Всего на сайте:
248 тыс. 773 статей

Главная | Химия

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ  Просмотрен 3324

Водородная связь – это особый вид связи, свойственный только атомам водорода. Она возникает в тех случаях, когда атом водорода связан с атомом наиболее электроотрицательных элементов, прежде всего фтора, кислорода и азота. Рассмотрим образование водородной связи на примере фтороводорода. Атом водорода имеет единственный электрон, благодаря которому он может образовывать с атомами электроотрицательных элементов только одну ковалентную связь. При образовании молекулы фтороводорода возникает связь Н—F, осуществляемая общей электронной парой, которая смещена к атому более электроотрицательного элемента — фтора.

В результате такого распределения электронной плотности молекула фтороводорода представляет из себя диполь, положительный полюс которого – это атом водорода. Из-за того, что связывающая электронная пара смещается к атому фтора, ядро атома водорода частично обнажается и частично освобождается ls-орбиталь этого атома. У любого другого атома положительный заряд ядра даже после удаления валентных электронов экранируется внутренними электронными оболочками, которые обеспечивают отталкивание от электронных оболочек других молекул. У водорода же таких оболочек нет, а ядро представляет собой чрезвычайно малую положительно заряженную субатомную частицу – протон (его диаметр примерно в 105 раз меньше диаметров других атомов, вследствие отсутствия электронов он притягивается электронной оболочкой другого нейтрального атома или отрицательно заряженного иона).

Напряженность электрического поля вблизи частично оголенного атома водорода настолько велика, что он может интенсивно притягивать к себе отрицательный полюс соседней полярной молекулы. Поскольку этот отрицательный полюс не что иное, как атом фтора, имеющий три несвязывающие электронные пары, а 1s – орбиталь атома водорода частично вакантна, то между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом фтора другой, соседней молекулы, возникает донорно-акцепторное ваимодействие.

Таким образом, в возникновении водородной связи существенную роль, наряду с элетростатическим взаимодействием играет и донорно-акцепторное взаимодействие. В результате такого взаимодействия возникает дополнительная (вторая) связь с участием атома водорода. Это и есть водородная связь. Ее обычно обозначают точками: …F–Н•••F–H… Образующаяся за счет водородной связи система из трех атомов, как правило, линейна.

Водородная связь отличается от ковалентной по энергии и длине. Она более длинная и менее прочная, чем ковалентная. Энергия водородной связи 8 – 40 кДж/моль, ковалентной 80 – 400 кДж/моль. Так, в твердом фтороводороде длина ковалентной связи F–Н равна 95 пм, в то время как водородная связь Н–F имеет длину 156 пм. Благодаря водородным связям между молекулами HF кристаллы твёрдого фтороводорода состоят из бесконечных пло­ских зигзагообразных цепей.

Водородные связи между молекулами HF частично сохраняются и в жидком и даже в газообразном фтороводороде.

Водородная связь условно записывается в виде трёх точек и изображается так:

X–H•••Y,

где X, Y – атомы F, O, N, Cl, S

 

Энергия и длина водородной связи определяются дипольным моментом связи X–H и размерами атома Y. Длина водородной связи уменьшается, а энергия возрастает с увеличением разности электроотрицательностей атомов X и Y (и соответственно дипольного момента связи X–H) и с уменьшением размера атома Y.

 

 

Водородные связи образуют также молекулы, в которых имеются связи О–Н (например, вода H2O, хлорная кислота НClO4, азотная кислота HNO3, карбоновые кислоты RCOOH, фенолы C6H5OH, спирты ROH) и N–Н (например, аммиак NH3, тиоциановая кислота HNCS, органические амиды RCONH2 и амины RNH2 и R2NH).

Вещества, молекулы которых соединены водородными связями, отличаются по своим свойствам от веществ, аналогичных им по строению молекул, но не образующих водородные связи. Температуры плавления и кипения соединений с водородом элементов IVA–группы, в которых нет водородных связей, плавно понижаются с уменьшением номера периода (рис. 15).У соединений с водородом элементов групп VA—VIIA наблюдается нарушение этой зависимости. Три вещества, молекулы которых соединены водородными связями (аммиак NH3, вода Н2О и фтороводород HF), имеют гораздо более высокие температуры кипения и плавления, чем их аналоги. Кроме того, у этих веществ более широкие температурные интервалы существования в жидком состоянии, более высокие теплоты плавления и испарения.

