§ 7. Водневий зв’язок

Пригадайте: донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку (за § 6).

Механізм утворення водневого зв’язку

У багатьох речовинах існує особливий тип хімічного зв’язку — водневий. У 9 класі ви вивчали, що водневий зв’язок є міжмолекулярним, тобто утворюється між молекулами (або між частинами однієї молекули).

Розглянемо утворення водневого зв’язку на прикладі молекул води. У молекулі води між атомами Оксигену та Гідрогену зв’язок ковалентний. Через значну різницю електронегативностей (ΔΕΗ = 3,44 – 2,20 = 1,24) цей зв’язок дуже полярний. Унаслідок цього на атомах Гідрогену наявний позитивний заряд і дефіцит електронної густини, а в атома Оксигену заряд негативний і є дві неподілені електронні пари:

Неподіленими електронними парами атом Оксигену притягується до атомів Гідрогену інших молекул води, і між молекулами води виникає додаткова взаємодія — водневий зв’язок, який позначають крапками:

Водневий зв’язок має частково електростатичний характер, а частково — донорно-акцепторний:

Отже, молекула певної речовини утворює водневий зв’язок за наявності неподілених електронних пар на одному з атомів та за наявності дуже полярного зв’язку з одним із атомів Гідрогену.

• Водневий зв’язок — це взаємодія атома Гідрогену однієї молекули (або її частини), сполученого з дуже електронегативним атомом, із неподіленою електронною парою дуже електронегативного атома іншої молекули (або її частини).

Водневий зв’язок утворюється атомами Гідрогену переважно з атомами Оксигену, Флуору та Нітрогену. Атоми цих елементів мають велику електронегативність і невеликі розміри. Водневий зв’язок атомів Гідрогену з атомами більшого розміру, як, наприклад, з атомами Хлору або Сульфуру, значно слабший, хоча за електронегативністю ці елементи близькі до Нітрогену.

Водневі зв’язки в різних речовинах

Водневі зв’язки утворюються не тільки між молекулами води, а й між молекулами інших речовин. Відрізнити такі речовини можна за їхньою хімічною формулою. Якщо в молекулі речовини є групи —ОН або —NH₂, то з великою ймовірністю такі молекули утворюють водневі зв’язки. Так, молекули спиртів та карбонових кислот, у яких наявна група —ОН, утворюють водневі зв’язки між собою, а також із молекулами води (мал. 7.1, с. 38).

Мал. 7.2. Водневі зв’язки в саліциловій кислоті (а), білку (б) та нуклеїновій кислоті (в)

Водневий зв’язок може існувати не тільки між молекулами, а й усередині однієї молекули між різними її частинами. Наприклад, у молекулі саліцилової кислоти (з якої синтезують аспірин) водневий зв’язок утворюється між гідроксильною та карбоксильною групами однієї молекули (мал. 7.2, а). Також наявність водневих зв’язків характерна для білків та нуклеїнових кислот. Завдяки утворенню водневих зв’язків стабілізується вторинна структура білків (мал. 7.2, б) та реалізується можливість існування молекул ДНК у вигляді подвійної спіралі (мал. 7.2, в).

Вплив водневого зв’язку на властивості речовин

Водневий зв’язок не такий міцний, як ковалентний. Якщо енергія одинарного ковалентного зв’язку становить близько 250-400 кДж/моль, то енергія водневого зв’язку — 10-30 кДж/моль.

Водневий зв’язок:

• є міжмолекулярним і значно посилює притягання молекул;

• зумовлює підвищення температури кипіння;

• зумовлює підвищення розчинності речовин у воді

Але, незважаючи на невелику енергію водневих зв’язків, вони суттєво впливають на фізичні властивості речовин. Можливістю утворення водневого зв’язку з молекулами інших речовин, які також спроможні їх утворювати, пояснюється велика розчинність багатьох речовин у воді: спирту, цукру, ацетону, етанової кислоти тощо. Речовини, у яких існує водневий зв’язок між молекулами, мають температуру кипіння набагато вищу, ніж речовини з молекулярними кристалічними ґратками і близькими значеннями молярної маси, але без водневих зв’язків (мал. 7.3).

