Какое влияние оказывает водородная связь на свойства nh3
В молекулах соединениях HF, H2O, NH3 существуют связи водорода с сильно электроотрицательным элементом (Н–F, Н–O, Н–N). Между молекулами таких соединений могут образовываться межмолекулярные водородные связи. В некоторых органических молекулах, содержащих связи Н–O, Н–N, могут возникать внутримолекулярные водородные связи.
Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно – акцепторный характер. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором – атомы водорода, соединенные с этими атомами. Как и для ковалентной связи, для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость.
Водородную связь принято обозначать точками: Н ··· F. Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнера и чем меньше его размеры. Она характерна прежде всего для соединений фтора, а также кислорода, в меньшей степени азота, в еще меньшей степени для хлора и серы. Соответственно меняется и энергия водородной связи (табл. 1).
Таблица 1. Средние значения энергий водородных связей
Тип водородной связи | Энергия связи, кДж/моль |
Н ··· F | 40 |
Н ··· О | 20 |
H ··· N | 8 |
Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь
Благодаря водородным связям молекулы объединяются в димеры и более сложные ассоциаты. Молекулы воды образуют ассоциаты (Н2О)2, (Н2О)3, (Н2О)4; спирта (C2H5ОН)4. Этим и объясняется увеличение температуры кипения спиртов по сравнению с углеводородами, Наблюдается хорошее растворение метанола и этанола в воде. Водородная связь, возникшая между молекулами, называется межмолекулярной.
Например, образование димера парагидроксибензальдегида можно представить следующей схемой (рис. 1).
Рис. 1. Образование межмолекулярных водородных связей в парагидроксибензальдегиде.
Водородные связи могут возникать как между различными молекулами (межмолекулярная водородная связь), так и внутри молекулы (внутримолекулярная водородная связь). Внутримолекулярные водородные связи имеются в многоатомных спиртах, углеводах, белках и
других органических веществах.
Рис. 2. Образование внутримолекулярных водородных связей в салициловом альдегиде.
Влияние водородной связи на свойства веществ
Наиболее удобным индикатором существования межмолекулярной водородной связи является температура кипения вещества. Более высокая температура кипения воды (100oC по сравнению с водородными соединениями элементов подгруппы кислорода (H2S, H2Se, H2Te) объясняется наличием водородных связей: на разрушение межмолекулярных водородных связей в воде необходимо затратить дополнительную энергию.
Водородная связь существенным образом может влиять на структуру и свойства веществ. Существование межмолекулярной водородной связи повышает температуры плавления и кипения веществ. Наличие внутримолекулярной водородной связи приводит к тому, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) оказывается свернутой в воде двойной спирали.
Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.
Примеры соединений: одноатомные (метанол, этанол) и многоатомные спирты (глицерин, этиленгликоль), карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, белки, вода, аммиак, фтороводород, кислородсодержащие карбоновые кислоты.
Источник
из “Химия”
что из четырех электронных пар при азоте три общие (связывающие) и одна неподеленная (несвязывающая). [c.106]
Благодаря водородным связям аммиак имеет сравнительно высокие температуры плавления и кипения, а также высокую теплоту испарения, он легко сжижается. [c.106]
Водородная связь. Это своеобразная химическая связь. Она может быть межмолекулярной и внутримолекулярной. [c.106]
что подобное взаимодействие обнаруживается у атома водорода, объясняется его малым размером и отсутствием внутренних электронных слоев. [c.107]
Часто водородную связь сводят только к электростатическому притяжению между поляризованным атомом водорода и другой полярной группой. Но более правильным следует считать, что в ее образование вносит вклад и донорно-акцепторное взаимодействие. Ведь для этой связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость. [c.107]