Важную роль играет водородная связь в процессах кристаллизации и растворения веществ, а также при образовании кристаллогидратов.

Водородная связь может возникать не только между молеку­лами (межмолекулярная водородная связь, МВС),как это имеет место во всех рассмотренных выше примерах, но и между атомами од­ной и той же молекулы (внутримолекулярная водородная связь, ВВС). Например, благодаря внутримолекулярным водородным связям между атомами водорода аминогрупп и атомами кислорода карбонильных групп возникают спиральные полипептидные цепи, образующие молекулы белков.

Огромную роль водородные связи играют в процессах редуп­ликации и биосинтеза белка. Две нити двойной спирали ДНК удерживаются вместе водородными связями. В процессе редупликации эти связи разрываются. При транскрипции синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы происходит также благодаря возникновению водородных связей. Оба процесса возможны потому, что водородные связи легко образуются и легко разрываются.

 

 

 

Рис. 15 Температуры плавления (а) и кипения (б)бинарных соединений элементов IV—VIIА - групп с водородом

 

Вопросы для самоконтроля

1. Может ли химическая связь осуществляться одним электроном?

2. Какими показателями характеризуют прочность химической связи?

3.

Может ли длина связи быть равной сумме радиусов двух изолированных атомов, вступающих в химическую связь?

4. Чем должны обладать химические частицы для установления между собой ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму?

5. Чем определяется валентность атомов элементов в химическом соединении?

6. Чем ограничивается число ковалентных связей, образуемых атомом какого-либо элемента в химическом соединении?

7. Что является причиной гибридизации электронных орбиталей атомов участвующих в образовании ковалентных связей?

8. Какие атомные орбитали могут гибридизоваться?

9. Какой тип гибридизации атомных орбиталей наиболее часто осуществляется в неорганических соединениях?

10. Что является мерой полярности ковалентной связи? Чем она измеряется?

11. Что называется электроотрицательностью атома элемента?

12. Дайте определение ковалентной, ионной, металлической и водородной связям.

13. Почему метан по аналогии с аммиаком, фтороводородом и водой не имеет аномально высокой температуры кипения?

14. Чему равна валентность атома углерода в молекуле СО?

15. Может ли произойти реакция между HF и SiF?

16. Какова кратность ковалентной связи в молекуле NО?

17. Укажите тип гибридизации электронных орбиталей атома углерода в молекуле СО2.

18. Одинакова ли геометрическая конфигурация молекул BF3 и NF3?

19. Дипольный момент молекулы HCN равен 2,9 D. Вычислите длину диполя.

Тесты

 

№ 1

 

1. Длина ковалентной связи наибольшая в молекуле … .

1) НСl 2) НI 3) НВr 4) НF

 

2. Максимальную тенденцию образовывать химические соединения с ионной связью проявляют атомы элементов … .

1) Сu и Сl 2) Н и Сl 3) Li и Сl 4) С и Сl

 

3. Молекула ВеF2 (газообразный фторид бериллия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

 

№ 2

 

1. Полярность ковалентной связи уменьшается в ряду … .

1) НF, Н2О, NН3 2) Н2О, Н2Sе, Н2S

3) НСl, НI, НВr 4) NН3, NСl3, NF3

 

2. π-Связи могут образовываться в результате перекрывания электронных облаков … типа.

1) s и р 2) s и s 3) р и р 4) s и d

 

3. Молекула аммиака имеет … строение.

1) тригональное 2) пирамидальное

3) угловое 4) тетраэдрическое

 

 

№ 3

 

1. Полярность ковалентной связи увеличивается в ряду … .

1) ССl4, СН4, СО2 2) СН4, NН3, Н2О

3) НF, Н2О, Н2Sе 4) NН3, NСl3, NВr3

 

2. В молекуле сероводорода возможны … .

1) только σ-связи

2) только π-связи

3) как σ-, так и π-связи

 

3. Молекула SnСl4 (газообразный хлорид олова) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

 

 

№ 4

 

1. Полярность ковалентной связи в ряду НСl – НВr – НI … .

1) увеличивается

2) не изменяется

3) уменьшается

4) вначале уменьшается, а затем увеличивается

 

2.Число двойных связей одинаково в молекулах … .

