Ако погледнете хронологията на изследването в химическата наука на способността на атомите на различни елементи да взаимодействат помежду си, можем да откроим средата на 19-ти век. По това време учените обърнаха внимание на факта, че водородните съединения на кислорода, флуора, азота се характеризират с група свойства, които могат да се нарекат аномални.
Това са преди всичко много високи точки на топене и кипене, например за вода или флуороводород, които са по-високи, отколкото за други подобни съединения. Понастоящем вече е известно, че тези характеристики на тези вещества се определят от свойството на водородните атоми да образуват необичаен тип връзка с атомите на елементите, които имат висок индекс на електроотрицателност. Наричаха го водород. Свойствата на връзката, спецификата на нейното образуване и примерите за съединения, които я съдържат, са основните точки, върху които ще се съсредоточим в нашата статия.
Причина за връзка
Действието на силите на електростатичното привличане ефизическата основа за появата на повечето видове химични връзки. Видовете химични връзки, които са възникнали поради взаимодействието на противоположно заредени атомни ядра на един елемент и електрони на друг, са добре известни. Това са ковалентни неполярни и полярни връзки, характерни за прости и сложни съединения на неметални елементи.
Например, между флуорния атом, който има най-висока електроотрицателност, и електронеутралната частица на водорода, чийто едноелектронен облак първоначално принадлежи само на атома Н, има изместване в отрицателно заредената плътност. Сега самият водороден атом с право може да се нарече протон. Какво се случва след това?
Електростатично взаимодействие
Електронният облак на водородния атом почти напълно преминава към флуорната частица и тя придобива излишен отрицателен заряд. Между голия, тоест лишен от отрицателна плътност, водороден атом - протон, и йона F- на съседната молекула на флуорид, се проявява силата на електростатично привличане. Това води до появата на междумолекулни водородни връзки. Поради възникването му няколко HF молекули могат да образуват стабилни асоциати наведнъж.
Основното условие за образуване на водородна връзка е наличието на атом от химичен елемент с висока електроотрицателност и взаимодействащ с него водороден протон. Този тип взаимодействие е най-силно изразено при съединенията на кислорода и флуора (вода, флуороводород), по-малко при азотсъдържащите вещества, като амоняк, и още по-малко в съединенията на сярата и хлора. Примери за водородни връзки, образувани между молекули, могат да бъдат намерени и в органични вещества.
По този начин в алкохолите между кислородните и водородните атоми на функционалните хидроксилни групи също възникват сили на електростатично привличане. Следователно, вече първите представители на хомоложната серия - метанол и етилов алкохол - са течности, а не газове, като други вещества с този състав и молекулно тегло.
Енергийна характеристика на комуникацията
Нека сравним енергийната интензивност на ковалентните (40–100 kcal/mol) и водородните връзки. Примерите по-долу потвърждават следното твърдение: водородният тип съдържа само 2 kcal/mol (между димерите на амоняк) до 10 kcal/mol енергия във флуорни съединения. Но се оказва, че е достатъчно частиците на някои вещества да могат да се свързват в асоциати: димери, тетра - и полимери - групи, състоящи се от много молекули.
Те не са само в течната фаза на съединението, но могат да бъдат запазени без да се разпадат, когато преминават в газообразно състояние. Следователно, водородните връзки, които държат молекулите в групи, причиняват необичайно високи точки на кипене и топене на амоняк, вода или флуороводород.
Как водните молекули се свързват
Както неорганичните, така и органичните вещества имат няколко вида химични връзки. Химическата връзка, която възниква в процеса на свързване на полярните частици помежду си и се нарича междумолекулен водород, може радикално да промени физико-химичнияхарактеристики на връзката. Нека докажем това твърдение, като разгледаме свойствата на водата. Молекулите H2O имат формата на диполи - частици, чиито полюси носят противоположни заряди.
Съседните молекули се привличат една към друга от положително заредените водородни протони и отрицателните заряди на кислородния атом. В резултат на този процес се образуват молекулярни комплекси - асоциати, водещи до появата на ненормално високи точки на кипене и топене, висок топлинен капацитет и топлопроводимост на съединението.
Уникалните свойства на водата
Наличието на водородни връзки между H2O частици е отговорно за много от неговите жизненоважни свойства. Водата осигурява най-важните метаболитни реакции - хидролизата на въглехидрати, протеини и мазнини, протичащи в клетката - и е разтворител. Такава вода, която е част от цитоплазмата или междуклетъчната течност, се нарича свободна. Благодарение на водородните връзки между молекулите, той образува хидратиращи обвивки около протеини и гликопротеини, които предотвратяват залепването между полимерните макромолекули.
В този случай водата се нарича структурирана. Примерите, които дадохме за водородната връзка, която възниква между частиците на H2O доказват нейната водеща роля във формирането на основните физични и химични свойства на органичните вещества - протеини и полизахариди, в процесите на асимилация и дисимилация, протичащи в системите на живите организми, както и в осигуряването на техния топлинен баланс.
Вътремолекулна водородна връзка
Салициловата киселина е едно от добре познатите и отдавна използвани лекарства с противовъзпалително, заздравяващо рани и антимикробно действие. Самата киселина, бромо производни на фенола, органични комплексни съединения са способни да образуват вътрешномолекулна водородна връзка. Примерите по-долу показват механизма на неговото образуване. Така че в пространствената конфигурация на молекулата на салициловата киселина е възможно приближаването на кислородния атом на карбонилната група и водородния протон на хидроксилния радикал.
Поради по-голямата електроотрицателност на кислородния атом, електронът на водородната частица почти изцяло попада под въздействието на кислородното ядро. В молекулата на салициловата киселина възниква водородна връзка, която повишава киселинността на разтвора поради увеличаване на концентрацията на водородни йони в него.
Обобщавайки, можем да кажем, че този тип взаимодействие между атомите се проявява, ако групата на донора (частица, която дарява електрон) и акцепторния атом, който го приема, са част от една и съща молекула.
