Spojine, ki tvorijo medmolekularne vodikove vezi. Vodikova vez. Narava in mehanizem nastanka vodikove vezi. V nukleinskih kislinah in beljakovinah

5. Ionska in kovinska vez. Vodikova vez. Valenca

5.3. Vodikova vez

Posebna vrsta medmolekulske interakcije je vodikova vez, ki je lahko medmolekularna in intramolekularna.

Medmolekularna vodikova vez je vez med pozitivno polariziranim vodikovim atomom ene molekule in negativno polariziranim atomom druge molekule.

Intramolekularna vodikova vez je vez med pozitivno polariziranim vodikovim atomom in negativno nabitim drugim atomom iste molekule.

Na splošno lahko nastanek vodikove vezi predstavimo s shemo

kjer je vodikova vez, kot je običajno, prikazana s tremi pikami.

Atoma A in B sta lahko karkoli, vendar mora biti njihova elektronegativnost manjša od atomov X in Y. Atoma X in Y sta atoma, katerih elektronegativnost je veliko večja od vodikove. Praviloma so to atomi O, F in N. Tako lahko nastanejo vodikove vezi te vrste:

O -H20 (N, F); N -H20 (N, F); F - H⋅⋅⋅O (N, F).

Atoma X in Y sta lahko enaka (F - H δ + ⋅⋅⋅F δ– –H) ali različna (H 2 N - H⋅⋅⋅OH 2), zato se vodikova vez tvori med isto in med različne molekule ... Tako na primer med molekulami nastane medmolekularna vodikova vez: voda, karboksilne kisline (slika 5.3, a, b), alkoholi, vodikov fluorid in amoniak, ne pa tudi med molekulami alkanov, aldehidov, ketonov in benzena. Med molekulami amoniaka in vode, vode in alkohola, vode in aldehida nastane vodikova vez (slika 5.3, c).

Riž. 5.3. Oblikovanje medmolekularne vodikove vezi med molekulami:

A - voda; b - ocetna kislina CH3COOH; c - acetaldehid CH 3 CHO in voda

V primeru intramolekularne vodikove vezi so različni deli iste molekule med seboj vezani.

Primeri nastanka intramolekularne vodikove vezi so prikazani na sl. 5.4.

Riž. 5.4. Oblikovanje intramolekularne vodikove vezi v molekuli:

A - 2 -hidrobenzaldehid; b - etilen glikol dihidričnega alkohola; c - dihidroksibenzen (dvoetaminski fenol); d - 2 -aminofenol

Za nastanek intramolekularnih vodikovih vezi je potrebno, da so funkcionalne skupine, ki vsebujejo atome H in X, sosednje (na relativno kratki razdalji); v nasprotnem primeru ne nastane intramolekularna vodikova vez. Na primer, znotraj molekul vodikova vez ne nastane v molekulah, katerih struktura je prikazana spodaj (upoštevajte, da je benzenski obroč raven in se ne more upogniti):

V primeru teh molekul nastane medmolekularna vodikova vez.

Intramolekularno vezane spojine so na splošno manj topne kot njihovi izomeri; imajo nižje tališče in vrelišče; imajo v tekočem stanju manjšo viskoznost, saj imajo te molekule malo vezi s sosednjimi molekulami. Na primer, med tremi izomernimi nitrofenoli je o-nitrofenol manj topen v vodi in ima nižje vrelišče, saj le ta molekula vsebuje intramolekularno vodikovo vez.

Organske kisline, pri katerih je kisik karboksilne skupine vključen v nastanek intramolekularne vodikove vezi, so močnejše kisline kot njihovi izomeri. Vodikova vez olajša odmik protona zaradi prerazporeditve elektronske gostote. Tako je med tremi izomeri hidrobenzojske kisline salicilna kislina najmočnejša (prva na levi).

Intramolekularna vodikova vez se v beljakovinah tvori med skupinama NH in CO sosednjih zavojev vijačnice, s čimer se zagotovi stabilnost sekundarne strukture proteina:

Upoštevajte, da je vodikova vez prisotna tudi v kislih soli.

