всеми атомами металла одновременно, поэтому при механическом воздействии на металл не разрываются конкретные связи, а только меняется положение атома.

Атомы металла, не связанные жесткими связями между собой, могут как бы скользить по слою электронного газа, как это происходит при скольжении одного стекла по другому с прослойкой воды между ними. Благодаря этому металлы можно легко деформировать или раскатывать в тонкую фольгу. Наиболее пластичные металлы – чистое золото, серебро и медь.

Все эти металлы встречаются в природе в самородном виде в той или иной степени чистоты. Рис. 3.

Рис. 3. Металлы, встречающиеся в природе в самородном виде

Из них, особенно из золота, изготавливаются различные украшения. Благодаря своей удивительной пластичности, золото применяется при отделке дворцов. Из него можно раскатать фольгу толщиной всего 3.10-3 мм. Она называется сусальное золото, наносится на гипсовые, лепные украшения или другие предметы.

Тепло- и электропроводность. Лучше всего электрический ток проводят медь, серебро, золото и алюминий. Но так как золото и серебро – дорогие металлы, то для изготовления кабелей используются более дешевые медь и алюминий.

Самыми плохими электрическими проводниками являются марганец, свинец, ртуть и вольфрам. У вольфрама электрическое сопротивление столь велико, что при прохождении электрического тока он начинает светиться.

Это свойство используется при изготовлении ламп накаливания.

Температура тела – это мера энергии составляющих его атомов или молекул. Электронный газ металла может довольно быстро передавать избыточную энергию с одного иона или атома к другому. Температура металла быстро выравнивается по всему объёму, даже если нагревание идет с одной стороны. Это наблюдается, например, если опустить металлическую ложку в чай.

Металлический блеск. Блеск – это способность тела отражать световые лучи. Высокой световой отражательной способностью обладают серебро, алюминий и палладий. Поэтому именно эти металлы наносят тонким слоем на поверхность стекла при изготовлении фар, прожекторов и зеркал.

Водородная связь

Рассмотрим температуры кипения и плавления водородных соединений халькогенов: кислорода, серы, селена и теллура. Рис. 4.

Рис. 4

Если мысленно экстраполировать прямые температур кипения и плавления водородных соединений серы, селена и теллура, то мы увидим, что температура плавления воды должна примерно составлять -1000С, а кипения – примерно -800С.

Происходит это потому, что между молекулами воды существует взаимодействие – водородная связь, которая объединяет молекулы воды в ассоциацию.

Для разрушения этих ассоциатов требуется дополнительная энергия.

Водородная связь образуется между сильно поляризованным, обладающим значительной долей положительного заряда атомом водорода и другим атомом с очень высокой электроотрицательностью: фтором, кислородом или азотом. Примеры веществ, способных образовывать водородную связь, приведены на рис. 5.

Рис. 5

Рассмотрим образование водородных связей между молекулами воды. Водородная связь изображается тремя точками. Возникновение водородной связи обусловлено уникальной особенностью атома водорода. Т. к.

атом водорода содержит только один электрон, то при оттягивании общей электронной пары другим атомом, оголяется ядро атома водорода, положительный заряд которого действует на электроотрицательные элементы в молекулах веществ.

Сравним свойства этилового спирта и диметилового эфира. Исходя из строения этих веществ, следует, что этиловый спирт может образовывать межмолекулярные водородные связи. Это обусловлено наличием гидроксогруппы. Диметиловый эфир межмолекулярных водородных связей образовывать не может.

Сопоставим их свойства в таблице 1.

Вещество	Т кип.	Т пл.	Растворимость в воде
Этиловый спирт	+78,150С	-114,150С	В любых пропорциях
Диметиловый эфир	-29,90С	-138,50С	Ограничена

Табл. 1

Т кип., Т пл, растворимость в воде выше у этилового спирта. Это общая закономерность для веществ, между молекулами которых образуется водородная связь. Эти вещества характеризуются более высокой Т кип.,Т пл, растворимостью в воде и более низкой летучестью.

Физические свойства соединений зависят также и от молекулярной массы вещества. Поэтому проводить сравнение физических свойств веществ с водородными связями, правомерно только для веществ с близкими молекулярными массами.

Энергия одной водородной связи примерно в 10 раз меньше энергии ковалентной связи.

