Что такое водородная химическая связь

Обновлено: 04.11.2026

Водородная связь - это особый вид межмолекулярного взаимодействия, при котором атом водорода сближает диполи соседних молекул. В статье объяснена природа такой связи, перечислены ее основные свойства и показано, как она проявляется в воде.

Содержание статьи

Природа
Свойства
В воде
В нуклеиновых кислотах и белках
В полимерах
Литература
Общее описание
Типы
Что мы узнали?
Природа водородной связи
Значение межмолекулярной водородной связи
Внутримолекулярные водородные связи
Типы гидрогенной связи
Механизм образования водородной связи
Аномальные свойства, обеспеченные водородной взаимосвязью

Природа

Часто водородную связь рассматривают как электростатическое взаимодействие, усиленное небольшим размером водорода, которое разрешает близость взаимодействующих диполей. Тогда об этом говорят как о разновидности донорно-акцепторной связи , невалентном взаимодействии между атомом водорода H , ковалентно связанным с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR" . Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA-H BR" различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли "моста", связывающего фрагменты RA и BR" .

Особенностями водородной связи, по которым её выделяют в отдельный вид, является её не очень высокая прочность , её распространенность и важность, особенно в органических соединениях , а также некоторые побочные эффекты, связанные с малыми размерами и отсутствием дополнительных электронов у водорода.

Свойства

Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (не превышает 40 кДж/моль). Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, то есть их объединение в димеры или полимеры . Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород , вода , аммиак .

Связь этого типа, хотя и слабее ионной и ковалентной связей, тем не менее играет очень важную роль во внутри- и межмолекулярных взаимодействиях. Водородные связи во многом обусловливают физические свойства воды и многих органических жидкостей (спирты, карбоновые кислоты, амиды карбоновых кислот, сложные эфиры).

Прочность водородной связи (энтальпия образования комплекса) зависит от полярности комплекса и колеблется от ~ 6 кДж/моль для комплексов молекул галогеноводородов с инертными газами до 160 кДж/моль для ион-молекулярных комплексов (AHB) ± ; так, для комплекса (H 2 O H OH 2) + образованного H 2 O и H 3 O + - 132 кДж/моль в газовой фазе.

В воде

Механизм Гротгуса

В нуклеиновых кислотах и белках

Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты . В частности, элементы вторичной структуры (например, α-спирали , β-складки) и третичной структуры в молекулах белков , РНК и ДНК стабилизированы водородными связями. В этих макромолекулах, водородные связи сцепляют части той же самой макромолекулы, заставляя её сворачиваться в определенную форму. Например, двойная спиральная структура ДНК, определяется в значительной степени наличием водородных связей, сцепляющих пары нуклеотидов, которые связывают одну комплементарную нить с другой.

В полимерах

Много полимеров усилены водородными связями в их главных цепях. Среди синтетических полимеров самый известный пример - нейлон , где водородные связи играют главную роль в кристаллизации материала. Водородные связи также важны в структуре полученных искусственно полимеров (например, целлюлозы) и в многих различных формах в природе, таких как древесина , хлопок и лён .

Примечания

Литература

Химическая Энциклопедия. Советская Энциклопедия, М., 1988
В. В. Москва. Водородная связь в органической химии. Соросовский образовательный журнал, 11999,N 2, с.58-64

Химическая связь

Ковалентная связь

σ-связь · π-связь · δ-связь
Двойная связь · Тройная связь · Четвертная связь · Пятерная связь · Шестерная связь
3c-2e · 3c-4e · 4c-2e
Agostic связь · Bent связь · Донорно-акцепторная связь · Взаимо-обратная связь
Конъюгация · Гиперконъюгация · Ароматичность · Hapticity · Антисвязывание

Ионная связь

π-Катионное взаимодействие · Солевой мостик

Металлическая связь

Металлическая ароматичность

Межмолекулярное
взаимодействие

Wikimedia Foundation . 2010 .

Между атомами водорода и атомом элемента, обладающим высокой электроотрицательностью, возникает особый тип связи - водородная химическая связь. Она может образовываться не только внутри молекулы, но и между соседними молекулами.