Ena od komponent pri tvorbi vodikove vezi je elektrostatična dipol-dipolna privlačnost pozitivno nabitega vodikovega atoma in negativno nabitega atoma druge ali iste molekule: velika elektronegativnost atomov X in Y (F, O, N) povzroči nastanek relativno velikih nabojev na atomih H in Y in s tem nastanek vodikove vezi. Poleg tega nastanek vodikove vezi olajša majhnost atoma H, ki omogoča, da se atomi dovolj približajo. Druga komponenta vodikove vezi je delna tvorba kovalentne vezi z donorsko-akceptorskim mehanizmom, saj ima atom Y običajno samotne pare elektronov in na atomu H zaradi močne polarizacije elektronske gostote pod zaradi vpliva močno elektronegativnega atoma X se atomska orbita 1s delno sprosti (slika 5.5).

Riž. 5.5. Tvorba vodikove vezi med molekulami vode in amoniaka z donor-akceptorskim mehanizmom

Zaradi kovalentne komponente je vodikova vez usmerjena in nasičena, kar v veliki meri določa strukturo snovi v zgoščenem stanju. Energija vodikove vezi je veliko manjša od energije kemične vezi in znaša 5–40 kJ / mol. Vodikove vezi –H⋅⋅⋅F– ob sodelovanju najbolj elektronegativnega atoma fluora so še posebej močne. Veza v (HF) 2 asociatih je tako močna, da je fluorovodikova kislina skoraj popolnoma v dimeriziranem stanju in lahko tvori kisle soli (glej 12.5).

Vodikova vez je nekajkrat močnejša od običajne medmolekularne interakcije in vpliva na vrelišče in tališče snovi, kar povečuje te konstante. Na primer, da snov zavre, t.j. prešli iz tekočega v plinasto stanje, je treba prekiniti vezi med molekulami (vendar ne v samih molekulah!). Jasno je, da se s povečanjem trdnosti medmolekularnih vezi zaradi nastajanja vodikovih vezi poveča tudi vrelišče.

Klasična ponazoritev povedanega je odvisnost vrelišča od molarne mase za vodikove spojine nekovin skupin IVA-VIII (slika 5.6). Neposredno sorazmerna odvisnost vrelišča od mase molekul se ne ujema s snovmi, med molekulami katerih nastane vodikova vez: voda, amoniak in vodikov fluorid. Za spojine skupine IVA se vrelišče naravno povečuje z naraščanjem molarne mase, saj med molekulami vodikovih spojin elementov te skupine (CH 4, SiH 4, GeH 4 in SnH 4) ne nastanejo vodikove vezi.

Riž. 5.6. Vrelišča nekaterih vodikovih spojin, elementov VIIA-IVА-skupin

Tvorba vodikovih vezi z molekulami vode poveča topnost snovi. Na primer, topnost etanola C 2 H 5 OH v vodi je veliko večja od njegovega izomernega dimetil etra (CH 3) 2 O, saj le v primeru alkohola nastanejo vodikove vezi z vodo.

Pri vodi nastanek vodikovih vezi ne pojasnjuje le njene nepravilnosti visoke temperature vrenje in taljenje, pa tudi visoka toplotna zmogljivost in dielektrična konstanta, pa tudi nenormalna odvisnost gostote vode od temperature: gostota trdnega ledu je manjša od gostote tekoče vode, zato pozimi rezervoarji ne zmrznejo na dno . Zaradi velike toplotne zmogljivosti (voda se dolgo segreva in se počasi hladi) voda aktivno sodeluje pri oblikovanju podnebja na Zemlji in prenaša toploto na zelo velike razdalje. Zaradi visoke dielektrične prepustnosti in polarnosti molekul je voda dobro ionizirajoče topilo (v vodi se snovi zlahka razgradijo v ione).

Primer 5.1. Kako se spremeni vrelišče pri številnih snoveh, katerih formule so: H 2, O 2, Cl 2?

Rešitev. V tej seriji se molarna masa snovi stalno povečuje, zato se vrelišče dvigne.

Odgovor: narašča.

Primer 5.2. Označite vrstico, v kateri se vrelišče snovi dvigne:

1) O3, O2, H20; 3) O 2, O 3, H 2 O; 2) H 2 O, O 3, O 2; 4) H20, O2, O3.

Rešitev. Voda ima najvišje vrelišče zaradi nastajanja vodikovih vezi. V primeru O 2 in O 3 je ozonska bala višja od t (molekule O 3 imajo veliko maso). Želena vrstica je vrstica 3).

Odgovor: 3).