1) СО2 и SО3 2) Н24 и НСlО4

3) SО2 и Н24 4) N2 и С2Н2

 

3. Молекула SnСl2 (газообразный хлорид олова ) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

 

№ 5

 

1. В кристаллах NаF, RbСl, СsСl химическая связь … .

1) ионная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) металлическая

 

2.

Число π-связей одинаково в молекулах … .

1) С2Н4 и СО2 2) SО3 и Н24

3) N2 и С2Н4 4) СО2 и С2Н2

 

3. Молекула метана имеет … строение.

1) угловое 2) тетраэдрическое

3) пирамидальное 4) тригональное

 

№ 6

 

1. В молекулах О2, N2, Сl2, Н2 связь … .

1) ионная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) металлическая

 

2. Число σ-связей одинаково в молекулах … .

1) С2Н4 и РСl5 2) SО2 и С2Н2

3) SО2Сl2 и СОСl2 4) Н24 и РОСl3

 

3. Молекула сероводорода имеет … строение.

1) угловое 2) тетраэдрическое

3) линейное 4) пирамидальное

 

№ 7

 

1. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .

1) Сl2 2) SО2 3) NН3 4) Н2S

 

2. В молекуле азота существуют … .

1) только σ-связи 2) только π-связи

3) одна σ- и две π-связи 4) одна π- и две σ-связи

 

3. Молекула АlСl3 (газообразный хлорид алюминия) имеет … строение.

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

 

 

№ 8

 

1. Длина ковалентной связи больше во второй молекуле в случае соединений … .

1) Сl2 и N2 2) SО2 и СО2 3) СF4 и СН4 4) F и НВr

 

2. Валентный угол в ряду NН3 – РН3 – АsН3 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

3. Молекула GаСl3 (газообразный хлорид галлия) имеет … строение.

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

 

№ 9

 

1. В ряду LiF – ВеF2 – ВF3 – СF4 – NF3 – ОF2 – F2 … .

1) ионный характер связи усиливается

2) ковалентный характер связи усиливается

3) ковалентный характер связи ослабевает

4) ионный характер связи не изменяется

 

2. Ионный тип связи имеет … .

1) хлорид калия 2) фторид кислорода(II)

3) фторид углерода(IV) 4) хлорид фосфора(III)

 

3. Молекула МgСl2 (газообразный хлорид магния) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) тетраэдрическое

 

№ 10

 

1. Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется в … .

1) КСl 2) НСl 3) ССl4 4) NН4Сl

 

2. Ковалентную полярную связь имеет … .

1) алмаз 2) аммиак 3) фтор 4) кобальт

 

3. Молекула АsН3 имеет строение … .

1) линейное 2) тригональное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

 

№ 11

 

1. В ряду NаСl – МgСl2 – АlСl3 – SiСl4 – РСl3 – Сl2 … .

1) ионный характер связи усиливается

2) ковалентный характер связи усиливается

3) ковалентный характер связи ослабевает

4) ионный характер связи не изменяется

2. Ковалентную неполярную связь имеет … .

1) хлорид натрия 2) хлор

3) хлороводород 4) цинк

 

3. Молекула ССl4 имеет строение … .

1) угловое 2) пирамидальное

3) тетраэдрическое 4) тригональное

 

№ 12

 

1. Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется в … .

1) NаF 2) НF 3) (НF)2 4) НВrF4

 

2. В молекуле N2 у атомов азота … .

1) валентность равна степени окисления

2) валентность больше степени окисления

3) валентность и степень окисления противоположны по знаку

4) валентность меньше степени окисления

 

3. Молекула сероводорода имеет строение … .

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

 

№ 13

 

1. Валентный угол в ряду молекул Н2О, Н2S, Н2Sе, Н2Те … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

2. Максимальную тенденцию образовывать соединения с ионной связью проявляют элементы … .

1) Rb и F 2) Сu и F 3) Н и F 4) С и F

 

 

3. Молекула GеСl2 [газообразный хлорид германия(II)] имеет … строение.

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

 

№ 14

 

1. Валентный угол в ряду молекул NН3, РН3, АsН3 … .

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

2. При образовании связи в молекуле НВr перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

 

3. Молекула GеСl4 [газообразный хлорид германия (IV)] имеет … строение.