Общее описание

Электроотрицательность - способность атома удерживать валентные электроны на внешнем энергетическом уровне или количественная характеристика, показывающая, с какой силой притягиваются электроны к ядру атома. Наиболее электроотрицательными элементами являются фтор, азот и кислород.

Рис. 1. Ряд электроотрицательности.

Сильное электростатическое взаимодействие между атомом водорода и электроотрицательными атомами обуславливается небольшими размерами атома водорода и силой притяжения атомов элементов. В результате возникает частный случай ковалентной полярной связи. Примерами водородной химической связи являются:

плавиковая кислота (HF);
вода (H 2 O);
аммиак (NH 3);
соляная кислота (HCl);
сероводород (H 2 S).

Наличие водородной связи обуславливает физические и химические свойства вещества. В частности определяет температуру плавления, кипения, растворимость, кислотность.

Особенностью связи является её невысокая прочность и распространённость, особенно в органических веществах.

Типы

Водородная связь бывают двух типов:

межмолекулярная , возникающая между несколькими однотипными молекулами;
внутримолекулярная , возникающая внутри одной молекулы.

Способ образования связи в обоих типах одинаковый. Разница только в том, что с помощью межмолекулярной водородной связи образуются цепочка молекул, а при внутримолекулярной связи водород "сцепляется" с атомами внутри молекулы.

Например, молекула воды образована одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. За счёт высокой электроотрицательности кислород, на внешнем энергетическом уровне которого шесть электронов, притягивает единственные электроны двух атомов водорода. Две пары электронов кислорода остаются свободными. При этом у водорода освобождается орбиталь. Другая аналогичная молекула может присоединиться в месте свободных электронных пар атома кислорода, заполнив освободившуюся орбиталь водорода. Возникает межмолекулярная водородная связь.

Рис. 2. Строение молекулы воды.

Аналогичным образом соединяются молекулы плавиковой кислоты и аммиака. Однако связь между азотом и водородом будет слабее, чем между водородом и кислородом. Также молекулы плавиковой кислоты сильнее притягиваются друг к другу, чем молекулы воды. Это объясняется величиной электроотрицательности.

Внутримолекулярная водородная связь чаще всего возникает внутри сложных молекул органических веществ - белков, ДНК, аренов. Например, водородная связь образуется в молекуле салициловой кислоты между атомом водорода гидроксильной группы и кислорода, входящего в функциональную группу -СООН.

Рис. 3. Водородная связь в салициловой кислоте.

Водородные связи графически изображаются точками.

Что мы узнали?

Между атомами водорода и атомами неметаллов возникает водородная связь, основанная на электростатическом взаимодействии атомов. Это частный случай ковалентной полярной связи, характеризующийся взаимодействием водорода и атомов с высокой электроотрицательностью. Связь бывает двух типов: межмолекулярная, возникающая между молекулами вещества, и внутримолекулярная, возникающая между водородом и атомом другого элемента в одной молекуле. Водородная связь присуща неорганическим и органическим веществам.

Тест по теме

Природа водородной связи

Природа водородной связи заключается в электростатическом и донорно -- акцепторном характере. Основную роль в формировании энергии водородной связи играет электростатическое взаимодействие. В образовании межмолекулярной водородной связи принимают участие три атома, которые располагаются почти на одной прямой, но расстояния между ними, при этом, различны. (исключение составляет связь $F-H\cdots F-$).

Пример 2

Для межмолекулярных водородных связей во льду $-O-H\cdots OH_2$ расстояние $O-H$ равно $0,097$ нм, а расстояние $H\cdots O$ равно $0,179$ нм.

Энергия большинства водородных связей лежит в пределах $10-40$ кДж/моль, а это намного меньше энергии ковалентной или ионной связи. Часто можно наблюдать, что прочность водородных связей возрастает с увеличением кислотности донора и основности акцептора протона.

Значение межмолекулярной водородной связи

Водородная связь играет существенную роль в проявлениях физико -- химических свойств соединения.

Водородные связи оказывают следующее влияние на соединения:

Внутримолекулярные водородные связи

В случаях, когда возможно замыкание шестичленного или пятичленного цикла, образуются внутримолекулярные водородные связи.

Наличие внутримолекулярных водородных связей в салициловом альдегиде и о-нитрофеноле является причиной отличия их физических свойств от соответствующих мета- и пара- изомеров.

