Водородная связь и её влияние на свойства веществ

Вода кипит при 100 °C, хотя молекула H₂O маленькая и состоит только из лёгких атомов. Фтороводород HF тоже имеет для своего размера неожиданно высокую температуру кипения. Эти свойства нельзя объяснить одной лишь ковалентной связью внутри молекул. Существенную роль играет дополнительное притяжение между частицами, которое называют водородной связью.

Она слабее обычной ковалентной связи, но в веществе таких взаимодействий бывает много. Отдельные молекулы воды соединяются в подвижную сеть, молекулы спиртов удерживаются рядом, а в белках и ДНК водородные связи помогают сохранить определённую форму. Поэтому этот тип взаимодействия рассматривают не только в школьной химии, но и в биологии.

Что называют водородной связью

В молекуле воды связь O-H ковалентная и полярная. Кислород сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому около него возникает частичный отрицательный заряд δ−. Атом водорода, напротив, приобретает частичный положительный заряд δ+. Этот водород притягивается к неподелённой электронной паре кислорода соседней молекулы. Так возникает водородная связь O-H···O.

Важно различать две связи в такой записи. Черта O-H обозначает прочную ковалентную связь внутри одной молекулы. Точки между H и O показывают водородную связь между частицами. Она направлена и обычно заметно слабее ковалентной, поэтому при нагревании или растворении водородные связи могут разрушаться и снова образовываться, не меняя состава молекул.

Слово «водородная» не означает, что любое вещество с водородом образует такие связи. В метане CH₄ атомы водорода соединены с углеродом, который не создаёт достаточно сильного смещения заряда. Поэтому между молекулами метана работают главным образом слабые дисперсионные силы, а не водородные связи.

Условия возникновения

Для заметной водородной связи нужны две части. Во-первых, в молекуле должен быть фрагмент H-F, H-O или H-N. Сильно электроотрицательный атом оттягивает электронную плотность, и водород становится достаточно положительным. Во-вторых, рядом должен находиться атом F, O или N с неподелённой парой электронов, способной принять участие в притяжении.

Поэтому водородные связи характерны для воды, аммиака NH₃, фтороводорода HF, спиртов, карбоновых кислот, аминов и многих биологических молекул. Их число и прочность зависят от строения. Одна молекула воды может образовать до четырёх водородных связей: две через свои атомы водорода и две через неподелённые пары кислорода. В жидкой воде эта сеть постоянно перестраивается.

Хлор, сера и другие элементы тоже могут входить в полярные связи с водородом, но в школьной модели наиболее важны именно F, O и N. У них малы размеры атомов и высока электроотрицательность. За счёт этого положительный участок около водорода и отрицательный участок около второго атома сближаются достаточно сильно.

Связь между и внутри молекул

Чаще говорят о межмолекулярной водородной связи. Например, молекулы этанола C₂H₅OH связываются друг с другом через группы O-H. Чтобы испарить спирт, нужно не только раздвинуть молекулы, но и разорвать множество таких притяжений. Это требует энергии и повышает температуру кипения по сравнению с веществами близкой молярной массы, но без группы O-H.

Иногда донор водорода и атом с неподелённой парой находятся в одной молекуле. Тогда образуется внутримолекулярная водородная связь. Она может изгибать молекулу и уменьшать её способность связываться с окружающими частицами. В школьных заданиях этот случай встречается реже, однако он показывает, что водородная связь определяется расположением атомов, а не только формулой вещества.

Почему вода ведёт себя необычно

Вода особенно наглядно демонстрирует действие водородных связей. Для молекулы с такой небольшой молярной массой её температуры плавления и кипения высоки. Сероводород H₂S, молекула которого тяжелее воды, кипит примерно при −60 °C, тогда как вода остаётся жидкой в обычных условиях. Причина в том, что между молекулами H₂O образуется развитая сеть водородных связей.

При замерзании молекулы воды выстраиваются в более упорядоченную структуру с пустотами. Поэтому лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, и плавает на её поверхности. У большинства веществ твёрдая фаза плотнее жидкой, но вода является важным исключением. Ледяной покров защищает водоёмы от быстрого промерзания и помогает сохранять жизнь в них зимой.

Водородные связи также обусловливают высокую теплоёмкость воды. Чтобы повысить её температуру, нужно передать энергию не только на ускорение движения молекул, но и на частичное разрушение связей между ними. Благодаря этому вода медленнее нагревается и остывает, чем многие другие жидкости. Это свойство существенно для климата и для поддержания постоянной температуры организмов.

Влияние на свойства веществ

Вещества с водородными связями часто имеют более высокие температуры кипения и плавления, чем похожие по массе соединения без них. Метанол CH₃OH кипит при температуре около 65 °C, а диметиловый эфир CH₃OCH₃ с той же формулой C₂H₆O кипит примерно при −24 °C. У спирта есть группа O-H, способная создавать сеть водородных связей, а у эфира такого донора нет.

Ещё одно следствие связано с растворимостью. Вода хорошо растворяет многие вещества, частицы которых могут образовывать с ней водородные связи. Этанол смешивается с водой в любых соотношениях, потому что его гидроксильная группа взаимодействует с молекулами воды. Сахар растворяется благодаря многочисленным группам O-H. При этом длинная углеводородная часть молекулы мешает растворению, поэтому большие спирты и жиры растворяются в воде намного хуже.

Водородные связи влияют и на вязкость, поверхностное натяжение, смачивание. Молекулы воды у поверхности сильнее притягиваются к молекулам в глубине, чем к воздуху. В результате поверхность ведёт себя как натянутая плёнка. Капли стремятся принять форму с наименьшей площадью поверхности, а некоторые насекомые могут удерживаться на воде.

Роль в живой природе и заданиях

В клетках водородные связи помогают крупным молекулам сохранять форму. В двойной спирали ДНК азотистые основания двух цепей соединяются попарно именно такими взаимодействиями. Они достаточно прочны, чтобы удерживать цепи вместе, и в то же время могут разрываться при копировании генетической информации. В белках водородные связи участвуют в формировании спиралей и складчатых участков.

При решении задач сначала ищите в формуле фрагменты O-H, N-H или H-F. Их наличие позволяет предположить водородные связи между молекулами. Затем сравните вещества сходного состава: то, которое способно образовывать такие связи, обычно имеет более высокую температуру кипения. Но не стоит считать это единственным фактором: на свойства также влияют молярная масса, разветвлённость молекул и другие межмолекулярные силы.

• H₂O, HF, NH₃ и спирты образуют водородные связи.
• Водородная связь повышает температуру кипения и часто улучшает растворимость в воде.
• Лёд легче жидкой воды из-за пространственной структуры водородных связей.
• Наличие водорода в формуле само по себе не доказывает водородную связь.

Таким образом, водородная связь связывает строение вещества с его наблюдаемыми свойствами. Она объясняет необычное поведение воды, различия температур кипения у органических веществ и устойчивость многих биологических структур. Если видеть в формуле подходящие группы атомов и помнить о межмолекулярном притяжении, такие закономерности становятся понятнее.