Какими свойствами обладают вещества с межмолекулярной водородной связью

В 1873 г. голланд уч И. Ван-дер-Ваальс предположил, что существуют силы, обусловливающие притяжение м-у м-лами. Эти силы позднее получили название ваандервальсовых сил. Они включают в себя три составляющие: диполь-дипольное, индукционное и дисперстное взаимодействия.

Диполь-дипольное взаимодействие. При сближении полярных молекул они ориентируются таким образом, чтобы положительная сторона одного диполя была ориентирована к отрицательной стороне другогодиполя.

Возникающее между диполями взаимодействие называется диполь-дипольным или ориентационным. Энергия диполь-дипольного взаимодействия пропорциональна электрическому моменту диполя в 4-ой степени и обратно пропорциональна расстоянию между центрами диполей в шестой степени и абсолютной температуре в первой степени.

Индукционное взаимодействие. Диполи могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индуцированные (наведенные) диполи. Между постоянными и наведенными диполями возникает притяжение, энергия которого пропорциональна электрическому моменту диполя во второй степени и обратно пропорциональна расстоянию между центрами молекул в шестой степени. Энергия индукционного взаимодействия возрастает с увеличением поляризуемости молекул, т.е. способности молекулы к образованию диполя под воздействием электрического поля. Величину поляризуемости выражают в единицах объема. Поляризуемость в однотипных молекулах растет с увеличением размера молекул. Энергия индукционного взаимодействия значительно меньше энергии диполь-дипольного взаимодействия.

Дисперсионное притяжение. В любой молекуле возникают флуктуации электрической плотности, в результате чего появляются мгновенные диполи, которые в свою очередь индуцируют мгновенные диполи у соседних молекул. Движение мгновенных диполей становится согласованным, их появление и распад происходит синхронно. В результате взаимодействия мгновенных диполей энергия системы понижается. Энергия дисперсионного взаимодействия пропорциональна поляризуемости молекул и обратно пропорциональна расстоянию между центрами частиц. Для неполярных молекул дисперсионное взаимодействие является единственной составляющей вандерваальсовых сил.

Энергия вандерваальсова взаимодействия. всех видов вандерва­аль­сова взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между

центрами молекул в шестой степени. При сильном сближении молекул проявляются силы отталкивания между ними, которые обратно пропорциональны расстоянию между молекулами в двенадцатой степени. Поэтому зависимость результирующей энергии вандерваальсова взаимодействия Ев от рас-

стояния между молекулами, lв, выражается уравнением: Ев = -(а/ lв6) + (b/ lв12), где а и b — постоянные.

Минимальная энергия системы обеспечивается при расстояниях между центрами молекул 0,4 ¸ 0,5 нм, т.е. существенно больше длины химической связи.

С увеличением размера молекул в ряду растет их поляризуемость и энергия дисперсион-

ного притяжения. Ориентационное взаимодействие вносит значительный вклад в вандерваальеовы силы лишь в случае молекул с большим электрическим моментом диполя. С увеличением суммарной энергии межмолякулярного взаимодействия возрастет температура кипения жидкостей, а также теплота их испарения.

Суммарная энергия вандерваальсового взаимодействия молекул на 1—2 порядка ниже энергии химических связей.

Химическая связь, образованная попожительно поляризованным водородом молекулы А-Н (или полярной группы—А-Н) и электроотрицательным атомом В другой или той жемолекулы, называется водородной связью. Если водородная связь образуется между разными молекулами, она называется межмолекулярной, если связь образуется между двумя группами одной и той же молекулы, то она называется внутримолекулярной.

Водородная связь между молекулами А-Н и В-R. обозначается тремя точками:

А – H + B – R → A – H … B – R водород в данном случае образует две химические связи, причем они не равноценны.

Образование водородной связи обусловлено тем, что в полярных молекулах А-Н или полярных группах -А-Н поляризованный атом водорода обладает уникальными свойствами: отсутствием внутренних электронных оболочек, значительным сдвигом электронной пары к атому с высокой электроотрицательностью и очень малым размером. Поэтому водород способен глубоко внедряться в электронную оболочку соседнего отрицательно поляризованного атома.

Атомы А и В могут быть одинаковыми, как при взаимодействии НF:

Fδ- — Hδ+ + Fδ- — Hδ+→ F – H … F – H, но могут быть и разными, как при взаимодействии воды и фтороводорода:

Энергия и длина водородной связи. Энергия водородной связи возрастает с увеличением электроотрицательности (ЭО) и уменьшением размеров атомов В. Поэтому наиболее прочные водородные связи возникают, когда в качестве атомов В выступают F, О или N.

Энергия связи (кДж/моль) возрастает в ряду:

Несмотря на высокую ЭО у хлора, водородная связь – Н … С1 — носительно слабая из-за большого размера атома хлора.

Как видно, энергия водородной связи имеет промежуточное значение между энергией ковалентной связи и вандерваальсовых сил. Также промежуточные значения имеют длины водородных связей.

Так, в полимере (НF)n

длина связи F-Н = 0,092 нм, а связи F … Н — 0,14 нм. У воды длина связи O – H — 0,096 нм, а связи О … Н — 0,177 нм.

Влияние водородных связей на свойства веществ. При возникновении водородных связей образуются димеры, тримеры или полимерные структуры.

Соответственно в жидком состоянии молекулы вступающие в водородные связи, ассоциированы, а в твердом состоянии образуют сложные кристаллические структуры.

Образование межмолекулярных водородных связей приводит к существенному изменению свойств веществ: повышению вязкости, диэлектрической постоянной, температур кипения и плавления, теплот плавления и парообразования.

Внутримолекулярные водородные связи. Водородная связь может также возникнуть между атомами водорода и отрицательным атомами полярных групп в одной и той же молекуле.

Молекулы с внутримолекулярными водородными связями не могут вступать в межмолекулярные водородные связи. Поэтому вещества с такими связями не образуют ассоциатов, более летучи, имеют более низкие вязкости, температуры кипения и плавления, чемих изомеры, способные образовать межмолекулярную связь.

Значение водородных связей. Так как многие соединения содержат ковалентные полярные связи Н-0 и Н-N, то водородные связи очень распространены. Они проявляются не только в воде, но и в различных кристаллических веществах, полимерах, белках, живых организмах.

Важную роль водородные связи играют в белках, у которых спиральные полимерные структуры объединяются связями N-Н…0. Двойные спирали нуклеиновых кислот соединяются межмолекулярными водородными связями N-H…N и N-H…О.