Водородная СВЯЗЬ намного слабее ковалентной связи (примерно в 15—20 раз). Тем не менее она оказывает влияние на свойства многих веш,еств, что было показано на примере аммиака. Другой пример благодаря водородной связи, фтороводород в обычных условиях суш,ествует в жидком состоянии (ниже 19,5 °С) и содержит молекулы состава от H2F2 до HeFg. [c.107]
Особенно распространены водородные связи в молекулах белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений, с чем вы встретитесь при изучении органической химии. Там также познакомитесь и с внутримолекулярной водородной связью. [c.107]
Физические свойства. Аммиак — бесцветный газ с характерным резким запахом, почти в два раза легче воздуха. При увеличении давления или охлаждении он легко сжижается в бесцветную жидкость (т. кип. —33,4 °С). Аммиак очень хорошо растворяется в воде (при 20 °С в 1 объеме воды растворяется до 700 объемов NH3). [c.107]
Раствор аммиака в воде называется аммиачной водой или нашатырным спиртом. При кипячении растворенный аммиак улетучивается из раствора. [c.107]
Гидраты — продукты присоединения воды к веществам. [c.107]
в реакции аммиака с водой небольшая часть юлeкyл аммиака присоединяет протон из воды, в результате образуется катион аммония NHt и гидроксид-ион. В катионе аммония четыре ковалентные связи, из них одна образована по донорно-акцепторному механизму (с. 43). [c.108]
Из приведенных примеров следует, что для аммиака характерны реакции присоединения протона. [c.108]
Эта реакция называется к а т а л и т и ч е с к и м окислением аммиака. [c.108]
С помощью этой реакции можно получать азот в лабораторных условиях. [c.108]
Она протекает только в присутствии катализатора — губчатого железа с добавками активаторов — оксидов алюминия, калия, кальция, кремния (иногда и магния). [c.109]
Исходные продукты получают азот — из жидкого воздуха, Еодород — конверсионным способом или из воды (см. 3.4). [c.109]
Большие количества аммиака расходуются для пачучения азотной кислоты, азотсодержащих солей, мочевины, соды по аммиачному методу. На легком сжижении и последующем испарении с поглощением теплоты основано его применение в холодильном деле. Жидкий аммиак и его водные растворы применяют как жидкие удобрения. [c.109]
Вернуться к основной статье
Источник
Ассоциация водородных соединений
Наличие межмолекулярной водородной связи приводит к более или менее выраженной ассоциации молекул, возможной в любом из трёх агрегатных состояний. Особенно часто происходит ассоциация молекул, содержащих ОН-группы —Н2О, Н2О2, спирты, фенолы, кислородсодержащие неорганические и органические кислоты(например, H2SO4 и HCOOH).Ассоциация имеет место в структурах некоторых кислых солей, например, у NaHCO3 и KH2PO4 ,а также в жидких фтороводороде, аммиаке и циановодороде. В результате ассоциации могут образовываться димеры, линейные или цепочечные полимерные частицы.
Установлено, что в газообразном HF существует несколько видов молекул (HF)n c n=1–6. Среди них молекула (HF)6 особенно устойчива благодаря образованию дополнительной водородной связи при замыкании кольца.
Молекулы HF и HCN в жидком состоянии ассоциированы в цепи вида: (рис.24 ).Фторид водорода в обычных условиях – бесцветная жидкость(tкип =19,5оС). Даже в состоянии газа фторид водорода состоит из смеси полимеров H2F2,H3F3,H4F4,H5F5,H6F6.Простые молекулы HF существуют лишь при температурах выше 90оС. У фтороводорода расстояния H– F и F…H, т.е. протон располагается посередине между ионами фтора.
.…H−C ≡N.…H −C≡ N….H− C≡ N….
Рис. 24Водородные связив HF и HCN
Молекула воды может образовывать четыре водородные связи, так как имеет два атома водорода и две несвязывающие электронные пары
(рис.25 ).
Рис.25 Водородные связи в Н2О
Энергия водородной связи для соединений кислорода с водородом
(13–29 кДж/моль) меньше, чем энергия ковалентной связи. И тем не менее, эта связь обусловливает существование в парах димерных молекул (Н2О)2 и муравьиной кислоты. В ряду сочетаний атомов НF, HO, HN, HCl, HS энергия водородной связи падает вследствие уменьшения электроотрицательности. Она также уменьшается с повышением температуры, поэтому вещества в парообразном состоянии проявляют водородную связь лишь в незначительной степени. В большей степени она характерна для веществ в жидком и твердом состояниях.