Primer 5.3. Navedite imena snovi, v molekulah katerih tvori intramolekularna vodikova vez: a) fenol; b) 2-hidroksibenzojska kislina; c) acetaldehid; d) 2-nitrofenol.

Rešitev. Predstavimo strukturne formule molekul teh snovi:

a) b) c) d)

Vidimo, da se intramolekularna vodikova vez tvori v molekulah 2-hidroksibenzojske kisline in 2-nitrofenola.

Odgovor: b), d).

Kaj je vodikova vez? Znan primer tega odnosa je navadna voda (H2O). Ker je atom kisika (O) bolj elektronegativen kot dva vodikova atoma (H), se zdi, da iz vodikovih atomov potegne vezne elektrone. Kot rezultat nastanka takšnega dipola nastane. Atom kisika pridobi ne zelo velik negativni naboj, vodikovi atomi pa majhen pozitivni naboj, ki ga privlačijo elektroni (njihov samotni par) na atomu kisika sosednje molekule H2O (to je voda). Tako lahko rečemo, da med vodikovim atomom in elektronegativnim atomom nastane vodikova vez. Pomembna lastnost atoma vodika je, da ko se njegovi vezni elektroni pritegnejo, je njegovo jedro izpostavljeno (to je proton, ki ga drugi elektroni ne pregledujejo). Čeprav je vodikova vez šibkejša od kovalentne vezi, je ta vez tista, ki določa številne nenormalne lastnosti H2O (vode).

Najpogosteje ta vez nastane s sodelovanjem atomov naslednjih elementov: kisika (O), dušika (N) in fluora (F). To je posledica dejstva, da so atomi teh elementov majhni in zelo elektronegativni. Pri večjih atomih (žveplo S ali klor Cl) je posledična vodikova vez šibkejša, kljub temu, da so ti elementi po svoji elektronegativnosti primerljivi z N (to je z dušikom).

Obstajata dve vrsti vodikovih vezi:

1. Vodikova medmolekularna vez- se pojavi med dvema molekulama, na primer: metanolom, amoniakom, vodikovim fluoridom.
2. Intramolekularna vodikova vez- se pojavi v eni molekuli, na primer: 2-nitrofenol.

Trenutno obstaja tudi mnenje, da je vodik šibek in močan. Med seboj se razlikujejo po energiji in dolžini vezi (razdalja med atomi):

1. Vodikove vezi so šibke. Energija - 10-30 kJ / mol, dolžina vezi - 30. Vse zgoraj navedene snovi so primeri normalnih ali šibkih vodikovih vezi.
2. Vodikove vezi so močne. Energija - 400 kJ / mol, dolžina - 23-24. Eksperimentalni podatki kažejo, da se močne vezi tvorijo v naslednjih ionih: vodikov difluoridni ion -, hidrirani hidroksidni ion -, hidrirani oksonijev ion +, pa tudi v različnih drugih organskih in anorganskih spojinah.

Vpliv vodikovih medmolekularnih vezi

Nenormalne vrednosti taljenja, entalpije uparjanja in nekaterih spojin je mogoče razložiti s prisotnostjo vodikovih vezi. Voda ima vse navedene lastnosti nenormalne vrednosti, vodikov fluorid in amoniak pa imata vrelišče in tališče. Šteje se, da sta voda in vodikov fluorid v trdnem in tekočem stanju polimerizirana zaradi prisotnosti medmolekularnih vezi vodika v njih. To razmerje pojasnjuje ne le previsoko tališče teh snovi, ampak tudi njihovo nizko gostoto. Poleg tega se med taljenjem vodikova vez delno uniči, zaradi česar so molekule vode (H2O) bolj gosto zapakirane.

Dimerizacijo nekaterih snovi, na primer benzojske in ocetne) je mogoče razložiti tudi s prisotnostjo vodikove vezi v njih. Dimer sta dve molekuli, ki sta med seboj povezani. Zaradi tega je vrelišče karboksilnih kislin višje od vrelišča spojin, ki imajo približno enako. Na primer, ocetna kislina (CH3COOH) ima vrelišče 391 K, medtem ko je za aceton (CH3COCH3) 329 K.

Vpliv vodikovih intramolekularnih vezi

Ta vez vpliva tudi na strukturo in lastnosti različnih spojin, kot sta 2- in 4-nitrofenol. Najbolj znan in pomemben primer vodikove vezi pa je deoksiribonukleinska kislina (skrajšano: DNA). Molekule te kisline so zvite v obliki dvojne vijačnice, katere dve verigi sta med seboj povezani z vodikovo vezjo.