$o$-Гидроксибензальдегид или салициловый альдегид $(A)$ и $o$-нитрофенол (Б) не образуют межмолекулярные ассоциаты, поэтому имеют более низкие температуры кипения. Они плохо растворимы в воде, так как не участвуют в образовании межмолекулярных водородных связей с водой.

Рисунок 5.

$o$-Нитрофенол является единственным из трех изомерных представителей нитрофенолов, который способен перегоняться с водяным паром. На этом свойстве основано его выделение из смеси изомеров нитрофенола, которая образуется в результате нитрования фенолов.

Что такое водородная связь? Известный всем пример этой связи представляет обычная вода (H2O). Из-за того, что атом кислорода (О) более электроотрицателен, чем два атома водорода (Н), он как бы оттягивает от атомов водорода связывающие электроны. В результате создания такой образуется диполь. Кислородный атом приобретает не очень большой заряд отрицательный, а водородные атомы - небольшой положительный заряд, который притягивается к электронам (их неподеленной паре) на кислородном атоме соседней молекулы Н2О (то есть воды). Так, можно сказать, что водородная связь - это образующаяся между водородным атомом и электроотрицательным атомом. Важной особенностью водородного атома является то, что при притяжении его связующих электронов оголяется его ядро (то есть протон, другими электронами не экранированный). И хотя водородная связь более слабее, чем ковалентная, именно она обуславливает целых ряд аномальный свойств Н2О (воды).

Чаще всего эта связь образуется с участием атомов следующих элементов: кислород (О), азот (N) и фтор (F). Это происходит по той причине, что атомы данных элементов имеют малые размеры и характеризуются высокой электроотрицательностью. С атомами размера большего (сера S или хлор Cl) образующаяся водородная связь слабее, несмотря на то, что по своей электроотрицательности эти элементы сравнимы с N (то есть с азотом).

Существует два типа водородной связи:

1. Водородная межмолекулярная связь - появляется между двумя молекулами, например: метанол, аммиак, фтороводород.
2. Водородная связь внутримолекулярная - появляется внутри одной молекулы, например: 2-нитрофенол.

Также в настоящее время есть мнение, что водородная бывает слабой и сильной. Они отличаются друг от друга по энергии и длине связи (расстояние между атомами):

1. Водородные связи слабые. Энергия - 10-30 кДж/моль, длина связи - 30. Все вещества, перечисленные выше, являются примерами нормальной или слабой водородной связи.
2. Водородные связи сильные. Энергия - 400 кДж/моль, длина - 23-24. Данные, полученные экспериментальным путем, свидетельствуют о том, что сильные связи образуются в следующих ионах: ион-водороддифторид -, ион-гидратированный гидроксид -, ион оксония гидратированный +, а также в различных других органических и неорганических соединениях.

Влияние водородных межмолекулярных связей

Аномальные значения и плавления, энтальпии испарения и некоторых соединений можно объяснить наличием связей водородных. Вода имеет аномальные значения всех перечисленных свойств, а фтороводород и аммиак - температуры кипения и плавления. Вода и фтороводород в твердом и жидком состояниях из-за наличия в них водородных межмолекулярных связей считаются полимеризованными. Данная связь объясняет не только слишком высокую температуру плавления данных веществ, но также и их малую плотность. Причем при плавлении водородная связь частично разрушается, из-за чего молекулы воды (Н2О) упаковываются более плотно.

Димеризацию некоторых веществ например, бензойная и уксусная) можно также объяснить наличием в них связи водородной. Димер - это две молекулы, которые связаны между собой. По этой причине температура кипения карбоновых кислот выше, чем у соединений, имеющих приблизительно такую же Например, у кислоты уксусной (СН3СООН) температура кипения равна 391 К, в то время как у ацетона (СН3СОСН3) она равна 329 К.

Влияние водородных внутримолекулярных связей

Эта связь тоже влияет на структуру и свойства различных соединений, таких как: 2- и 4-нитрофенол. Но наиболее известный и важный пример водородной связи - это дезоксирибонуклеиновая кислота (сокр.: ДНК). Молекулы этой кислоты свернуты в виде двойной спирали, две нити которой соединены между собой водородной связью.

