Водородная связь

Что такое водородная связь

Водородная связь часто кажется школьникам «ещё одним исключением», которое нужно запомнить перед контрольной. На самом деле это понятная закономерность: если разобраться, кто отдаёт электронную плотность и кто её притягивает, ты сможешь уверенно объяснить свойства воды, спиртов, аммиака и даже строение ДНК. В этой статье разберём тему по шагам, научимся отличать водородную связь от ковалентной и увидим, почему небольшая молекула воды кипит при необычно высокой для своего состава температуре.

Водородная связь — это слабое электростатическое взаимодействие между атомом водорода, уже связанным с сильно электроотрицательным атомом, и неподелённой электронной парой другого электроотрицательного атома. Чаще всего такими атомами являются фтор F, кислород O и азот N. Условно водородную связь записывают так: X–H···Y, где X–H — полярная ковалентная связь, а точки показывают дополнительное притяжение.

Важно: водородная связь слабее обычной ковалентной, но одновременно действующие связи заметно влияют на свойства вещества.

Как образуется связь

Начнём с полярности. Электроотрицательный атом сильнее притягивает общую электронную пару, поэтому на нём появляется частичный отрицательный заряд δ−, а на водороде — частичный положительный заряд δ+. Такой водород становится «доступным» для притяжения со стороны электронной пары соседнего атома.

Рассмотрим воду. В молекуле H₂O кислород имеет две неподелённые электронные пары и связан с двумя атомами водорода полярными ковалентными связями. Каждый атом водорода одной молекулы может притягиваться к кислороду другой молекулы. Поэтому между молекулами образуется сеть взаимодействий.

Чтобы найти возможную водородную связь, действуй по алгоритму:

1) Найди связь H–F, H–O или H–N
2) Определи атом с частичным зарядом δ+
3) Найди рядом F, O или N с неподелённой электронной парой
4) Запиши взаимодействие X–H···Y

Межмолекулярная и внутримолекулярная связь

Водородная связь может возникать между разными молекулами. Это межмолекулярное взаимодействие. Так связаны молекулы воды, фтороводорода HF, аммиака NH₃, этанола C₂H₅OH. Чем больше таких контактов и чем они устойчивее, тем сильнее молекулы удерживаются друг возле друга.

Иногда донор и акцептор находятся внутри одной молекулы. Тогда говорят о внутримолекулярной водородной связи. Она возможна, если части молекулы расположены достаточно близко и образуют удобную пространственную конфигурацию. Такой тип связи может менять растворимость, температуру кипения и химическую активность вещества.

Тип взаимодействия	Где возникает	Пример
Межмолекулярное	Между соседними молекулами	H₂O···H₂O
Внутримолекулярное	Внутри одной молекулы	Связь между группами –OH и C=O

У водородной связи есть донор и акцептор. Донор — фрагмент X–H, где водород становится частично положительным. Акцептор — атом с неподелённой электронной парой. В записи H₂O···H₂O кислород одной молекулы выступает донором через O–H, а кислород другой — акцептором.

Свойства воды и других веществ

Вода — главный пример действия водородных связей. Благодаря им молекулы воды объединяются в подвижную пространственную сеть. На разрыв этой сети требуется дополнительная энергия, поэтому температура кипения воды выше, чем можно было бы ожидать для вещества с такой маленькой молекулярной массой.

Водородные связи объясняют также высокое поверхностное натяжение воды: молекулы у поверхности сильно притягиваются к соседним молекулам. Лёд имеет более упорядоченную структуру, в которой между молекулами остаётся больше пустого пространства. Поэтому лёд менее плотный, чем жидкая вода, и плавает на её поверхности.

В спиртах группа –OH образует водородные связи с молекулами спирта и воды. Поэтому этанол хорошо смешивается с водой. В белках водородные связи помогают поддерживать вторичную структуру молекулы, а в ДНК участвуют в соединении комплементарных оснований.

Если хочешь проверить понимание на заданиях, можно после разбора открыть бесплатную практику в личном кабинете и сразу потренироваться распознавать доноров и акцепторов.

Разобранный пример и ошибки

Задание: определи, между какими частицами может образоваться водородная связь в смеси воды и аммиака, и укажи её схему.

Вода: H–O–H
Аммиак: H–N–H
Вода как донор: O–H···N
Аммиак как донор: N–H···O
Вывод: между H₂O и NH₃ возможны водородные связи обоих направлений

Разберём решение. В молекуле воды есть связи O–H, поэтому вода может отдавать водород в водородной связи. У кислорода также есть неподелённые электронные пары, значит, он способен принимать такую связь. В аммиаке присутствуют связи N–H и неподелённая электронная пара азота. Следовательно, NH₃ тоже может быть и донором, и акцептором. Поэтому между водой и аммиаком возникают контакты O–H···N и N–H···O.

Типичные ошибки: считать любую связь с H водородной; забывать про неподелённую электронную пару; путать пунктирную водородную связь с полярной ковалентной; утверждать, что водородная связь возможна только между молекулами воды. Проверяй сразу три признака: полярный фрагмент X–H, электроотрицательный атом и свободная электронная пара.

Что запомнить

Водородная связь — это притяжение частично положительного атома водорода в полярной связи X–H к неподелённой электронной паре атома F, O или N. Она слабее ковалентной связи, но множество таких взаимодействий определяет свойства веществ. Связь бывает межмолекулярной и внутримолекулярной. В воде она влияет на кипение, поверхностное натяжение, строение льда и растворяющую способность. В белках и ДНК водородные связи помогают сохранять пространственную структуру.

Перед решением задания задай себе три вопроса: с каким атомом соединён H? Есть ли рядом F, O или N? Может ли этот атом предоставить неподелённую электронную пару? Если ответ положительный, запиши схему X–H···Y и объясни, кто донор, а кто акцептор.

Следующий шаг — зарегистрируйся и реши 5 заданий бесплатно в личном кабинете. Так ты закрепишь не только определения, но и сам алгоритм анализа. Для экзаменационной подготовки также пригодятся материалы по ОГЭ и по ЕГЭ.