Atoma A in B sta različna:

Znak vodikove vezi: razdalja med jedrom H in jedrom B je manjša od te razdalje v Van der Waalsovi interakciji. Najmočnejše vezi z elementi obdobja II: -Н ... F-> -Н ... O => -Н ... N≡

Energija vodikove vezi je vmesna med energijo kovalentne vezi in van der Waalsovimi silami.

Pojav vodikovih vezi vodi do združevanja molekul: do nastanka dimerjev, trimerjev in drugih polimernih struktur, cik -cak struktur (HF) n, spiralnih struktur beljakovin, kristalne strukture ledu, prstanaste dimerne strukture nižjih karboksilnih kislin itd. Vmesne molekularne H -vezi spremenijo lastnosti snovi: povečajo viskoznost, dielektrično konstanto, vrelišče in tališče, toploto fuzije in izhlapevanje snovi: H 2 O, HF in NH 3 - nenormalno visoko vrelišče T in T pl.

PRIMER. Kako razložite višje vrelišče NH 3 v primerjavi s PH 3?

Obe molekuli sta polarni. Med molekulami PH 3 so van der Waalsove interakcije, v sistemu, sestavljenem iz molekul NH 3, pa so poleg van der Waalsovih interakcij prisotne tudi medmolekularne vodikove vezi, zato je za fazni prehod NH 3 treba uporabiti več energije in vrelišče NH 3 je višje.

Lastnosti trdnih snovi

Agregatna stanja – trden, tekoč, plinast.

Trdna snov:

- amorfna: ni definiranega T pl - obstaja interval mehčanja (smola, steklo, plastelin)

Kristaliničen: določen T pl (NaCl, grafit, kovine)

Delci trdnega kristaliničnega telesa: atomi, molekule, ioni.

Položaji delcev v kristalu so vozlišča. Tridimenzionalna razporeditev vozlišč - kristal. Najpreprostejši del kristala je enotna celica.

Vrste kristalov in njihove lastnosti

Molekularno.

1.1. Vozlišča vsebujejo atome, vezane z disperzijskimi silami (Ar, Ne ...). Krhki, zlahka preidejo iz zgoščenega v plinasto stanje, T kip. nizka, slaba toplotna in električna prevodnost.

1.2. Vozlišča vsebujejo molekule, vezane z van der Waalsovimi in vodikovimi silami (H 2, O 2, CO 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF, organske snovi). Mnogi plini so hlapni in pri normalnih T -plinih. Trdota, gostota sta nizki. Kristali s polarnimi molekulami so močnejši od nepolarnih. Trdota in trdnost se s pojavom vodikovih vezi še povečata. Dielektriki. Nizke temperature taljenje. Slaba topnost v vodi.

Primeri snovi: led, "suh led" (ogljikov monoksid (IV), trdni halogeni, trdni vodikovi halogenidi.

Ionska

V vozliščih - ioni, vezani z ionskimi vezmi (soli alkalij, zemeljskoalkalijskih kovin, nekateri oksidi alkalijskih kovin). E ion.cr. večji, večji je produkt ionskih nabojev in manjša je razdalja med ioni na mestih kristalov. Trdo, a krhko. T stopi se. visoko. Slaba toplotna in električna prevodnost. Dielektriki, vendar so raztopine in taline električno prevodne.

PRIMER

Tališče katere od snovi je višje - KF ali KBr (z isto vrsto celice)?

Ker je R Br> R F, potem E križ. KBr < E chris res. KF in T talita K Br< T Плав. KF

Atomsko kovalentno

V vozliščih - atomi, povezani s kovalentno kemijsko vezjo (C diamant, Ge, Si, Sn bela ...., SiC, SiO 2, ZnS, Al 2 N 3 ...). Zelo trdo z visokim taljenjem T. Električna prevodnost je drugačna: od dielektrika diamanta, polprevodnikov Ge, Si do prevodnika C (premog).

Za diamant: sp 3 - hibridizacija. Tetrahedron vpisan v kocko. Brez mobilnega die - dielektrika.

Ge: idealen kristal s sp 3 - AO hibridizacijo le pri 0 K, pri prekinitvi T - vezi pa se pojavijo prosti elektroni → polprevodnik.

