Водородную связь не образуют молекулы. Водородная связь, межмолекулярное взаимодействие

2. Определение водородной связи

Связь, которая образуется между атомов водорода одной молекулы и атомом сильно электроотрицательного элемента (O, N, F) другой молекулы, называется водородной связью.

Может возникнуть вопрос: почему именно водород образует такую специфическую химическую связь?

Это объясняется тем, что атомный радиус водорода очень мал. Кроме того, при смещении или полной отдаче своего единственного электрона водород приобретает сравнительно высокий положительный заряд, за счет которого водород одной молекулы взаимодействует с атомами электроотрицательных элементов, имеющих частичный отрицательный заряд, выходящий в состав других молекул (HF, H 2 O, NH 3).

Рассмотрим некоторые примеры. Обычно мы изображаем состав воды химической формулой H 2 O. Однако это не совсем точно. Правильнее было бы состав воды обозначать формулой (H 2 O)n, где n = 2,3,4 и т. д. Это объясняется тем, что отдельные молекулы воды связаны между собой посредством водородных связей.

Водородную связь принято обозначать точками. Она гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная связь, но более сильная, чем обычное межмолекулярное взаимодействие.

Наличие водородных связей объясняет увеличения объема воды при понижении температуры. Это связано с тем, что при понижении температуры происходит укрепление молекул и поэтому уменьшается плотность их «упаковки».

При изучении органической химии возникал и такой вопрос: почему температуры кипения спиртов гораздо выше, чем соответствующих углеводородов? Объясняется это тем, что между молекулами спиртов тоже образуются водородные связи.

Повышение температуры кипения спиртов происходит также вследствие укрупнения их молекул. Водородная связь характерна и для многих других органических соединений (фенолов, карбоновых кислот и др.). Из курсов органической химии и общей биологии известно, что наличием водородной связи объясняется вторичная структура белков, строение двойной спирали ДНК, т. е. явление комплементарности.

3. Виды водородной связи

Существует два вида водородной связи внутримолекулярная и межмолекулярная водородные связи. Если водородная связь объединяет части одной молекулы, то говорят о внутримолекулярной водородной связи. Это особенно характерно для многих органических соединений. Если же водородная связь образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом неметалла другой молекулы (межмолекулярная водородная связь), то молекулы образуют довольно прочные пары, цепочки, кольца. Так, муравьиная кислота и в жидком и в газообразном состоянии существует в виде димеров:

а газообразный фтороводород содержат полимерные молекулы, включающие до четырех частиц HF. Прочные связи между молекулами можно найти в воде, жидком аммиаке, спиртах. Необходимые для образования водородных связей атомы кислорода и азота содержат все углеводы, белки, нуклеиновые кислоты. Известно, например, что глюкоза, фруктоза и сахароза прекрасно растворимы в воде. Не последнюю роль в этом играют водородные связи, образующиеся в растворе между молекулами воды и многочисленными OH-группами углеводов.

4. Энергия водородной связи

Существуют несколько подходов к характеристике водородных связей. Основной критерий – это энергия водородного связывания (R–X–H…B–Y), которая зависит как от природы атомов Х и В, так и общего строения молекул RXH и BY. Большей частью она составляет 10–30 кДж/моль, но в некоторых случаях может достигать 60–80 кДж/моль и даже выше. По энергетическим характеристикам различают сильные и слабые водородные связи. Энергия образования сильных водородных связей составляет 15–20 кДж/моль и более. К ним относят связи О–H…О в воде, спиртах, карбоновых кислотах, связи О–Н…N, N–H…O и N–H…N в соединениях, содержащих гидроксильные, амидные и аминные группы, например в белках. Слабые водородные связи имеют энергию образования менее 15 кДж/моль. Нижним пределом энергии водородной связи является 4–6 кДж/моль, например связи С–Н…О в кетонах, эфирах, водных растворах органических соединений.

Наиболее прочные водородные связи образуются в случаях, когда маленький водород (жесткая кислота) одновременно связан с двумя малыми по размеру сильно электроотрицательными атомами (жесткие основания). Орбитальное соответствие обеспечивает лучшее кислотно-основное взаимодействие и приводит к образованию более прочных водородных связей. То есть образование сильных и слабых водородных связей можно объяснить с позиций концепции жестких и мягких кислот и оснований (принцип Пирсона, принцип ЖМКО).