Если в органических молекулах сложного состава имеется несколько функциональных групп, способных к образованию водородной связи, то в них могут образовываться внутримолекулярные водородные связи (белки, ДНК, аминокислоты, ортонитрофенол и др.). За счет водородной связи образуется вторичная структура белков, двойная спираль ДНК.

Ван-дер-Ваальсовая связь.

Вспомним благородные газы. Соединения гелия до сих пор не получены. Он не способен образовывать обычные химические связи.

· ориентационные силы. Это взаимодействие между двумя диполями (НСl)

· индукционное притяжение. Это притяжение диполя и неполярной молекулы.

· дисперсионное притяжение. Это взаимодействие между двумя неполярными молекулами (He). Возникает за счет неравномерности движения электронов вокруг ядра.

Подведение итога урока

На уроке рассмотрены три типа химической связи: металлическая, водородная и Ван-дер-Ваальсовая. Объяснялась зависимость физических и химических свойств от разных типов химических связей в веществе.

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Попель П.П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П.П. Попель, Л.С.Кривля. – К.: ИЦ «Академия», 2008. – 240 с.: ил.

3. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень.  2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Internerurok.ru (Источник).

2. Hemi.nsu.ru (Источник).

3. Chemport.ru (Источник).

4. Химик (Источник).

Домашнее задание

1. №№2, 4, 6 (с. 41) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.

2. Почему для изготовления волосков ламп накаливания используют вольфрам?

3. Чем объясняется отсутствие водородной связи в молекулах альдегидов?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/chemistry/11-klass/btipy-himicheskih-svyazejb/metallicheskaya-i-vodorodnaya-himicheskie-svyazi

Водородная химическая связь

Между атомами водорода и атомом элемента, обладающим высокой электроотрицательностью, возникает особый тип связи – водородная химическая связь. Она может образовываться не только внутри молекулы, но и между соседними молекулами.

Электроотрицательность – способность атома удерживать валентные электроны на внешнем энергетическом уровне или количественная характеристика, показывающая, с какой силой притягиваются электроны к ядру атома. Наиболее электроотрицательными элементами являются фтор, азот и кислород.

Рис. 1. Ряд электроотрицательности.

Сильное электростатическое взаимодействие между атомом водорода и электроотрицательными атомами обуславливается небольшими размерами атома водорода и силой притяжения атомов элементов. В результате возникает частный случай ковалентной полярной связи. Примерами водородной химической связи являются:

• плавиковая кислота (HF);
• вода (H2O);
• аммиак (NH3);
• соляная кислота (HCl);
• сероводород (H2S).

Наличие водородной связи обуславливает физические и химические свойства вещества. В частности определяет температуру плавления, кипения, растворимость, кислотность.

Особенностью связи является её невысокая прочность и распространённость, особенно в органических веществах.

Водородная связь бывают двух типов:

• межмолекулярная, возникающая между несколькими однотипными молекулами;
• внутримолекулярная, возникающая внутри одной молекулы.

Способ образования связи в обоих типах одинаковый. Разница только в том, что с помощью межмолекулярной водородной связи образуются цепочка молекул, а при внутримолекулярной связи водород «сцепляется» с атомами внутри молекулы.

Например, молекула воды образована одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. За счёт высокой электроотрицательности кислород, на внешнем энергетическом уровне которого шесть электронов, притягивает единственные электроны двух атомов водорода.

Две пары электронов кислорода остаются свободными. При этом у водорода освобождается орбиталь. Другая аналогичная молекула может присоединиться в месте свободных электронных пар атома кислорода, заполнив освободившуюся орбиталь водорода.

Возникает межмолекулярная водородная связь.

Рис. 2. Строение молекулы воды.

Внутримолекулярная водородная связь чаще всего возникает внутри сложных молекул органических веществ – белков, ДНК, аренов. Например, водородная связь образуется в молекуле салициловой кислоты между атомом водорода гидроксильной группы и кислорода, входящего в функциональную группу -СООН.

Рис. 3. Водородная связь в салициловой кислоте.

Водородные связи графически изображаются точками.

Между атомами водорода и атомами неметаллов возникает водородная связь, основанная на электростатическом взаимодействии атомов.

Это частный случай ковалентной полярной связи, характеризующийся взаимодействием водорода и атомов с высокой электроотрицательностью.

Связь бывает двух типов: межмолекулярная, возникающая между молекулами вещества, и внутримолекулярная, возникающая между водородом и атомом другого элемента в одной молекуле. Водородная связь присуща неорганическим и органическим веществам.

