legătură de hidrogen
Toate proprietățile anormale ale apei sugerează că moleculele de H2O în apă destul de puternic legați unul de altul și, probabil, formează un fel de structură moleculară care rezistă oricăror influențe externe termice, electrice, mecanice. Prin urmare, trebuie să luați căldură atât de mult pentru apa pentru a transforma într-un vapori, deci este căldura latentă de vaporizare ridicată a apei. Este aceste conexiuni și sunt cheia pentru înțelegerea multora dintre proprietățile speciale ale apei. În 1920, oamenii de stiinta americani W. Latimer și W. Rodebush propus pentru a apela aceste legături de hidrogen speciale. De atunci, acest concept a devenit manual, incluse în toate manualele și a devenit subiectul cercetării fundamentale considerabile.
Este cunoscut faptul că moleculele păstrează reciproc prin interacțiuni intermoleculare slabe. Aceste interacțiuni apar prin atracția electrostatică a unei molecule incarcate pozitiv la nucleul unul încărcat negativ coajă de electroni altul. Cu toate că această atracție este compensat în mare măsură de repulsia reciprocă a membranelor și a nucleelor de molecule, efectul net al interacțiunilor atinge câteva zecimi de kilocalorii per mol de substanță. Dar moleculele unor compuși, construite cu participarea hidrogenului, forța de atracție este crescut de zece ori. Acest lucru se explică printr-o ușoară rază a hidrogenului atomic și absența straturilor interioare ale electronilor, deci moleculele vecine este capabil să se apropie de un atom de hidrogen, la o distanță foarte aproape fără a se confrunta cu o repulsie puternică. Un compus deosebit de adecvat pentru a forma „legării hidrogenului“ este apa.
În diferite stări atom de hidrogen astfel capabilă plus nu poate fi hidrogen caracterizate în aceeași măsură. Cel mai puternic, ea va fi apoi, când hidrogenul la maximum dă electron atunci când este legat de un atom de unul dintre elementele electronegative - în primul rând, cu atomi de fluor și de oxigen și la un grad mai mic, cu atomi de clor și azot. Pe de altă parte, în cazul conexiunii nepolare sau low-polaritate (carbon, siliciu sau altele), și chiar mai mult, în cazul comunicării cu mai puține elemente electronegative - cu metale (hidruri metalice) - această capacitate este atomul de hidrogen nu poate fi. Cu toate acestea, gradul de polaritate depinde nu numai de tipul de atomi, care atom este legat direct de activ, ci și din cea cu care atomii sunt legați de alți atomi aceste valențele. Astfel, atomul de hidrogen legat la oxigen sau azot, va fi mai capabil de legături de hidrogen dacă oxigen sau azot atomi de altă valență asociată cu elementul de mai electronegative. Chiar și un atom de hidrogen legat la carbon poate dobândi capacitatea de a forma o legătură de hidrogen, în cazul în care valențele de carbon rămase sunt saturate puternic atomi electronegative sau grupări atomice corespunzătoare (de exemplu, cloroform și pentachloroethane).
În prezența legăturilor de hidrogen apă explică gradul ridicat de ordine în moleculele sale, care aduce apa din solid. Pe de altă parte, pentru că astfel de conexiuni există numeroase cavități care definesc o mai mare structură de apă friabilitate.
Mai mult decât atât, legătura de hidrogen este puternic concentrată. Prin urmare, în cazul în care atomul de hidrogen între doi atomi de oxigen, organizarea spațială a unor astfel de atomi de triplu nu poate fi arbitrară, dar va fi structura destul de clar, lipsit de ambiguitate.
O altă proprietate importantă a legăturii de hidrogen se numește cooperativity înseamnă că formarea o legătură de hidrogen, contribuie la următorul link adiacente care, la rândul său, facilitează formarea următorului etc. Fizicochimic kooperatnvnosti natura este faptul că două molecule de H 2 O, pentru a forma o legătură de hidrogen, introduce interacțiunile acido-bazic, în care o moleculă devine mai acid, celălalt - mai alcalin. Prin urmare, pentru formarea acestor molecule și alte legături de hidrogen necesită mai puțină energie.
Prezența legăturilor de hidrogen afectează spectrele - rezonanță vibrațională, electronică și magnetică nucleară. Grupele de frecvență de oscilație caracteristică conținând hidrogen, este redusă dacă hidrogenul inclus în legătura de hidrogen. benzi de absorbție în infraroșu, de exemplu O-H se extinde foarte mult atunci când o legătură de hidrogen, și crește lor de intensitate. energia legăturii de hidrogen în domeniul de la 2,3 kcal / mol pentru N-H. O la 7,0 kcal / mol pentru F-H fluorhidric. F.
Deci, cheia pentru a înțelege proprietățile speciale ale apei și soluția sa constă în conceptul de o legătură de hidrogen. Cu toate acestea, este „necesar“, dar nu și „suficient“ condiție. Nu numai că molecula de apă poate forma legături de hidrogen, ci și moleculele altor substanțe, de exemplu, amoniac NH3 sau HF acid fluorhidric. Cu toate acestea, nici acestea, nici o altă substanță nu posedă întregul spectru de proprietăți anormale caracteristice pentru apă. Care-i problema? De ce aceleași legături de hidrogen fac apa de fluid anormale și numai redresat ușor amoniac din substanțele obișnuite?