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

 

№ 15

 

1.

Прочность химической связи в ряду ВF3 – АlF3 – GаF3 – InF3 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

2. При образовании связей в молекуле кислорода перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

 

3. Молекула ВСl3 имеет … строение.

1) линейное 2) тригональное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

№ 16

 

1. Прочность ковалентной связи в ряду Н2S – Н2Sе – Н2Те … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала уменьшается, а затем увеличивается

 

2. При образовании связей в молекуле азота перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

 

3. Молекула ОF2 имеет строение … .

1) линейное 2) пирамидальное

3) тетраэдрическое 4) угловое

 

№ 17

 

1. Прочность химической связи в ряду SnСl4 – GеСl4 – SiСl4 – ССl4 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

2. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .

1) Сl2 2) F2 3) I2 4) Вr2

 

3. Молекула фосфина РН3 имеет … строение

1) пирамидальное 2) тетраэдрическое

3) угловое 4) тригональное

 

№ 18

 

1.Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .

1) РН3 2) Н2S 3) SiН4 4) НСl

 

2. В молекуле аммиака образуются … .

1) только σ-связи 2) только π-связи

3) одна σ- и две π-связи 4) две σ- и одна π-связи

 

3. Молекула силана SiН4 имеет … строение.

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

 

№ 19

 

1. Длина ковалентной связи увеличивается в ряду … .

1) Сl2, N2, О2 2) НСl, НF, НВr

3) АlСl3, GаСl3, InСl3 4) Н2Sе, Н2S, Н2Те

 

2. Ионный тип связи имеет … .

1) хлорид бора 2) хлорид цезия

3) хлорид фосфора(III) 4) хлороводород

 

3. Молекула GеСl2 (газообразный хлорид германия) имеет строение … .

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

 

№ 20

 

1. Прочность ковалентной связи в ряду Н2Sе – Н2S – Н2О … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

2. Ковалентная связь образуется между атомами … .

1) неметаллов

2) типичных неметалла и металла

3) металла

 

 

1. Молекула РbСl2 (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

 

№ 21

 

1. Длина связи увеличивается в ряду … .

1) F2, О2, N2 2) НВr, НСl, НF

3) ВСl3, АlСl3, GаСl3 4) Н2S, Н2О, NН3

 

2. Примером полярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является … .

1) N2 2) Н2О 3) ССl4 4) ВСl3

 

3. Молекула РbСl4 (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

 

№ 22

 

1. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .

1) Н2Те 2) Н2О 3) Н2Sе 4) Н2S

 

2. Примером неполярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является … .

1) О2 2) ССl4 3) Н2S 4) НСl

 

3. Молекула ССl4 имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

 

№ 23

 

1. Ионный тип связи имеет … .

1) лёд 2) поваренная соль

3) алмаз 4) металлическая медь

 

2. Электронные орбитали атома бериллия в молекуле ВеН2 (газообразный гидрид бериллия) гибридизованы … по типу.

1) sр 2) sр2 3) sр3 4) s2р

 

3. Молекула ВеН2 (газообразный гидрид бериллия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) тетраэдрическое

 

№ 24

 

1. Образование ионной кристаллической решетки характерно для … .

1) иодида цезия 2) графита

3) иода 4) льда

 

2. Электронные орбитали атома алюминия в молекуле АlСl3 (газообразный хлорид алюминия) гибридизованы … по типу.

1) sр 2) sр2 3) sр3 4) s2р

 

3. Молекула АlСl3 (газообразный хлорид алюминия) имеет строение … .

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

 

№ 25

 

1. Полярность ковалентной связи уменьшается в ряду … .

1) НF, НI, НСl 2) NН3, Н2О, НF

3) Н2О, Н2S, Н2Sе 4) NН3, Н2S, НF

 

2.

Электронные орбитали атома германия в молекуле GеСl4 (газообразный хлорид германия) гибридизованы … по типу.

1) sр 2) sр2 3) sр3 4) s2р2

 

3. Молекула GеСl4 (газообразный хлорид германия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

 

№ 26

 

1. В молекулах НСl, NН3, Н2Sе химическая связь … .

1) водородная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) ионная

 

2. Примером полярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является … .

1) Н2О 2) N2 3) АlСl3 4) ССl4

 

3. Молекула Н2Sе имеет … строение.