Grafit: sp 2 - AO hibridizacija v plasteh, van der Waalsove interakcije med plastmi. Prosti četrti elektron vsakega atoma vstopi v π-vez s sosednjimi atomi, kar zagotavlja električno prevodnost in toplotno prevodnost.

Kovina

Vozlišča vsebujejo pozitivne kovinske ione, povezane s skupnimi elektroni s kovinsko kemično vezjo. Narava MS določa njene kovinske lastnosti: visoka električna prevodnost (Cu, Ag, Au, Al, Fe ...) in toplotna prevodnost (Ag, Cu ...), voljnost (sposobnost oblikovanja) in plastičnost (deformacija brez uničenje), kovinski lesk (M һ ν ↔ M *). Gostota, trdota - od nizko alkalnih do zelo visokih v d -kovinah (Mo, W), kar je razloženo z različnimi stopnjami pakiranja atomov v rešetki (večja je, večja je KN, atomska masa in manjši je polmer atoma). Tališče je drugačno. Visoke vrednosti taline T v d-kovinah so posledica višjega kristala E v primerjavi s kristalom E v s-p kovinah zaradi prisotnosti večjega števila valentnih elektronov in dodatnih lokaliziranih kovalentnih vezi s kovinskimi. Poleg tega, večja kot je atomska masa, večja je talina T.

Primeri snovi: kovine, zlitine

PRIMER

Kakšna je narava sil interakcije med delci v kristalih Li in Mo? Katere fizikalne in kemijske lastnosti so značilne za to vrsto kristalov? Katera od teh snovi ima več energije kristalne rešetke in višje tališče?

Li - S -kovina s kovinskim tipom kristala (atomi so vezani s kovinsko vezjo). Mo je d-kovina z mešano vrsto kristala (zaradi prisotnosti večjega števila valenčnih elektronov so atomi povezani z dodatnimi lokaliziranimi kovalentnimi vezmi na kovino).

Zato ima Mo večji E cr res kot Li, zato ga je težje uničiti in njegova talina T je višja.

Značilnosti nekaterih snovi v kristaliničnem trdnem stanju

Vrste kristalnih rešetk

Vodikova vez- to je interakcija med dvema elektronegativnima atomoma istih ali različnih molekul skozi atom vodika: A - H ... B (vrstica označuje kovalentno vez, tri pike - vodikovo vez).

Eden od znakov vodikove vezi je lahko razdalja med vodikovim atomom in drugim atomom, ki ga tvori. Morala bi biti manjša od vsote polmerov teh atomov.

Nastanejo praviloma med atomi fluora, dušika in kisika (najbolj elektronegativni elementi), manj pogosto - s sodelovanjem atomov klora, žvepla in drugih nekovin. Močne vodikove vezi nastanejo v tako tekočih snoveh, kot so voda, vodikov fluorid, anorganske kisline, ki vsebujejo kisik, karboksilne kisline, fenoli, alkoholi, amoniak in amini. Med kristalizacijo se vodikove vezi v teh snoveh običajno ohranijo.

Zasvojenost fizične lastnosti snovi z molekularno strukturo glede na naravo medmolekulske interakcije. Vpliv vodikovih vezi na lastnosti snovi.

Medmolekularne vodikove vezi vodijo do združevanja molekul, kar vodi do povečanja vrelišča in tališča snovi. Na primer, etilni alkohol C2H5OH, ki se lahko poveže, vre pri + 78,3 ° С in dimetil eter СН3ОСН3, ki ne tvori vodikove vezi, le pri -24 ° С ( molekulska formula obe snovi C2H6O).

Tvorba H-vezi z molekulami topil pomaga izboljšati topnost. Tako se metilni in etilni alkoholi (CH3OH, C2H5OH), ki tvorijo H-vezi z molekulami vode, v njej raztopijo za nedoločen čas.

Intramolekularna vodikova vez nastane z ugodno prostorsko razporeditvijo ustreznih skupin atomov v molekuli in posebej vpliva na lastnosti. Na primer, H-vez znotraj molekul salicilne kisline poveča njeno kislost. Vodikove vezi igrajo izjemno pomembno vlogo pri oblikovanju prostorske strukture biopolimerov (beljakovine, polisaharidi, nukleinske kisline), ki v veliki meri določa njihove biološke funkcije.

Sile medmolekularne interakcije (van der Waalsove sile). Orientacijske, indukcijske in disperzijske interakcije.

