водородна връзка

Всички аномални свойства на водата показват, че молекулите на Н2 О във водата, а силно свързани един с друг и, вероятно, образуват някакъв вид на молекулната структура, която устоява на външни термични, електрически, механични влияния. Следователно, трябва да се вземат толкова много топлина към водата, за да го превърне в пари, така че е високо латентна топлина на изпарение на вода. Именно тези връзки и да са ключът към разбирането на много от специалните свойства на водата. През 1920 г. американските учени W. Latimer и W. Rodebush предложени да се обадя тези специални връзки водород. Оттогава тази концепция се превърна учебник, включени във всички учебници и стана обект на значителен фундаментални изследвания.

Известно е, че молекулите задържат помежду си чрез слаби междумолекулни взаимодействия. Тези взаимодействия се появяват чрез електростатично привличане на положително заредена молекула към ядрото на един отрицателно зареден електрони обвивка на друга. Въпреки това привличане голяма степен се компенсира от взаимното отблъскване на мембрани и ядра на молекули, нетният ефект от взаимодействия достига няколко десети килокалории на мол вещество. Но молекулите на някои съединения, изградени с участието на водород, на притегателната сила се увеличава десетократно. Това се обяснява с леко радиус на атомен водород и липсата на вътрешните слоеве на електрони, така че съседните молекули е в състояние да се обърне към водородния атом на много близко разстояние без да изпитват силно отблъскване. Особено подходящо съединение, за да се образува "водородно свързване" е вода.

В различни състояния като водороден атом, способен на прибавяне не може да бъде водород, характеризиращ се в същата степен. Най-силните, тя ще тогава, когато водород до крайното си положение дава своята електрон, когато тя е свързана с атом на един от електроотрицателните елементи - предимно с флуорни и кислородни атоми и в по-малка степен с хлор и азотни атоми. Обратно, в случай на неполярен или ниска полярност връзка (въглерод, силиций, или други), и още повече, че в случая на комуникация с малко електроотрицателните елементи - с метали (метални хидриди) - тази способност е водороден атом, не може да бъде. Обаче, степента на полярността зависи не само от вида на атома, който атом е директно свързан с активен, но също и от това, с което атомите са свързани с други атоми тези валенции. По този начин, водороден атом, свързан с кислород или азот, ще бъде по-способни на водородно свързване, ако кислородни или азотни атоми, различни от неговата валентност, свързани с по-електроотрицателна елемент. Дори водороден атом, свързан към въглерод, може да придобие способността да образува водородна връзка, ако останалите въглеродни валенции са наситени силно електроотрицателни атоми или атомни групи, съответстващи на (например, хлороформ и пентахлоретан).

В присъствието на вода водородни връзки обяснява високата степен на ред в молекулите, което носи водата от твърдото вещество. От друга страна, тъй като тези връзки има множество кухини, определящи голяма трошливост структура вода.

Освен това, връзката на водород е силно съсредоточени. Следователно, ако водородният атом между два кислородни атома, пространствената организация на такива тройна атоми не може да бъде произволен, но ще бъде съвсем ясно и недвусмислено структура.

Друго важно свойство на връзката на водород се нарича кооперативност означава, че образуването на една водородна връзка допринася за следващия съседен връзката, която, от своя страна, улеснява образуването на следващия и т.н. Физико-химични характер kooperatnvnosti е, че две молекули Н 2О да формират водородна връзка, влизат в киселинно-основни взаимодействия, в които една молекула става по-кисела, другата - по-алкална. Следователно, за образуването на тези молекули и други водородни връзки изисква по-малко енергия.

Наличието на водородни връзки засяга спектрите - вибрационна, електронни и ядрено-магнитен резонанс. характерни честота на трептене групи, съдържащи водород, се намалява, ако водородът включени в връзката на водород. Инфрачервени абсорбционни ивици, например О-Н група значително разширява при водородна връзка, и техните интензитет увеличава. водород енергия връзка в обхвата от 2.3 ккал / мол за N-H. О до 7.0 ккал / мол за F-Н флуороводород. F.

Така че ключът към разбирането на специалните свойства на водата и нейното решение е в концепцията на водородна връзка. Въпреки това, той е "необходимо", но не е "достатъчно" състояние. Не само вода молекула може да образува водородни връзки, но също и молекули от други вещества, например, NH3 амоняк или HF флуороводородна киселина. Въпреки това, нито тези, нито някакво друго вещество не притежава целия спектър на аномални свойства, характерни за вода. Какво има? Защо същите водородните връзки правят водата повишена течност и само леко възстановени амоняк от обикновени вещества?