Средняя оценка: 4.5. Всего получено оценок: 183.

Источник: https://obrazovaka.ru/himiya/vodorodnaya-himicheskaya-svyaz.html

Типы химической связи

Темы кодификатора ЕГЭ: Ковалентная химическая связь, ее разновидности и механизмы образования. Характеристики ковалентной связи (полярность и энергия связи). Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь

Внутримолекулярные химические связи

Сначала рассмотрим связи, которые возникают между частицами внутри молекул. Такие связи называют внутримолекулярными.

Химическая связь между атомами химических элементов имеет электростатическую природу и образуется за счет взаимодействия внешних (валентных) электронов, в большей или меньшей степени удерживаемых положительно заряженными ядрами связываемых атомов.

Ключевое понятие здесь – ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ. Именно она определяет тип химической связи между атомами и свойства этой связи.

Электроотрицательность χ – это способность атома притягивать (удерживать) внешние (валентные) электроны. Электроотрицательность определяется степенью притяжения внешних электронов к ядру и зависит, преимущественно, от радиуса атома и заряда ядра.

Важно отметить, что в различных источниках можно встретить разные шкалы и таблицы значений электроотрицательности. Этого не стоит пугаться, поскольку при образовании химической связи играет роль разность электроотрицательностей атомов, а она примерно одинакова в любой системе.

Если один из атомов в химической связи  А:В сильнее притягивает электроны, то электронная пара смещается к нему. Чем больше разность электроотрицательностей атомов, тем сильнее смещается электронная пара.

Если значения электроотрицательностей взаимодействующих атомов равны или примерно равны: ЭО(А)≈ЭО(В), то общая электронная пара не смещается ни к одному из атомов: А : В. Такая связь называется ковалентной неполярной.

Если электроотрицательности взаимодействующих атомов отличаются, но не сильно (разница электроотрицательностей примерно от 0,4 до 2: 0,4

Источник: https://chemege.ru/chembonds/

Водородная связь. Природа и механизм образования водородной связи

Водородная связь — это взаимодействие между двумя электроотрицательными атомами одной или разных молекул посредством атома водорода: А−Н … В (чертой обозначена ковалентная связь, тремя точками — водородная связь).

Одним из признаков водородной связи может служить расстояние между атомом водорода и другим атомом, ее образующим. Оно должно быть меньше, чем сумма радиусов этих атомов.

Они возникают, как правило, между атомами фтора, азота и кислорода (наиболее электроотрицательные элементы), реже — при участии атомов хлора, серы и других неметаллов.

Прочные водородные связи образуются в таких жидких веществах, как вода, фтороводород, кислородсодержащие неорганические кислоты, карбоновые кислоты, фенолы, спирты, аммиак, амины.

При кристаллизации водородные связи в этих веществах обычно сохраняются.

Зависимость физических свойств веществ с молекулярной структурой от характера межмолекулярного взаимодействия. Влияние водородной связи на свойства веществ.

Межмолекулярные водородные связи обусловливают ассоциацию молекул, что приводит к повышению температур кипения и плавления вещества. Например, этиловый спирт C2H5OH, способный к ассоциации, кипит при +78,3°С, а диметиловый эфир СН3ОСН3, не образующий водородных связей, лишь при -24°С (молекулярная формула обоих веществ С2Н6О).

Образование Н-связей с молекулами растворителя способствует улучшению растворимости. Так, метиловый и этиловый спирты (CH3OH, С2Н5ОН), образуя Н-связи с молекулами воды, неограниченно в ней растворяются.

Например, Н-связь внутри молекул салициловой кислоты повышает ее кислотность.

Водородные связи играют исключительно важную роль в формировании пространственной структуры биополимеров (белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот), что в значительной степени определяет их биологические функции.

Силы межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействие.

Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между электрически нейтральными молекулами или атомами.

К ван-дер-ваальсовым силам относятся взаимодействия между диполями (постоянными и индуцированными). Название связано с тем фактом, что эти силы являются причиной поправки на внутреннее давление в уравнении состояния реального газа Ван-дер-Ваальса. Эти взаимодействия в основном определяют силы, ответственные за формирование пространственной структуры биологических макромолекул.