Гидрогенная связь - образовывается между "+" заряженными атомами водорода и "-" заряженными атомами других молекул.

Очень часто эта взаимосвязь возникает и существует из-за взаимодействия атома водорода с такими атомами: оксиген (О), нитроген (N). Это происходит вследствие того, что данные элементы имеют небольшой удельный вес и характеризуются высокой электроотрицательностью. Элементы, которые имеют больший удельный вес - сера S или хлор Cl-связываются с водородом менее прочно, хотя их электроотрицательность сравнима с нитрогеном.

Вконтакте

Типы гидрогенной связи

Межмолекулярная водородная - возникает между двумя элементами, пример: метиловый спирт.
Водородная (гидрогенная) внутримолекулярная - образуется внутри элемента, пример: 2-нитрофенол.

Межмолекулярная гидрогенная связь

Совместная электронная пара смещается от атома водорода к отрицательно заряженному атому. При этом водород входит в комплекс с неразделенной электронной парой другого атома или иона.

Н-связь графически изображают в виде точек, тем самым показывая, что она слабее ковалентной (примерно в 10−15 раз).

Молекулы воды (две) и молекулы уксусной кислоты (две)

Внутримолекулярная гидрогенная взаимосвязь . Ей свойственно находиться в таких структурах, как многоатомные спирты, углеводы, белки.

Молекула салициловой кислоты

Химические взаимодействия делятся на слабые и сильные. Их отличие состоит в том, что при разрыве они выделяют разную энергию и у них различные по длине (расстояние между атомами):

1. Слабые. Содержание энергии - 15−25 кдж/моль, длина равна 30.

2. Сильные. Энергия - 300 кдж/моль, длина 22−23.

Для образования Н-св. характерно два типа отдачи ионов - электростатический и донорно - акцепторный. Интересно то, что донором выступает более сильный элемент (F, O, N), а акцептором - атом водорода.

Механизм образования водородной связи

Хорошо разбирать механизм образования водородной связи на примере её между молекулами воды. Н-св. на рисунках обозначается 3 точками. Атом гидрогена имеет всего лишь один электрон, который при взаимодействии с атомом большей электроотрицательности может условно оголять ядро, что, в свою очередь, образует дополнительную взаимосвязь с другим атомом. Это и есть водородная связь.

Вода - это вещество, между молекулами которого образуются водородные связи.

Кластеры из нескольких молекул воды

Благодаря водородным взаимосвязям молекулы воды взаимодействуют друг с другом, что приводит к образованию кластеров или комплексов воды. Одним из ярких примеров является димер воды.

Н-св. считаются довольно слабыми и неустойчивыми: считается, что они легко возникают, но и также легко разрушаются. Для водородных связей характерен симптом тепловой флюктуации. Вода представляет собой сеть из молекул, связанных водородными связями.

Аномальные свойства, обеспеченные водородной взаимосвязью

Молекула воды состоит из трёх молекул и содержит 4 Н-св. Здесь присутствуют 2 атома водорода, а кислород, имея две неподеленные электронные пары, связывается с атомами Н ближайших молекул Н2О.

Н-св. обеспечивают высокие температуры кипения и плавления. Без них эти показатели были бы намного меньше.

Н-св. в молекулах воды обладают достаточной силой и препятствуют её плавлению и испарению.

А также они обеспечивают ещё одно свойство Н2О, которое характеризуется тем, что при плавлении воды её плотность повышается.

Наибольшее значение имеет плотность воды (1,00 г/мл) при температуре 4 градуса Цельсия. Эта температура характерна для зимнего времени и находится на дне пресных водоёмов, там же и находится вода с максимальной плотностью.

Как изменяются свойства веществ в зависимости от водородной связи

Наиболее достоверным признаком наличия в веществе межмолекулярной Н-св. является показатель кипения вещества. Одна из высоких температур кипения у воды (100 o C так как для того чтобы разрушить межмолекулярные связи в H2O нужно затратить больше энергии). Н-св. сильно может влиять на физические и химические свойства вещества. Межмолекулярная связь обеспечивает повышение температуры плавления и кипения различных веществ. Вещества, которые содержат ОН-группы -моносахариды, дисахариды, как правило, обладают отличной гидрофильностью.