Medmolekularna interakcija- interakcija med električno nevtralnimi molekulami ali atomi.

TO van der Waals sile vključujejo interakcije med dipoli (konstantne in inducirane). Ime izhaja iz dejstva, da so te sile vzrok za popravek notranjega tlaka v enačbi stanja za pravi van der Waalsov plin. Te interakcije v glavnem določajo sile, odgovorne za nastanek prostorske strukture bioloških makromolekul.

Usmerjenost: Polarne molekule, v katerih težišča pozitivnega in negativnega naboja ne sovpadajo, na primer HCl, H2O, NH3, so usmerjene tako, da so konci z nasprotnimi naboji blizu. Med njimi nastane privlačnost. (Energija Keesom) je izražena z razmerjem:

E К = −2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 r 3,

kjer sta μ1 in μ2 dipolna momenta medsebojno delujočih dipolov, r je razdalja med njima. Dipol-dipol privlačnost je mogoče uresničiti šele, ko energija privlačnosti presega toplotno energijo molekul; to običajno velja za trdne snovi in ​​tekočine. Interakcija dipol-dipol se kaže v polarnih tekočinah (voda, vodikov fluorid).

Indukcija: Pod vplivom nabitih koncev polarne molekule se elektronski oblaki nepolarnih molekul premaknejo proti pozitivnemu naboju in stran od negativnega. Nepolarna molekula postane polarna in molekule se začnejo privlačiti, le precej šibkejše od dveh polarnih molekul.

(Debajeva energija) je določena z izrazom:

ED = −2 μ nav 2 γ / r 6,

kjer je μ nav moment induciranega dipola.

Privlačnost stalnih in induciranih dipolov je običajno zelo šibka, saj je polarizabilnost molekul večine snovi nizka. Deluje le na zelo majhnih razdaljah med dipoli. Ta vrsta interakcije se kaže predvsem v raztopinah polarnih spojin v nepolarnih topilih.

Disperzivna: Privlačnost se lahko pojavi tudi med nepolarnimi molekulami. Elektroni, ki so v stalnem gibanju, se lahko za trenutek skoncentrirajo na eni strani molekule, to pomeni, da bodo nepolarni delci postali polarni. To povzroči prerazporeditev nabojev v sosednjih molekulah in med njimi se vzpostavijo kratkoročne vezi.

(Londonska energija) je podana z:

EL = −2 μ mg 2 γ 2 / r 6,

kjer je μ mn trenutek trenutnega dipola. Londonske privlačne sile med nepolarnimi delci (atomi, molekule) so zelo kratkega dosega. Vrednosti energije take privlačnosti so odvisne od velikosti delcev in števila elektronov v induciranih dipolih. Te vezi so zelo šibke - najšibkejša med vsemi medmolekularnimi interakcijami. So pa najbolj vsestranski, saj nastajajo med vsemi molekulami.

Vsebina članka

VODIČNA POVEZAVA(H -vez) - posebna vrsta interakcije med reaktivnimi skupinami, medtem ko ena od skupin vsebuje atom vodika, nagnjen k takšni interakciji. Vodikova vezava je svetovni pojav, ki zajema vso kemijo. Za razliko od navadnih kemičnih vezi se H-vez ne pojavi kot posledica ciljne sinteze, ampak nastane sama pod primernimi pogoji in se kaže v obliki medmolekularnih ali intramolekularnih interakcij.

Značilnosti vodikove vezi.

Posebnost vodikove vezi je njena relativno nizka trdnost, njena energija je 5-10 krat manjša od energije kemijske vezi. Kar zadeva energijo, je potrebno vmesni položaj med kemijskimi vezmi in van der Waalsovimi interakcijami, tistimi, ki zadržujejo molekule v trdni ali tekoči fazi.

Pri nastanku H -vezi ima odločilno vlogo elektronegativnost atomov, ki sodelujejo v vezi - sposobnost, da izvlečejo elektrone kemijske vezi iz atoma - partnerja, ki sodeluje v tej vezi. Posledično se na atomu A s povečano elektronegativnostjo pojavi delni negativni naboj d-, na partnerskem atomu pa pozitiven d +, v tem primeru je kemijska vez polarizirana: A d- –H d +.

Nastali delni pozitivni naboj vodikovega atoma mu omogoča, da pritegne drugo molekulo, ki vsebuje tudi elektronegativni element, zato imajo elektrostatične interakcije glavni delež pri nastanku H-vezi.

