§ 17. Межмолекулярное взаимодействие и водородная связь

Межмолекулярное взаимодействие

Вещества молекулярного строения могут существовать в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. Но температурные условия того или иного состояния для каждого из веществ индивидуальны.

Причина здесь одна — различие в силе взаимодействия между молекулами. Это взаимодействие называют межмолекулярным. Как и химическая связь, межмолекулярное взаимодействие осуществляется за счёт сил электростатического притяжения, но в десятки и сотни раз более слабых. Чем сильнее межмолекулярное взаимодействие в веществе, тем выше его температура плавления и кипения. Сила межмолекулярного взаимодействия — индивидуальная характеристика вещества, она зависит от электронного строения его молекул.

Молекула в целом является электронейтральной частицей, но внутри молекулы находятся положительно заряженные ядра, окружённые электронами. В зависимости от полярности и направленности химических связей внутри молекулы на атомах могут возникать заряды. Так, в молекуле HCl связь между атомами полярная и общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому хлора. В результате в одной части молекулы — на атоме хлора — возникает частичный отрицательный заряд, в другой — на атоме водорода — частичный положительный заряд. Образуются диполи . Между ними возникает электростатическое притяжение (рис. 40, а; 41, а).

Слабое электростатическое притяжение существует и между неполярными молекулами, например хлора. Оно объясняется образованием мгновенных диполей в результате движения электронов в атомах, принадлежащих соседним молекулам (рис. 40, б; 41, б).

Следует иметь в виду, что молекулы с полярными связями могут быть в целом неполярными, то есть не представлять собой диполи. Например, молекулы имеют линейное строение. Однако молекулы воды представляют собой диполи, так как имеют угловое строение (рис. 33, с. 81).

Величина сил межмолекулярного взаимодействия зависит от размеров молекул. Чем больше молекула, тем легче её внешние электроны притягиваются к другой молекуле и тем прочнее межмолекулярное взаимодействие. Этим объясняется переход от газообразного (F₂, Cl₂) к жидкому (Br₂) и твёрдому (I₂) состояниям вещества в ряду галогенов. Как известно, от фтора к йоду по группе радиус атомов растёт. Соответственно, растут и размеры образуемых ими молекул (табл. 14).

Таблица 14. Характеристики молекул галогенов

Вещество	Фтор	Хлор	Бром	Йод
Модели молекул и их размеры	0,142 нм F2	0,198 нм Cl2	0,228 нм Br2	0,266 нм I2
Температуры кипения, °C	–188,2	–34,1	+58,8	+184,4

Водородная связь

При изучении органических веществ вы познакомились с закономерностью: чем больше масса и размер молекулы, тем выше температуры плавления и кипения молекулярного вещества. Если следовать этой логике, то между молекулами воды межмолекулярное взаимодействие должно быть слабее, чем между молекулами водородных соединений других элементов VIA-группы. В ряду H₂O, H₂S, H₂Se, H₂Te у молекулы воды самая маленькая молекулярная масса — 18 а. е. м. Вода должна была бы плавиться при температуре примерно –100 °С, а кипеть — при –80 °С. На самом деле температуры плавления (0 °С) и кипения (100 °С) воды аномально высокие (рис. 42). Разберёмся, в чём тут причина.

Объяснить это явление можно наличием, помимо обычных межмолекулярных связей между молекулами воды, дополнительного особого типа межмолекулярного взаимодействия, которое получило название водородная связь.

Под водородной понимают связь, образованную в результате электростатического взаимодействия между атомом водорода одной молекулы и более электроотрицательным атомом другой молекулы, несущим отрицательный заряд и имеющим неподелённую электронную пару.

Объясним механизм образования водородной связи с учётом электронного и пространственного строения молекул воды (рис. 43, а).

В силу полярности молекулы воды положительно заряженный атом водорода одной молекулы притягивается под действием электростатических сил к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы (рис. 43, б). В этом взаимодействии присутствует и частичное ковалентное связывание между кислородом и водородом соседних молекул по механизму донорно-акцепторного взаимодействия. Оно возможно благодаря тому, что атом кислорода в молекуле воды в значительной степени оттягивает на себя общую электронную пару от водорода, как бы «опустошая» его атомную орбиталь. На этой «пустой» орбитали частично размещается неподелённая электронная пара атома кислорода соседней молекулы.

Водородная связь присутствует у всех веществ, содержащих атомы водорода, химически связанные с более электроотрицательным атомом. Но её проявление хорошо заметно при значительном различии электроотрицательностей водорода и связанного с ним ковалентной связью атома. Самые сильные водородные связи возникают в присутствии самых электроотрицательных элементов — фтора, кислорода и азота (рис. 44).