1) пирамидальное 2) угловое

3) тетраэдрическое 4) линейное

 

№27

 

1. Степень ионности связи в ряду NiСl2 – СаСl2 – КСl – RbСl … .

1) усиливается

2) ослабевает

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

2. Примером неполярной молекулы, имеющей ковалентные полярные связи является … .

1) Н2 2) АsН3 3) ВеН2 4) Н2S

 

 

3. Водородная связь соединяет молекулы … .

1) водорода 2) фтороводорода

3) теллуроводорода 4) гидрида мышьяка

 

№ 28

 

1. Степень ионности связи в ряду АlСl3 – SiСl4 – РСl5 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

 

2. Орбитали атома кремния в молекуле SiН4 гибридизированы … по типу.

1) sр 2) sр2 3) sр3 4) s2р2

 

3. Молекула силана SiН4 имеет … строение.

1) пирамидальное 2) угловое

3) тетраэдрическое 4) тригональное

 

Литература

 

1) Килеев Р.Г., Векшин В.В. Пособие по общей химии, – Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2004. – С.101-138.

2) Химия: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Н.Н. Волков, М.А. Мелихова. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – С.28-44.

3) Слесарев С.31-47

4) Глинка С.97-157 (учебник и задачник)

5) Князев С.145-193

6) Угай С.56-98

 


[1] Термин «химическая связь» введен А.М.Бутлеровым в 1863г.

[2] 1 Джоуль есть работа силы в 1 Н на пути в 1 м.

[3] Энергия в 1 кДж может поднять 1 кг груза на 102 м или 102 кг груза на 1 м. Ю.Майер в 1842 г. Определил механический эквивалент теплоты, равный 427 кгм/ккал. Из этого (с учётом того, что 1 ккал = 418,68 кДж) следует, что прои образовании хим. связей в 1 моль вещ-ва выделяется энергия, которая может произвести работу, равную 10 200 – 102 000 кгм. Это значит, что 1 моль вещ-ва обладает энергией, достаточной для того, чтобы поднять груз массой в 10,2 – 102 т на 1м или, наоьорот, 1 кг поднять на 102 – 1020 м.

[4] По аналогии с атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали обозначают греческими буквами σ, π, δ, φ.

[5] 1 пм (пикометр) = 10-12 м.

[6] Валентность (от лат. valentia – сила) атома – это способность атома элемента образовывать химические связи; количественной меры валентности (в рамках метода валентных связей) является число связей, образованных данным атомом с другими атомами или атомными группировками.
Валентность (ковалентность) атома элемента в общем случае определяется числом орбиталей, которые могут быть использованы в образовании химических связей.

[7] Гибридные орбитали обозначают буквой «g».

[8]Ковалентной полярной будет также связь между атомами нетипичных металлов и неметаллов в случае небольшой разницы в значениях их ЭО, например AlBr3, GeH4 и др.

[9] Эффективный (реальный) заряд атома – заряд, возникающий на атоме вследствие смещения электронной плотности в молекуле в сторону более электроотрицательного атома. При этом более электроотрицательный атом приобретает отрицательный эффективный заряд (он обозначается «-δ», а атом-партнер в молекуле – положительный заряд «+δ»). Величина эффективного заряда измеряется в единицах абсолютного заряда электрона. Для атомов, образующих ковалентную неполярную связь, эффективный заряд равен нулю, например, Н–Н. Эффективный заряд может служить мерой ионности ковалентной связи. Например, для хлороводорода HCl δH = +0,2, δCl = -0,2, и связь в молекуле HCl примерно на 20 % имеет ионный характер, то есть она полярна и близка к ковалентной; в хлориде натрия NaCl δNa = +0,8, δCl = -0,8 и можно говорить, что связь на 80 % ионная.

В пределах Периодической системы хим. элементов с увеличением порядкового номера элемента значения эффективных зарядов атомов в одноатомных соединениях уменьшаются. В главных подгруппах с ростом порядкового номера элемента эффективные заряды увеличиваются. Эффективный заряд атома одного и того же элемента в различных соединениях снижается с уменьшением полярности связи.

[10] ОЭО χ (хи)

Предыдущая статья:МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Следующая статья:ДИНАСТИЯ МЕРОВИНГИ
page speed (0.0262 sec, direct)