Trije atomi sodelujejo pri tvorbi H-vezi, dva elektronegativna (A in B) in vodikov atom H, ki se nahaja med njima, strukturo takšne vezi lahko predstavimo na naslednji način: BH d + –A d- (a vodikovo vez običajno označimo s črtkano črto). Atom A, kemično vezan na H, se imenuje darovalec protonov (latinsko donare - dajati, darovati) in B - njegov akceptor (latinski akceptor - akceptor). Najpogosteje ni pravega "darovanja" in H ostane kemično vezan na A.

Atomov - darovalcev A, ki dobavljajo H za tvorbo H -vezi, ni veliko, praktično le trije: N, O in F, hkrati je niz akceptorskih atomov B zelo širok.

Sam pojem in izraz "vodikova vez" sta leta 1920 predstavila W. Latimer in R. Rodebusch, da bi pojasnila visoka vrelišča vode, alkoholov, tekočih HF in nekaterih drugih spojin. Če primerjamo vrelišča sorodnih spojin H 2 O, H 2 S, H 2 Se in H 2 Te, so opozorili na dejstvo, da prvi član te serije - voda - vre veliko višje, kot sledi iz nastale pravilnosti ostali člani serije. Iz tega vzorca je sledilo, da mora voda vreti 200 ° C nižje od opažene prave vrednosti.

Enako odstopanje opazimo pri amoniaku v vrsti sorodnih spojin: NH 3, H 3 P, H 3 As, H 3 Sb. Njegovo pravo vrelišče (-33 ° C) je 80 ° C višje od pričakovanega.

Ko tekočina zavre, se uničijo le van der Waalsove interakcije, tiste, ki zadržujejo molekule v tekoči fazi. Če so vrelišča nepričakovano visoka, potem molekule posledično vežejo še nekatere dodatne sile. V tem primeru gre za vodikove vezi.

Podobno je povečano vrelišče alkoholov (v primerjavi s spojinami, ki ne vsebujejo -OH skupine) posledica nastanka vodikovih vezi.

Trenutno spektralne metode (najpogosteje infrardeča spektroskopija) zagotavljajo zanesljiv način odkrivanja H-vezi. Spektralne značilnosti skupin AN, vezanih na vodik, se izrazito razlikujejo od tistih primerov, ko takšne vezi ni. Poleg tega, če strukturne študije kažejo, da je razdalja med atomi B - H manjša od vsote van der Waalsovih polmerov, potem velja, da je prisotnost H -vezi ugotovljena.

Poleg povečanega vrelišča se vodikove vezi pokažejo tudi med nastajanjem kristalne strukture snovi, kar povečuje njeno tališče. V kristalni strukturi ledu H-vezi tvorijo volumetrično mrežo, molekule vode pa so razporejene tako, da so vodikovi atomi ene molekule usmerjeni na atome kisika sosednjih molekul:

Borova kislina B (OH) 3 ima kristalno strukturo, vsaka molekula je vodikovo vezana na tri druge molekule. Pakiranje molekul v plasti tvori vzorec parketa, sestavljenega iz šesterokotnikov:

Večina organskih snovi je netopnih v vodi, če je to pravilo kršeno, je to najpogosteje posledica motenj vodikovih vezi.

Kisik in dušik sta glavna darovalca protonov; prevzemata funkcijo atoma A v prej obravnavani triadi B ··· H d + –A d-. Najpogosteje delujejo kot akceptorji (atom B). Zaradi tega se lahko nekatere organske snovi, ki vsebujejo O in N v vlogi atoma B, raztopijo v vodi (vlogo atoma A igra vodni kisik). Vodikove vezi med organsko snovjo in vodo pomagajo "raztrgati" molekule organske snovi in ​​jo prenesti v vodno raztopino.

Obstaja pravilo: če organska snov vsebuje največ tri ogljikove atome na atom kisika, se zlahka raztopi v vodi:

Benzen je zelo malo topen v vodi, če pa zamenjamo eno CH skupino z N, dobimo piridin C 5 H 5 N, ki se meša z vodo v poljubnem razmerju.