Тенденция к образованию водородных связей объясняет также строение гидратированного иона протона.Результаты экспериментов показывают что в воде протон присутствует как Н9О4+.Поэтому схему автопротолиза воды Н2О + Н2О = Н3О+ можно рассматривать лишь как чисто символическую. Ион Н9О4+ имеет пирамидальное строение.Центральный атом кислорода связан тремя сильными водородными связями с тремя молекулами воды(рис.26 ).
Рис.26 Строение иона Н9О4+
Аномалия температур плавления и кипения
Известно, что соединения водорода с сильно электроотрицательными неметаллами, такими как F, О, N, имеют аномально высокие температуры кипения. Температуры плавления и кипения соединений определяются энергией межмолекулярного взаимодействия: чем выше энергия взаимодействия, тем больше поглощённой энергии расходуется на преодоление сил сцепления, тем при более высоких температурах плавится и кипит вещество. Поэтому соединения, образующие прочные межмолекулярные водородные связи, обладают аномально высокими температурами плавления и кипения. Если в ряду Н2Тe – H2Se – H2S температура кипения закономерно уменьшается, то при переходе от H2S к Н2О наблюдается резкий скачок к увеличению этой температуры. Такая же картина наблюдается и в ряду галогеноводородных кислот. Это свидетельствует о наличии специфического взаимодействия между молекулами Н2О, молекулами HF—образование ассоциатов посредством межмолекулярных водородных связей. Благодаря водородным связям молекулы объединяются в димеры и полимеры. Такое взаимодействие должно затруднять отрыв молекул друг от друга, т.е. уменьшать их летучесть, а, следовательно, повышать температуру кипения соответствующих веществ (см. табл.2).
| Вещество | tплоС | tкипоС | Вещество | tплоС | tкипоС |
| H2O | 0,0 | 100,0 | HF | –83,1 | 19,5 |
| H2S | –85,5 | –60,7 | HCl | –112,0 | –84,9 |
| H2Se | –64,8 | –41,5 | HBr | –87,0 | –66,8 |
| H2Te | –49,0 | –2,0 | HI | –50,9 | –39,4 |
Табл.2 Температуры плавления и кипения водородных соединений
Р-элементов VI и VII групп.
Хотя водородные связи приблизительно в 20 раз менее прочные, чем ковалентные, но именно благодаря ним вода в обычных условиях является жидкостью или льдом, (а не газом). Водородные связи разрушаются только тогда, когда жидкая вода переходит в пар, но прочность водородной связи такова, что даже при 100оС доля разорванных водородных связей составляет лишь 20% к их общему количеству. Ассоциаты полностью разрушаются лишь при переходе воды в пар.
Прочностью ассоциатов объясняется аномально высокая теплоёмкость воды, поскольку при нагревании воды много энергии расходуется на разрыв водородных связей. При понижении температуры водородные связи восстанавливаются, освобождая энергию.
При температурах выше 0оС (но ниже температуры кипения) вода уже не имеет такую упорядоченную межмолекулярную структуру. В жидкой воде молекулы связаны между собой в отдельные агрегаты из нескольких молекул. Эти агрегаты могут свободно двигаться рядом друг с другом, образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность становится все больше и больше, а агрегаты — все крупнее. Наконец, образуется лед, который имеет именно такую упорядоченную структуру.
На рис 27 показан фрагмент структуры льда. В кристалле льда молекулы воды ориентируются таким образом, чтобы образовать максимальное число водородных связей. Каждый атом кислорода в этой структуре тетраэдрически связан с четырьмя другими атомами; между ними располагаются атомы водорода. Два из них соединены с данным атомом кислорода полярной ковалентной связью, два других — водородной связью,т.е. входят в состав других молекул Н2О. Таким образом, получается ажурная структура, далёкая от плотной упаковки. Вследствие этого лёд имеет небольшую плотность и значительную рыхлость. Любая молекула соединена тремя связями с молекулами своего слоя и лишь одной связью с соседним слоем. Поэтому слои легко перемещаются относительно друг друга. Каждый слой молекул состоит из шестичленных колец, которые, располагаясь друг над другом, образуют пустоты. Объем этих пустот больше, чем размер отдельной молекулы Н2О. Поэтому лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода и плавает на поверхности воды. Большинство же других веществ при замерзании увеличивает свою плотность.