Мал. 7.3. Температури кипіння речовин із приблизно однаковою молярною масою

Утворення водневих зв’язків у напрямку неподіленої електронної пари зумовлює чітку структуру молекул води у твердому агрегатному стані (мал. 7.4). У рідкій воді водневі зв’язки частково руйнуються, тому під час плавлення вода дещо стискається, бо густина рідкої води трохи більша за густину льоду (мал. 7.5).

Мал. 7.4. Кристалічні ґратки твердої води: кожна молекула утворює по чотири водневі зв’язки із сусідніми молекулами

Мал. 7.5. У рідкій воді молекули води розташовані невпорядковано та близько одна до одної; у льоду молекули розташовані впорядковано й на більшій відстані, тому лід легший за воду (а). Під час замерзання вода розширюється, внаслідок чого закрита скляна пляшка з водою в морозилці тріскається (б)

Наявність водневих зв’язків зумовлює сильний поверхневий натяг води, завдяки чому багато комах здатні переміщатися по воді (мал. 7.6, с. 39). Наявність додаткового зв’язування молекул водневими зв’язками також зумовлює аномально високу теплоємність води: щоб пришвидшити тепловий рух, молекулам необхідно надати значно більше теплоти. Така особливість води має велике значення для формування клімату на Землі. Поблизу морів та океанів клімат м’якший, ніж у центрі континентів.

Мал. 7.6. Комахи ходять по воді завдяки її поверхневому натягу, що зумовлений міцними водневими зв’язками між молекулами води

Завдяки утворенню водневих зв’язків між різними надмолекулярними комплексами можливі процеси реплікації нуклеїнових кислот та синтез білків у рибосомах.

Ключова ідея

Водневий зв’язок — особливий тип міжмолекулярної взаємодії. Він має надзвичайне значення для появи й існування життя на землі та для існування біологічно важливих речовин.

Контрольні запитання

98. Дайте визначення водневому зв’язку. Завдяки чому він утворюється?

99. Як впливає наявність водневого зв’язку у воді та спиртах на їхні фізичні властивості?

100. Схарактеризуйте, як можливість утворення водневого зв’язку впливає на: а) розчинність речовин у воді; б) теплоємність речовин; в) поверхневий натяг води?

101. Назвіть основні властивості водневого зв’язку.

Завдання для засвоєння матеріалу

102. Порівняйте фізичні властивості речовин, зазначених на малюнку 7.3 (с. 39). Який факт свідчить про наявність водневого зв’язку між молекулами води?

103. Зобразіть утворення водневого зв’язку між молекулами: а) води та амоніаку; б) етанолу та води; в) етанової кислоти та води; г) етанолу та етанової кислоти.

104. Використовуючи знання про фізичні властивості органічних речовин, проілюструйте вплив на них водневого зв’язку на прикладі: а) етану й етанолу; б) етанолу й гліцеролу; в) етанолу й етаналю.

Завдання з розвитку критичного мислення

105. Оцініть можливість утворення водневих зв’язків між молекулами: а) спирту та альдегіду; б) спирту та карбонової кислоти; в) альдегіду та карбонової кислоти; г) спирту та естеру; д) спирту та амоніаку.

106. Проаналізуйте діаграми та схарактеризуйте вплив водневих зв’язків на фізичні властивості речовин. Поясніть, що спільного й відмінного між речовинами на кожній діаграмі. Зобразіть утворення водневих зв’язків молекулами цих сполук (між собою та з молекулами води).

Міні-проекти

107. У додаткових джерелах інформації знайдіть відомості щодо впливу водневого зв’язку на фізичні властивості речовин та його роль у біологічних системах.

108. Виконайте експеримент для дослідження поверхневої плівки води. Наповніть склянку водою майже до країв і акуратно покладіть на водну поверхню фільтрувальний папір із голкою. Як тільки папір намокне, він потоне, а голка має залишитися на поверхні. Голка не тоне, бо поверхня води вкрита плівкою, що не проривається завдяки малій вазі голки. Під час прання ця водна плівка перешкоджає видаленню бруду й жиру. Якщо поряд із голкою, що плаває на воді, насипати трохи прального порошку або долити мильну воду (акуратно!), голка незабаром потоне. А якщо дослід із голкою й папером провести у воді, до якої попередньо був доданий пральний порошок, то голка й зовсім не утримається на поверхні води. Це відбувається тому, що поверхнева плівка води руйнується під дією мийних засобів.