Водородная связь имеет энергию порядка 20–160 кДж/моль, что значительно ниже энергии химической связи (порядка 400–900 кДж/моль) и выше энергии межмолекулярного взаимодействия (2–10 кДж/моль).

Уникальность воды состоит в том, что молекулы Н₂О способны образовывать разветвлённую сеть водородных связей — четыре на одну молекулу (рис. 43, б). Благодаря водородным связям вода обладает способностью существовать в условиях Земли сразу в трёх агрегатных состояниях — твёрдом, жидком и газообразном. При этом температурный диапазон от 0 до 100 °С благоприятен для существования всего живого на планете. Благодаря четырём водородным связям молекулы воды в твёрдом состоянии образуют ажурную кристаллическую структуру льда, похожую на структуру алмаза (рис. 43, а). Полости в этой структуре делают лёд менее плотным, чем жидкая вода, поэтому лёд не тонет и, покрывая водоёмы, не даёт им промёрзнуть до дна.

Прочные водородные связи образуются не только в воде, но и между молекулами неорганических и карбоновых кислот, фенолов, спиртов, аммиака, аминов.

Вещества, способные образовывать межмолекулярные водородные связи, обычно заметно растворимы в воде, имеют относительно высокие температуры плавления и кипения, а также значительную вязкость, например глицерин и фосфорная кислота.

Водородные связи могут быть не только межмолекулярными, но и внутримолекулярными. Так, макромолекулы целлюлозы представляют собой длинные цепи с внутримолекулярными водородными связями, уложенные параллельно и соединённые между собой множеством межмолекулярных водородных связей. Это придаёт целлюлозе механическую прочность при сохранении эластичности (рис. 45, а). Водородные связи определяют формирование вторичной структуры макромолекул белка (рис. 45, б).

Вопросы, задания, задачи

1. Опишите образование водородных связей на примере:

• а) воды;
• б) фтороводорода:

2. Приведите примеры веществ, при растворении которых в воде образуются водородные связи между молекулами воды и этого вещества.

3. Учитывая, что образование водородных связей характерно для молекул веществ, содержащих группы ОН, объясните малую летучесть и сравнительно высокую вязкость серной и фосфорной кислот.

4. Расположите следующие молекулы в порядке увеличения сил межмолекулярного взаимодействия: Н₂, He, F₂, Br₂, H₂O. Сравните эти вещества по температурам кипения.

5. Укажите вещества, для которых возможно существование:

• а) межмолекулярной водородной связи — фтороводород, метан, уксусная кислота, пропанол-1, пропан;
• б) внутримолекулярной водородной связи — этиленгликоль, этанол, этан, полипептид, целлюлоза.

6. Объясните, почему температура кипения аммиака выше, чем температура кипения фосфина.

7. Объясните характер зависимости температуры кипения водородного соединения ЭH_x от порядкового номера р-элемента Э, используя данные рисунка 44.

8. Почему молекулярные кристаллические вещества, в отличие от ионных, после плавления практически не проводят электрический ток?

9. Рассчитайте количество вещества в бруске льда объёмом 1 дм³. Плотность льда — 0,917 г/см³.

10. Определите простейшую формулу вещества и изобразите схему образования водородных связей между молекулами вещества, в котором массовая доля углерода — 0,375, водорода — 0,125, кислорода — 0,500.

*Самоконтроль

1. Межмолекулярное взаимодействие усиливается в рядах:

• а) С₂Н₆, СН₄, С₆Н₁₄;
• б) С₂Н₆, С₆Н₁₄, С₁₅Н₃₂;
• в) Н₂S, Н₂Se, Н₂Te;
• г) С₂Н₅OH, С₄Н₁₀, С₁₅Н₃₂.

2. На рисунке показано образование водородной связи между:

• а) молекулами воды;
• б) молекулами воды и карбоновой кислоты;
• в) молекулами воды и спирта;
• г) молекулами спирта.

3. Первое вещество за счёт водородной связи имеет бόльшую температуру кипения, чем второе, в па́рах:

• а) SiH₄ и СH₄;
• б) HF и HCl;
• в) О₂ и N₂;
• г) С₂Н₅ОН и С₄Н₁₀.

4. Образование внутримолекулярной связи отражают схемы:

а) 

б) 

в) 

г) 

5. Усиление межмолекулярного взаимодействия приводит к:

• а) понижению летучести веществ;
• б) снижению интенсивности запаха;
• в) понижению температуры кипения;
• г) повышению температуры плавления.