Водородная связь

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

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.

зависимость температуры кипения и температуры плавления от молекулярной массы соединений
зависимость температуры кипения и температуры плавления от молекулярной массы соединений

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 у аммиака NH3, а в 7 группе – у HF, по сравнению с гидридами элементов соответствующих групп.

Вода H2O имеет высокие температуры кипения и плавления, большую теплоемкость, большую теплоту испарения  и большую способность растворять ионные соединения. Это связано с присутствием в воде водородных связей. Такая связь возникает с соединениях атома водорода с атомами, имеющими большую электроотрицательность (N, O, F). Образуемые соединения имеют большую полярность, возникает диполь и атом водорода находится на положительном его конце. Этот диполь может взаимодействовать с неподеленной электронной парой кислорода (и азота, и фтора), который принадлежит другой или этой же молекуле. Именно такое взаимодействие принято называть водородной связью

водородная связь

Водородная связь определяет вольно некомпактную упаковку молекул воды во льду, поэтому плотность льда меньше плотности жидкой воды. Величина энергии водородной связи обычно лежит в пределах от 4 до 25 кДж/моль, это всего несколько процентов от величины энергии обычной химической связи. И все же водородная связь оказывает большое влияние на свойства многих веществ, особенно в биологических системах. Предположим, что водородная связь возникает в результате электростатического взаимодействия между диполем связи X-Hи неподеленной электронной порой на атоме Y. Тогда прочность водородной связи увеличивается в ряду:

N-H···Y ˂ O-H···Y ˂ F-H···Y

Связь тем прочнее, когда в качестве Y выступает самые маленькие атомы с неподеленными парами — N, O, F. Среди них более прочную водородную связь образует тот, неподеленная электронная пара которого менее сильно притягивается к своему ядру.