§ 5. ВИДИ ХІМІЧНИХ ЗВ’ЯЗКІВ: КОВАЛЕНТНИЙ ЗВ’ЯЗОК

Ковалентний зв’язок. З цим видом хімічного зв’язку ви ознайомилися в курсі хімії 8 класу. Він властивий неорганічним та органічним речовинам. Вони утворюються внаслідок виникнення між атомами елементів однієї або декількох спільних електронних пар. Цей вид зв’язку властивий сполукам, молекули яких містять атоми неметалічних елементів.

• Ковалентний зв’язок — це зв’язок на основі спільних електронних пар.

Розглянемо докладніше механізм утворення ковалентного зв’язку. Атоми, узаємодіючи між собою, можуть утворювати спільні електронні пари за допомогою неспарених електронів, перебуваючи в незбудженому стані. Найчастіше це атоми, які мають однакову або близьку за значенням електронегативність. Ковалентний зв’язок може бути одинарним (якщо між атомами виникла одна спільна електронна пара), подвійним (якщо дві) і потрійним (коли виникають три спільні електронні пари).

Пригадайте, як утворюється молекула водню.

Ковалентний неполярний зв’язок. Механізм виникнення зв’язку між атомами Гідрогену з утворенням молекули водню H₂ полягає в тому, що ядра атомів Гідрогену притягують електронні хмари s-електронів. Унаслідок зближення атомів їхні електронні хмари перекриваються, що супроводжується виділенням енергії та утворенням зони підвищеної електронної густини. Тоді електрони обох атомів Гідрогену перебувають у спільному користуванні двох ядер. Це енергетично вигідніше, ніж коли електрон перебуває в користуванні свого ядра. Отже, виникає електронна пара з двох s-електронів атомів Гідрогену (рис. 11), яка рівновіддалена від обох ядер атомів.

Рис. 11. Схема утворення спільної електронної пари перекриванням s-електронів двох атомів Гідрогену

Зв’язок у молекулах елементів з ковалентним зв’язком відображають електронними або графічними (структурними) електронними формулами. Електронна формула молекули водню Н:Н. У структурній формулі крапки замінюють рискою Н-Н.

У молекулі кисню між атомами Оксигену наявний подвійний зв’язок О=О, у молекулі азоту — потрійний N≡N.

У кожному з цих випадків атоми набувають стійкої конфігурації з двох або восьми електронів.

Поясніть механізм утворення ковалентного неполярного зв’язку, скориставшись рис. 12.

Рис. 12. Схема утворення двох спільних електронних пар у молекулі кисню

• Хімічний зв’язок, що утворюється між атомами елементів з однаковою електронегативністю, називають ковалентним неполярним зв’язком.

Ковалентний полярний зв’язок. Здебільшого хімічний зв’язок виникає в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів, що відрізняються електронегативністю. Прикладом може бути утворення молекул гідроген хлориду (рис. 13), води, амоніаку.

Рис. 13. Схема утворення ковалентного полярного зв’язку в молекулі гідроген хлориду

Розглянемо докладніше механізм утворення ковалентного полярного зв’язку в молекулі гідроген хлориду. Як бачимо з рис. 13, на зовнішньому енергетичному рівні в атома Гідрогену є 1s неспарений електрон, а в атома Хлору — два s- та п’ять р-електронів, зокрема один з них неспарений. До утворення стійкої конфігурації не вистачає одного електрона. Унаслідок взаємодії s-електрона атома Гідрогену та неспареного р-електрона атома Хлору утворюється спільна електронна пара. Ядро атома Хлору має заряд значно більший (+17), ніж ядро атома Гідрогену (+1), тому сили притягання з боку Хлору значно більші. Відбувається зміщення електронної пари до більш електронегативного елемента Хлору. Оскільки віддалі між ядрами атомів та утвореною спільною електронною парою неоднакові, це спричиняє поляризацію молекули. На тому кінці молекули, де розміщується елемент з більшою електронегативністю (Хлор), зосереджується негативний заряд, а там, де з меншою, — позитивний. Такі молекули називають полярними молекулами, або Диполями.

• Диполь — це система з двох зарядів, що є однаковими за значенням, але протилежними за знаком.

Пригадайте й поясніть утворення ковалентного зв’язку в молекулі води.