При таянии льда рвётся лишь часть водородных связей, поэтому в жидкой воде сохраняются фрагменты структуры льда, между которыми находятся молекулы воды, не связанныве водородными связями. Эти молекулы заполняют пустоты, в результате плотность жидкой воды при ОоС выше, чем у льда, а объём воды жидкой по сравнению с объёмом тающего льда не возрастает как у других веществ, а уменьшается. При повышении температуры от ОоС до 4оС доля разорванных водородных связей и, следовательно, свободной воды, заполняющей пустоты, увеличивается; поэтому возрастает и плотность воды, которая достигает максимального значения при 4оС. При дальнейшем повышении температуры термическое расширение воды преобладает над уменьшением объёма обусловленного более высокой упаковкой и плотность воды уменьшается.
Рис.27 Окружение молекулы воды в структуре льда
Растворимость и другие свойства водородных соединений
Водородная связь весьма распространена и играет важную роль в процессах растворения, кристаллизации, электролитической диссоциации и других физико-химических процессах.
В водных растворах фтороводород находится в виде устойчивых димеров H2F2. При растворении в воде происходит процесс:
H2F2 + H2O = H3O+ + HF2– . В растворе содержатся также комплексные ионы H2F3–,H3F4– (в общем виде HnF–n+1).
Вследствие наличия водородной связи фтороводородная кислота ( в отличие от её аналогов( HCl,HBr и HI) не является сильной кислотой.
Константа кислотности HF в водном растворе Ка = 6,7 ∙ 10–4
Если вещество способно образовать водородные связи с молекулами растворителя, то оно обладает хорошей растворимостью. По этой причине неограниченно растворяются в воде: хлороводород, аммиак, фтористый водород, этиловый спирт и многие другие вещества.
Отсутствием влияния водородной связи объясняются случаи, когда полярные соединения не растворимы в полярном растворителе — воде. Так, полярный C2H5I хорошо растворяет неполярный нафталин, но сам не растворяется в воде.
Способностью к образованию водородных связей объясняется растворимость в воде некоторых белков. На поверхности белков находятся гидрофильные группы (–OH,–COOH,–NH2 и др.), которые посредством водородных связей присоединяют молекулы воды. Таким образом, каждая белковая молекула гидратирована. При разрыве водородных связей гидратная оболочка разрушается, и молекулы объединяются в более крупные агрегаты— белок выпадает в осадок. Это происходит, например, под действием солей щелочных металлов, спиртов, ацетона.
Внутримолекулярные водородные связи
Наряду с межмолекулярной водородной связью соединяющей отдельные молекулы существует и внутримолекулярная водородная связь, соединяющая атом водорода с каким-либо атомом той же молекулы. Особенно такая связь характерна для многих органических веществ (аминокислот, белков,амидов,многоатомных спиртов и др.).
Внутримолекулярная связь возникает, например, в молекулах салициловой кислоты и нитрофенола:
Салициловая кислота Нитрофенол
Рис.28 Водородные связи в салициловой кислоте и нитрофеноле
Эти связи часто образуются в хелатных комплексах, как, например, в бис(диметилглиоксимато)никелеII(см.рис.29).
Рис.29Бис(диметилглиоксимато) никель II
Водородные связи в значительной степени определяют устойчивость конформации белков. Внутримолекулярные водородные связи между группами >C=O и >N−H полипептидной цепи поддерживают
α–спиральную структуру белка. Межмолекулярные водородные связи двух полипептидных цепей определеяют образование слоистых белковых структур. Молекулы ДНК состоят из трёх частей: фосфатных групп, углеводных остатков(дезоксирибоза) и пуриновых и пиримидиновых оснований(аденин, цитозин, гуанин, тимин). Остов молекулы составляют чередующиеся углеводные и фосфатные остатки. С каждым углеводным о соединено пуриновое или пиримидиновое основание.Двойная спираль образуется за счёт того, что водородные связи между основаниями удерживают вместе две отдельные спирали.Основания ориентированы примерно перпендикулярно спирали.Каждое основание может образовать прочную связь только с одним из четырёх оснований, встречающихся в ДНК.Эта специфичность оснований составляет основу генетического кода.