Електронната структурата на молекула Н2 О определя условия съчетават отделните молекули в комплекс триизмерна структура. Оказа се, че електронната структура на молекулата на водата позволява да бъде едновременно донор и акцептор, което прави молекулата идеално (и, както ще видим по-долу, само) материали за изграждане на широка мрежа от водородни връзки, както и в най-съвършената форма на такава мрежа съществува в леда. Всяка от протон-водородите всички водни молекули могат да бъдат здраво свързани с продълговати несподелени електрони с друга молекула (донорната молекула е първата и втората - акцептор) за образуване на нов водородна връзка. Две протони плюс две неразделен електрон - следователно, всяка молекула на Н2 О може да участва в четири водородни връзки, едновременно, образувани от единична молекула.

Протон участва в водородно свързване и разположен между кислородните атоми има две равновесно положение - тя може да бъде разположена както до "" кислороден атом на разстояние от около 1 А, и в близост до "чужди" атоми в региона на 1,7 А "тяхната" т.е. заедно с обичайните димер НО-H. OH2 е стабилен йонна двойка HO. Н-OH2. Установено е, че състоянието на "протон за чужда кислород" характеристика на фазовата граница, т.е. близо до повърхността на вода-твърдо газ или вода.

Но водородни връзки - е необходимо, но не достатъчно условие за формиране на уникална триизмерна молекулна структура, която определя аномални свойства на водата. В природата съществуват и други полярни течности, чиито молекули са способни да образуват силни водородни връзки, но техните свойства и дистанционно подобни на свойствата на вода. Такива са, например, амоняк NH3 и HF флуороводородна киселина, молекули, които доста лесно образуват водородни връзки, което образува HF дори по-силни връзки в Н2 О. Въпреки това, всяко амоняк или флуороводородна киселина в тези връзки не са в състояние по някакъв начин да се създаде триизмерна структура , Какво има? Защо Н2 О водородна връзка е отличен свързващо вещество, и същата тази връзка "не работи" в амоняк? Може би, в края на краищата, в връзката амоняк-водород е малко по-различен?

Не, връзката остава непроменена, но за да се образува триизмерна молекулна структура значително, тъй като тези връзки могат да образуват една молекула. В случай на HF всяка молекула може да участва само два водородни връзки. Разбира се, това не е достатъчно за образуване на триизмерна структура, молекула така флуороводородна киселина, способна да образува дълги едномерни зиг заг вериги.

Молекулите на амоняк, напротив, могат да образуват водородни връзки шест всяка. Изглежда, че в този случай трябва да се удължи триизмерна структура, още по-силна, отколкото в случая с вода. Но това не се случва. Фактът, че геометричните размери на NH3 молекули напълно приспособени да се гарантира, че успоредно с шест други молекули. Припомнете: водородни връзки силно насочени, че не може да се простира до всяка точка на околното пространство молекулата. Ако молекулата може да образува множество водородни връзки, относителната ориентация на съседните молекули, в идеалния случай е ясно. Структура с шест съседи в лошо съгласие с такава ориентация, така силно водородно свързване "опъната" в кристала амоняк и разширената структура, общото напрежение върху конструкцията. Образуването на триизмерни структури на амоняк е енергично неблагоприятен и NH3 молекули образуват кратко затворена структура под формата на пръстени.

По този начин, дължината на триизмерната молекулна структура може да се случи само ако са изпълнени едновременно следните условия. Първо, молекулите на веществото трябва да имат способността да образуват силни водородни връзки, и на второ място, тези връзки трябва да бъдат най-малко четири на молекула и трето, геометричните размери на молекулите не трябва да противоречат на оптимални посоки водородните връзки. С цялото ми голямо разнообразие от материали е налице само едно вещество в природата, отговаря на всички тези изисквания - това е вода. В пълно съответствие с условията на водните молекули образуват разширен триизмерна структура. В твърдо състояние, тази структура прониква целия обем от лед и вода в течно състояние, и той остава частично закрепен към водните аномални свойства.

В водни разтвори на електролити на водните молекули, взаимодействащи с йони, под влиянието на допълнителна поляризация изложени, което води до повишаване на способността на водните молекули да образуват водородни връзки с други частици и по-специално, с други водни молекули.

В заключение, ние се отбележи, че водород връзката, характерни за всички агрегатни състояния на материята. Тя се формира не само между същите, но също така и между различни молекули. Той може да бъде образуван между различни части на една и съща молекула (вътрешномолекулни водородни връзка) Най-често е водородна връзка между молекули, съдържащи хидроксилни групи ОН.