З’ясуємо, як утворюється ковалентний зв’язок у молекулі амоніаку. Вам уже відомо з § 2 (с. 13), що в атома Нітрогену на зовнішньому енергетичному рівні з п’яти наявних електронів три — неспарені. Електронна конфігурація ₇N 1s 2 2s 2 2p 3 .

Атоми Нітрогену утворюють три спільні електронні пари з трьома атомами Гідрогену. Виникає стійка конфігурація зовнішнього енергетичного рівня: у Нітрогену — з восьми електронів, як у Неону, і в Гідрогену — з двох електронів, як у Гелію. Електронні пари зміщені до більш електронегативного атома Нітрогену. Молекула полярна, набуває форми піраміди. На зовнішньому енергетичному рівні залишаються два спарені s-електрони, які не беруть участі в утворенні зв’язку. Схему будови молекули амоніаку показано на рис. 14.

Рис. 14. Схема будови молекули амоніаку

Вивчаючи органічні речовини, ви ознайомилися з електронною будовою атома Карбону. Вам відомо, що він, перебуваючи в основному стані, на зовнішньому (другому) енергетичному рівні має два спарені s-електрони й два неспарені р-електрони, що демонструє графічна електронна формула (рис. 15, а). У такому стані атом Карбону утворює два ковалентні зв’язки. Однак у сполуках атом Карбону найчастіше є чотиривалентним та утворює чотири ковалентні зв’язки. Це відбувається завдяки тому, що під час хімічних реакцій атом Карбону переходить з основного стану в збуджений. Електронна конфігурація зовнішнього енергетичного рівня набуває іншого вигляду (рис. 15, б), де всі електрони неспарені, тобто електрон із s-підрівня переходить на вільну р-орбіталь. Унаслідок переходу на зовнішньому енергетичному рівні з’являються чотири неспарені електрони, що утворюють чотири ковалентні зв’язки з іншими атомами. При цьому звільняється стільки енергії, що вона перекриває енергію, затрачену на перехід атома Карбону з основного стану в збуджений.

Рис. 15. Графічні електронні формули атома Карбону в основному (а) і збудженому (б) станах

З § 2 (с. 13) вам відомо, що в атомів неметалічних елементів 3 періоду й наступних зовнішній енергетичний рівень містить d-підрівень. Під час збудження атома на цей підрівень переходять s- і р-електрони. Як наслідок, створюються додаткові можливості утворення ковалентних зв’язків.

• Хімічний зв’язок, що утворюється між атомами елементів, електронегативність яких незначно відрізняється, називають ковалентним полярним зв’язком.

Молекулярні кристалічні ґратки. Такий тип ґраток характерний для речовин молекулярної будови. У речовин з ковалентним неполярним зв’язком у вузлах кристалічних ґраток розміщуються неполярні молекули. Між ними діють міжмолекулярні сили взаємодії, що впливає на фізичні властивості цих сполук. Вони леткі, легкоплавкі, мають низькі температури кипіння, невисоку твердість. За нормальних умов вони можуть бути газами (Н₂, Cl₂, N₂, O₂), рідинами (Br₂) або твердими речовинами (І₂, Р₄, S₈).

У вузлах кристалічних ґраток речовин з ковалентним полярним зв’язком розміщуються полярні молекули, які в певному порядку орієнтовані в просторі, оскільки, крім електростатичних сил взаємодії, діють і міжмолекулярні. Фізичні властивості таких речовин подібні до властивостей речовин з неполярними кристалічними ґратками. Це неорганічні речовини: вода, амоніак, гідроген хлорид, гідроген сульфід, а також більшість органічних.

Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку. Розглядаючи утворення ковалентних зв’язків у молекулі амоніаку, ви, мабуть, звернули увагу на те, що атом Нітрогену на зовнішньому енергетичному рівні має два спарені s-електрони, які утворюють неподілену електронну пару. Вона може брати участь в утворенні ковалентних зв’язків з іншим атомом за умови, що на його зовнішньому енергетичному рівні є вільна орбіталь. Наприклад, у йона Гідрогену не заповнена 1s-орбіталь. Тому під час взаємодії молекули амоніаку з йоном Гідрогену неподілена електронна пара від Нітрогену переходить на його вільну s-орбіталь і стає спільною для обох атомів. Як наслідок, утворюється йон амонію (рис. 16). Хоча в йоні амонію ковалентні зв’язки утворюються різними способами, вони є рівноцінними.