Structura electronică a moleculei H2 O definește condițiile de combinare a moleculelor individuale în structură tridimensională complexă. Sa dovedit că structura electronică a unei molecule de apă permite să fie atât un donor și acceptor, ceea ce face ca molecula un ideal (și, după cum vom vedea mai jos, numai), material pentru construirea unei rețele extinse de legături de hidrogen, și în forma cea mai perfectă a unei astfel de rețele există în gheață. Fiecare din proton-hidrogeni orice molecule de apă pot fi lipite ferm cu electroni nepuse alungite ale unei alte molecule (molecula donor este primul și al doilea - acceptor) pentru a forma o nouă legătură de hidrogen. Doi protoni plus doi electroni neimpartasita - deci, fiecare moleculă de H2O poate participa la patru legături de hidrogen, formate simultan printr-o singură moleculă.
Proton implicat în legarea hidrogenului și situată între atomii de oxigen are două poziții de echilibru - poate fi situat atât în apropierea „“ atomul de oxigen la o distanță de aproximativ 1 A, și în apropiere de „“ atomii din regiunea de 1,7 A „străine lor“ și anume împreună cu dimer obișnuită HO-H. OH2 este de asemenea pereche de ioni stabil HO. H-OH2. S-a constatat că starea „proton despre oxigen străin“, caracteristic limitei de fază, adică, lângă suprafața solidă de apă-gaz sau apă.
Dar, legături de hidrogen - este o condiție suficientă necesară, dar nu și pentru formarea unei structuri moleculare tridimensională unică, care determină proprietățile anormale ale apei. În natură, există și alte lichide polare ale căror molecule sunt capabile să formeze legături de hidrogen puternice, dar proprietățile lor și la distanță similară cu proprietățile apei. Acestea sunt, de exemplu, amoniac NH3 și HF acid fluorhidric, molecule care formează destul de ușor legături de hidrogen, care formează HF legături chiar mai puternice decât H2O Cu toate acestea, orice amoniac sau acid fluorhidric în aceste conexiuni nu sunt capabile să creeze cumva o structură tridimensională . Care-i problema? De ce H2O legătură de hidrogen este un liant excelent, iar aceeași relație „nu funcționează“ în amoniac? Poate, la urma urmei, în legătura amoniac-hidrogen este oarecum diferit?
Nu, conexiunea rămâne neschimbată, dar pentru a forma o structură moleculară tridimensională în mod semnificativ, deoarece astfel de legături pot forma o moleculă. În cazul HF fiecare molecula poate participa doar două legături de hidrogen. Desigur, acest lucru nu este suficient pentru a forma o structură tridimensională, molecula de acid fluorhidric, astfel capabilă să formeze un lanțuri zig-zag lungi cu o singură dimensiune.
Moleculele de amoniac, în contrast, se poate forma legături de hidrogen șase fiecare. S-ar părea că, în acest caz, ar trebui să fie extinsă structură tridimensională, chiar mai puternică decât în cazul apei. Dar acest lucru nu se întâmplă. Faptul că dimensiunile geometrice ale moleculelor de NH3 complet adaptate pentru a se asigura că coexistă cu alte șase molecule. Să ne amintim: legături de hidrogen puternic direcționat, ele nu se pot extinde la orice punct al moleculei spațiului înconjurător. Dacă molecula poate forma legături multiple de hidrogen, orientarea relativă a moleculelor vecine în cazul ideal este destul de clar. Structura cu șase vecini în acord cu o astfel de slabă orientare atât de puternic de legare a hidrogenului „întins“ în cristal de amoniac, iar structura extinsa, tensiunea totală asupra structurii. Formarea de structuri tridimensionale în amoniac este nefavorabil energetic, iar moleculele NH3 formează o structură închisă scurtă sub formă de inele.
Astfel, lungimea structurii moleculare tridimensionale poate avea loc numai dacă sunt îndeplinite simultan următoarele condiții. În primul rând, moleculele substanței trebuie să aibă capacitatea de a forma legături de hidrogen puternice, iar în al doilea rând, aceste obligațiuni trebuie să fie de cel puțin patru per moleculă și, în al treilea rând, dimensiunile geometrice ale moleculelor nu trebuie să contrazică direcțiile optime legăturile de hidrogen. Cu toate marea varietate de materiale există doar o singură substanță în natură, îndeplinește toate aceste cerințe - este apa. În deplină concordanță cu condițiile de molecule de apă formează o structură tridimensională extinsă. În stare solidă, această structură pătrunde întregul volum de gheață și apă lichidă și rămâne parțial atașat de proprietățile sale de apă aberante.
În soluții apoase de electroliți de molecule de apa interactioneaza cu ioni, sub influența polarizare suplimentară expusă, crescând astfel capacitatea moleculelor de apă pentru a forma legături de hidrogen cu alte particule și, în special, la alte molecule de apă.
În concluzie observăm că legătura de hidrogen specific oricărei stări agregate ale materiei. Acesta este format nu numai între același lucru, dar, de asemenea, între diferite molecule. Acesta poate fi, de asemenea, format între diferitele porțiuni ale aceleiași molecule (legături de hidrogen intramoleculare) Cea mai comună este o legătură de hidrogen între moleculele care conțin grupări hidroxil OH.