Ориентационное: Полярные молекулы, в которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, например HCl, H2O, NH3, ориентируются таким образом, чтобы рядом находились концы с противоположными зарядами. Между ними возникает притяжение. (энергия Кеезома) выражается соотношением:

EК = −2 μ1 μ2 / 4π ε0 r3,

где μ1 и μ2 — дипольные моменты взаимодействующих диполей, r — расстояние между ними. Притяжение диполь-диполь может осуществляться только тогда, когда энергия притяжения превышает тепловую энергию молекул; обычно это имеет место в твердых и жидких веществах. Диполь-дипольное взаимодействие проявляется в полярных жидкостях (вода, фтороводород).

Индукционное: Под действием заряженных концов полярной молекулы электронные облака неполярных молекул смещаются в сторону положительного заряда и подальше от отрицательного. Неполярная молекула становится полярной, и молекулы начинают притягиваться друг к другу, только намного слабее, чем две полярные молекулы.

• (энергия Дебая) определяется выражением:
• EД = −2 μнав2 γ / r6,
• где μнав — момент наведенного диполя.

Притяжение постоянного и наведенного диполей обычно очень слабое, поскольку поляризуемость молекул большинства веществ невелика. Оно действует только на очень малых расстояниях между диполями. Этот вид взаимодействия проявляется главным образом в растворах полярных соединений в неполярных растворителях.

Дисперсионное: Между неполярными молекулами также может возникнуть притяжение. Электроны, которые находятся в постоянном движении, на миг могут оказаться окажется сосредоточенными с одной стороны молекулы, то есть неполярная частица станет полярной. Это вызывает перераспределение зарядов в соседних молекулах, и между ними устанавливаются кратковременные связи.

(энергия Лондона) дается соотношением:

EЛ = −2 μмгн2 γ2 / r6,

где μмгн — момент мгновенного диполя. Лондоновские силы притяжения между неполярными частицами (атомами, молекулами) являются весьма короткодействующими.

Однако они являются наиболее универсальными, так как возникают между любыми молекулами.

Источник: https://megaobuchalka.ru/8/16747.html

Водородная связь – примеры: что это такое, определение химической, межмолекулярной, какие вещества образуются

Водород — простейший химический элемент во Вселенной. Его атом состоит всего из одного протона в ядре и одного электрона. Несмотря на свою физическую и химическую простоту, водород является основным элементом мироздания, благодаря ему горят и светятся звезды, наша планета покрыта водой, а сложнейшие органические соединения дали начало самому удивительному явлению во Вселенной — жизни.

Особенности вещества

В природе встретить водород в составе других элементов таблицы Менделеева можно повсюду. Самым ярким примером такого соединения является такое вещество, как вода.

Водород имеет три изотопа:

• протий Н (тот самый первый элемент таблицы Менделеева, привычный нам всем водород);
• дейтерий (так называемый тяжелый водород, содержащий в ядре не только протон, но и нейтрон);
• тритий — радиоактивный изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов.

Водородная связь характерна и присутствует в большинстве органических соединений. Соединяясь с хлором, водород образует хлорную кислоту, с кислородом — воду, с азотом — аммиак. Данные явления, обнаруженные в конце 19 века, были открыты русскими химиками М. Ильинским и Н. Бекетовым.

Ученые установили, что содержащая водород группа атомов чаще всего образует стабильные объединения с заряженным отрицательно атомом, который может входить в состав той или ной молекулы (не исключено, что даже в ту же самую). Данная дополнительная «сцепка» называется водородной связью.

Природа явления

Дадим определение водородной связи (в.с.). Это взаимодействие между отрицательно заряженными частицами молекул, реализованным атомом водорода.

Если чертой обозначить связь ковалентного типа, а тремя точками — водородную, то символически можно отобразить в.с. между молекулами А и В таким образом: .

Природу данного межатомного явления понять довольно просто. Атом Н несет положительные заряды δ+, если он встречает на своем пути заряженный отрицательно и обладающий зарядом δ−, то вступает с ним в электростатический контакт.

Важно! Чаще всего в.с. заметно слабее по сравнению с ковалентными. Однако они намного крепче, чем стандартное молекулярное притяжение частиц, свойственное твердым и жидким телам.

Ковалентность

Несмотря на то, что в.с. может протекать в рамках двух частиц пары совершенно разных молекул, водородная химическая не является молекулярной связью. Свойство направления и насыщения — одно из качеств в.с.

, которое делает ее очень похожей на ковалентную. Отметим, что во многих теориях, в.с. считается видом ковалентной связи и это совершенно никак не влияет на результаты, поэтому можно считать данное мнение корректным. Более того, сама природа в.с.