Рис. 16. Схема утворення йона амонію

Атом Нітрогену, який віддав неподілену електронну пару для утворення ковалентного зв’язку, є донором. Йон Гідрогену, який, маючи вільну орбіталь, приєднав неподілену електронну пару, називають акцептором. Тому механізм утворення ковалентного зв’язку й дістав назву донорно-акцепторний.

• Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку — це механізм утворення зв’язку між атомами за рахунок неподіленої електронної пари одного атома та вільної орбіталі ішого.

На основі донорно-акцепторного механізму утворення зв’язку відбувається утворення сполук у реакції взаємодії амоніаку з гідроген хлоридом. Щоб переконатися в цьому, проведемо демонстраційний дослід.

Дослід. Наллємо в першу склянку водний розчин амоніаку, а в другу — хлоридну кислоту. Якщо піднесемо їх отворами одну до одної, то зі зближенням склянок з них інтенсивно виділятиметься «білий дим». У хімії ця реакція дістала назву «дим без вогню». Так званий «дим» — це дрібні кристали амоній хлориду (рис. 17).

Рис. 17. Утворення амоній хлориду з амоніаку й гідроген хлориду

За донорно-акцепторним механізмом відбувається також утворення продуктів під час реакції взаємодії амоніаку з водою.

Складіть самостійно рівняння реакції взаємодії амоніаку з водою. Назвіть речовину, що утворилася.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Ковалентний зв’язок — зв’язок на основі спільних електронних пар.

• Ковалентний зв’язок утворюється в сполуках, які містять атоми неметалічних елементів.

• Ковалентний неполярний зв’язок — хімічний зв’язок, що виникає між атомами елементів з однаковою електронегативністю. Утворюється за допомогою неспарених електронів між атомами, які мають однакову або близьку за значенням електронегативність.

• Ковалентний полярний зв’язок — хімічний зв’язок, що утворюється між атомами елементів, електронегативність яких незначно відрізняється. Виникає в молекулах складних речовин між атомами неметалічних елементів.

• Під час утворення ковалентного полярного зв’язку відбувається зміщення електронної пари до більш електронегативного елемента.

• Диполь — система з двох зарядів, однакових за значенням, але протилежних за знаком.

• Донорно-акцепторний механізм утворення ковалентного зв’язку — це механізм утворення зв’язку між атомами за рахунок неподіленої електронної пари одного атома та вільної орбіталі іншого. Утворюється за умови, коли на зовнішньому енергетичному рівні одного атома є неподілена електронна пара, а в іншого атома — вільна орбіталь.

• У вузлах кристалічних ґраток речовин з неполярним зв’язком розміщені неполярні молекули, сили взаємодії між якими малі. У вузлах кристалічних ґраток речовин з полярним ковалентним зв’язком розміщуються полярні молекули, які в певному порядку орієнтовані в просторі, оскільки між ними, крім електростатичних сил взаємодії, виникають і міжмолекулярні.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Поясніть, який зв’язок називають ковалентним.
• 2. Назвіть відомі вам способи утворення ковалентного зв’язку.
• 3. Охарактеризуйте на конкретних прикладах механізми утворення ковалентних зв’язків: а) неполярного; б) полярного.
• 4. Поясніть, які електрони зовнішнього енергетичного рівня беруть участь в утворенні хімічних зв’язків у молекулах сполук, поданих формулами: а) О₂; б) H₂S; в) СН₄.
• 5. Укажіть сполуку з неполярним ковалентним зв’язком.

• 7. Визначте, яку максимальну кількість зв’язків можуть утворювати атоми Нітрогену та Фосфору. Напишіть формули сполук.
• 8. Складіть рівняння реакцій взаємодії гідроген хлориду та води з амоніаком. Поясніть механізм утворення ковалентних зв’язків під час взаємодії цих сполук.
• 9. Обґрунтуйте залежність властивостей речовин від типу хімічного зв’язку та кристалічної будови.
• 10. Спрогнозуйте вид хімічного зв’язку в сполуках за їхніми формулами: NH₃, CaCl₂, H₂S, N₂ та які фізичні властивості вони проявляють.