Рис. 30Строение молекулы ДНК
Металлическая связь
В отличие от ковалентных и ионных соединений небольшое число валентных электронов в металлах одновременно связывают большое число атомных ядер. В металлах имеет место сильно делокализованная связь которая называется металлической. Эта связь является достаточно прочной, так как большинство металлов имеет высокую температуру плавления. Валентные электроны достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.
Источник
Как известно, атомы, имеющие большую электроотрицательность, имеют тенденцию притягивать к себе электроны менее электроотрицательного партнера, давая ему низкий положительный заряд (σ+). В случае с водородом этот заряд позволяет ему взаимодействовать с другим атомом. У второго атома должны присутствовать неподеленные электронные пары, которые позволят ему взаимодействовать с водородом. Механизм образования связи схож с ковалентной и может быть рассмотрен в качестве ее варианта.
Водородная связь
Это связь, образующаяся между атомом водорода, который уже связан с атомом, имеющим высокую электроотрицательность, и другим электроотрицательным атомом.
Можно представить структуру обсуждаемого явления так: сравнительно большие электроотрицательные атомы — это двое взрослых, которые держат за руки малыша-водорода. Наиболее распространенные кандидаты на роль «родителей» — это фтор, кислород и азот.
Свойства и типы водородных связей
Ковалентная и водородная связь сильно различаются по силе. Водородная значительно слабее, однако ее энергия и стабильность выше, чем у слабых межмолекулярных взаимодействий, таких как силы Ван-дер-Ваальса. Образование и разрушение водородной связи не требуют значительных затрат энергии, и она является достаточно стабильной при нормальных условиях. Подобная гибкость, обуславливает ее широкое распространение в молекулах, используемых живыми организмами, – «сборка» и «разборка» таких молекул легко осуществляется силами естественных энзимов. Можно выделить два подтипа обсуждаемой связи:
- внутримолекулярная – образуется между атомами одной молекулы;
- межмолекулярная – между атомами двух молекул.
Чтобы лучше понять, что к чему, давайте рассмотрим каждую из них.
Водородная связь: примеры
Две цепи ДНК, соединенные между собой при помощи большого количества водородных связей, — один из самых очевидных примеров внутримолекулярной водородной связи в биомолекулах. В процессе копирования, записи и восстановления генетической информации связи между цепями разрываются и соединяются множество раз на ограниченном участке молекулы.
Примерами веществ, между которыми образуются водородные связи могут служить спирты. Водородные связи, образующиеся между отдельными молекулами спиртов, обеспечивают им высокие точки кипения и плавления. Молекулы спиртов «держатся» друг за друга при помощи водородных связей, образуя более устойчивую структуру. Больше водородных связей – больше энергии необходимо для доведения вещества до кипения.
Обсуждаемые связи могут образовываться и между неорганическими молекулами, например, между молекулами воды. Рассмотрим этот случай подробнее.
Водородные связи в воде
Для начала давайте вспомним, как выглядит молекула воды. Она представляет собой атом кислорода, связанный с двумя атомами водорода и имеющий две неподеленные электронные пары – H2O. Каждый из атомов водорода может образовать связь с еще одной молекулой, из-за чего вода приобретает некоторые интересные свойства.
В числе прочего такая организация, позволяет воде иметь более высокую температуру кипения. Механизм достижения подобной стабильности по сути такой же, как и в спиртах. При температурах, превышающих ноль по шкале Цельсия, но ниже температуры кипения, молекулы воды образуют структуры, подобные изображенной на рисунке выше, но они представляют собой отдельные конгломерации, а не целостную структуру. При низкой температуре вода образует лед, в котором водородные связи присутствуют в полном объеме, образуя решетку. Ячейки решетки крупнее, чем молекула воды, что обеспечивает еще одно интересное свойство – более низкую плотность в твердом агрегатном состоянии.
Вода является отличным растворителем.
Полярные молекулы воды легко реорганизуются вокруг положительно или отрицательно заряженных ионов, поворачиваясь к ним соответствующей стороной. Особенно хорошо в воде растворяются другие водородосодержащие соединения, способные к образованию водородных связей с молекулами воды и самими собой. Поэтому спирты, а также аммиак и некоторые другие соединения способны растворяться в воде в колоссальных объемах.
Источник