очень близка к ковалентной.

Это можно легко продемонстрировать при помощи традиционных химических методов, рассчитывающих орбитали внутри молекул. В этом исчислении она будет представлять собой трехцентровые двухэлектронные связи. В очередной раз это доказывает, что отнесение ВС к разновидности ковалентной не несет ничего антинаучного.

Процесс образования

Каков способ образования. Образуются водородные связи между электроотрицательными атомами, один из которых имеет свободную электронную пару.

Самым убедительным признаком в.с. является дистанция между атомом Н и вторым атомом. Все дело в том, что дистанция между атомами меньше, чем сумма двух атомарных радиусов. Не смотря на часто встречающуюся асимметрию (когда в  , дистанция   превышает расстояние ) все равно сумма радиусов атомов больше, чем расстояние между ними.

Да, асимметрия в в.с. встречается часто, однако существуют и симметричные конструкции, например HF. Угол между первым и вторым атомом в системе  приближен к 180 градусам.

Вспоминая фтороводороды HF, следует заметить, что соединение с фтором — одно из самых крепких. HF представляет собой ион симметричного типа . В нем энергия водородных соединений составляет порядка 150 килоджоулей в одном моле.

Ковалентная связь фтороводорода приблизительно такая же. В воде Н2О в.с. значительно меньше — около 20 килоджоулей на моль.

Соединение частиц через водород найдено в большом количестве различных соединений. Химическая связь часто возникает между фтором, азотом и кислородом, так как последние являются самыми электроотрицательными элементами. Редко обнаруживается между хлором, серой и прочими элементами, не являющимися металлами.

Важно! Азот и кислород — основа жизни, эти элементы содержатся в особо высокой концентрации в углеводах, белках и нуклеиновой кислоте. Если бы между этими веществами не было прочного контакта через атом Н, жизнь на Земле была бы невозможна.

Межмолекулярная водородная связь — разновидность образования крепкой структуры, связывающей через атом Н одну молекулу с другой. Ярким примером является муравьиная кислота. Она представляет собой молекулу, состоящую из двух или более простых молекул (димер).

То же самое относится к фтороводороду, который находится в газообразном состоянии. Он содержит такие полимерные структуры, которые могут состоять из четырех простых молекул НF, объединенных друг с другом через водород.

Примеры водородной межмолекулярной конструкции искать не приходится: растворимость глюкозы, фруктозы, сахарозы в водном растворе объясняются именно при помощи водорода и его соединительным свойствам. Молекулярные структуры живых организмов (молекула ДНК, например) содержат миллионы сложных конструкций, связанных водородом.

Функция соединений

Насколько важна социальная роль данных связей. Рассмотрим несколько веществ, которые существуют благодаря водородному соединению. Мы будем сравнивать эти молекулы с водой. Чтобы наши размышления были честными, мы будем выбирать для сравнения исключительно неметаллы. Эти вещества называются халькогеноводородами.

Например, теллур. Водородное соединение H2Te кипит при температуре -2 градуса. Что касается, селена, то H2Se кипит при температуре -42 градуса, а серный халькогеноводород H2S кипит при -60 градусах. Поразительно то, что вода кипит при +100 градусах.

Внимание! Если бы не было в.с., а кислород не обладал настолько «цепкими» качествами, при существующем климате на Земле не существовало бы воды в жидком состоянии. Такая высокая температура кипения — непосредственное следствие водородной связи.

«Сцепление» атомов кислорода с водородом показано на следующем изображении.

Но на этом удивительные свойства воды не заканчиваются. Следует также помнить о ее плавлении. И снова водородная связь — именно из-за нее при плавлении плотность начинает расти. При таянии льда, каждое десятое водородное соединение разрушается, из-за чего молекулы воды приближаются друг к другу.

Типы и свойства водородной связи.

Водородная связь. Самоподготовка к ЕГЭ и ЦТ по химии

Вывод

Образования водородной связи влияют на кислотность веществ. К примеру, плавиковая кислота НF является достаточно слабой. При этом другие галогеноводородные кислоты довольно сильны. Причина этого в том, что Н соединен сразу с двумя атомами F, а это не дает им возможности отцепиться. Именно благодаря этому, НF- единственная кислота, образующая кислую соль NaHF2.

Источник: https://uchim.guru/himiya/vodorodnaya-svyaz-primery.html