Vodikove vezi se lahko pojavijo tudi v nevodnih raztopinah, ko na vodiku nastane delni pozitivni naboj, v bližini pa se nahaja molekula, ki vsebuje "dober" akceptor, običajno kisik. Na primer, kloroform HCCl 3 raztopi maščobne kisline, acetilen HCêCH pa je topen v acetonu:

To dejstvo je našlo pomembne tehnične aplikacije, acetilen pod pritiskom je zelo občutljiv na svetlobni udar in zlahka eksplodira, njegova raztopina v acetonu pod pritiskom pa je varna za uporabo.

Vodikove vezi v polimerih in biopolimerih igrajo pomembno vlogo. V celulozi - glavni sestavini lesa - se hidroksilne skupine nahajajo v obliki stranskih skupin polimerne verige, sestavljene iz cikličnih fragmentov. Kljub relativno šibki energiji vsake posamezne H -vezi njihova interakcija v celotni molekuli polimera vodi do tako močne medmolekularne interakcije, da je raztapljanje celuloze možno le pri uporabi eksotičnega zelo polarnega topila - Schweitzerjevega reagenta (amonijev kompleks bakrovega hidroksida).

V poliamidih (najlon, najlon) nastanejo H-vezi med karbonilnimi in amino skupinami> C = O ··· H-N

To vodi k nastanku kristalnih regij v strukturi polimera in povečanju njegove mehanske trdnosti.

Enako se dogaja pri poliuretanih, ki imajo strukturo blizu poliamidov:

NH-C (O) O- (CH2) 4 -OC (O) -NH- (CH2) n -NH-C (O) O-

Do tvorbe kristalnih regij in kasnejše krepitve polimera pride zaradi tvorbe H-vezi med karbonilnimi in amino skupinami> C = O ··· H-N<.>

Na podoben način se pojavi kombinacija vzporedno položenih polimernih verig v beljakovinah, vendar pa H-vezi zagotavljajo tudi proteinskim molekulam drugačen način pakiranja-v obliki spirale, medtem ko so zavoji spirale pritrjeni z iste vodikove vezi, ki nastanejo med karbonilno in amino skupino:

Molekula DNA vsebuje vse podatke o določenem živem organizmu v obliki izmeničnih cikličnih fragmentov, ki vsebujejo karbonilne in amino skupine. Obstajajo štiri vrste takšnih fragmentov: adenin, timin, citozin in gvanin. Nahajajo se v obliki stranskih obeskov vzdolž celotne molekule polimerne DNA. Vrstni red menjavanja teh drobcev določa individualnost vsakega živega bitja. Spirale:

Kompleksi nekaterih prehodnih kovin so nagnjeni k nastanku H-vezi (v vlogi akceptorjev protonov); najbolj nagnjeni k sodelovanju pri H-vezi so kompleksi kovin VI-VIII skupin. Da bi nastala takšna vez, je v nekaterih primerih potrebna udeležba močnega darovalca protona, na primer trifluoroocetne kisline. Na prvi stopnji (glej spodnjo sliko) nastane H-veza s sodelovanjem atoma kovine iridija (kompleks I), ki igra vlogo akceptorja B.

Nadalje, ko temperatura pada (od sobne temperature do –50 ° C), proton prehaja v kovino in pojavi se običajna vez M - H. Vse transformacije so reverzibilne; odvisno od temperature se lahko proton premakne bodisi v kovino bodisi v njen darovalec, kislinski anion.

Na drugi stopnji kovina (kompleks II) prevzame proton, s tem pa tudi pozitiven naboj in postane kation. Nastane skupna ionska spojina (kot je NaCl). Vendar pa proton ob prehodu na kovino ohrani stalno privlačnost do različnih akceptorjev, v tem primeru do kislega aniona. Posledično se pojavi H-vez (označena z zvezdicami), ki dodatno omeji ionski par:

Vodikov atom lahko sodeluje v vlogi atoma B, to je akceptorja protona v primeru, ko je na njem koncentriran negativen naboj, se to uresniči v kovinskih hidridih: M d + –H d-, spojine, ki vsebujejo kovinsko-vodikova vez. Če kovinski hidrid medsebojno deluje s darovalcem protona srednje jakosti (na primer fluoriran drgne-butanol), nato se pojavi nenavaden vodikov most, kjer vodik s seboj organizira H-vez: М d + –Н d- ··· Н d + –А d-:

V prikazanem kompleksu klinaste črte s polnim polnjenjem ali navzkrižno valilno označujejo kemijske vezi, usmerjene v oglišča oktaedra.

Mihail Levicki