Энергия Н-связи возрастает с увеличением положительного заряда на атоме водорода связи Х-Н и с повышением протоноакцепторности атома В (его основности). Хотя образование водородной связи рассматривается с позиций кислотно-основного взаимодействия, однако энергия образования Н-комплексов нестрого коррелируется как со шкалой кислотности, так и со шкалой основности.

Подобная картина наблюдается и в случае меркаптанов и спиртов. Меркаптаны являются более сильными кислотами, чем спирты, однако более прочные ассоциаты образуют спирты. Причина таких кажущихся аномалий вполне объяснима, если учесть, что кислотность определятся величиной pКа по результатам полной схемы кислотно-основного взаимодействия (до образования сольватированных ионов), а образование молекулярного комплекса с Н-связью только первый этап этого процесса, не предусматривающий разрыва связи Х–Н. В инертных растворителях кислотно-основное взаимодействие обычно останавливается на стадии Н-комплекса.

Что касается основности органических соединений и их способности принимать участие в образовании Н-связи, то здесь тоже наблюдаются большие различия. Так, при одной и той же способности к образованию водородных связей степень основности аминов на 5 порядков выше, чем у пиридинов, и на 13 порядков выше, чем у замещенных карбонильных соединений.

На основе экспериментальных данных установлена линейная корреляция между степенью переноса заряда и энергией межмолекулярных Н-связей, являющаяся важным доводом в пользу донорно-акцепторной природы последних. Существенное влияние на образование водородной связи могут оказывать стерические факторы. Например, орто-замещенные фенолы менее склонны к самоассоциации, чем соответствующие мета- и пара-изомеры, полностью отсутствует ассоциация у 2,6-ди-трет.-бутилфенола. С повышением температуры количество молекулярных комплексов в смеси уменьшается, и они значительно реже встречаются в газовой фазе.

В начале курсовой было отмечено, что водородная связь занимает промежуточное положение между истинной (валентной) химической связью и слабым межмолекулярным взаимодействием. Куда ближе? Ответ неоднозначный, так как диапазон колебаний энергий Н-связей довольно широк. Если же речь идет о сильных водородных связях, способных оказывать существенное влияние на свойства веществ, то они ближе к истинным химическим связям. И это определяется не только довольно высокой энергией Н-связи, но и тем, что она локализована в пространстве, водородный мостик имеет своих “персональных” партнеров. Направление действия водородной связи также фиксировано, хотя и не столь жестко, как для истинных химических связей.

Водородную связь от межмолекулярной. Если спектрально фиксируется образование Н-связей, а признаков ассоциации нет, это верное указание на внутримолекулярный характер водородной связи. Кроме того, межмолекулярная Н-связь (и ее спектральное проявление) исчезает при низкой концентрации вещества в нейтральном растворителе, тогда как внутримолекулярная Н-связь в этих условиях сохраняется. Водородные...

v Водородная связь

Ø Водородной связью называется электростатическое взаимодействие атома водорода, связанного с сильно электроотрицательным элементом, с другими атомами.

Водородные связи образует атом водорода, связанный с атомом фтора, кислорода или азота. Электроотрицательность других элементов недостаточна для того, чтобы заставить образовать прочную водородную связь связанный с ними атом водорода. Механизм образования водородной связи рассмотрим на примере взаимодействия молекул фтороводорода. Высокая электроотрицательность атома фтора приводит к тому, что связь водород-фтор в данной молекуле сильно полярна и общая пара электронов смещена к фтору H®F. Поскольку у атома водорода отсутствует внутренняя электронная оболочка, оттягивание его валентного электрона почти полностью обнажает ядро, представляющего собой элементарную частицу - протон. По этой причине сильно поляризованный атом водорода обладает очень мощным электростатическим полем, за счет которого он притягивается к атому фтора другой молекулы фтороводорода с образованием водородной связи:

Водородной связи присущи следующие особенности:

1. Водородная связь является насыщаемой. Атом водорода образует лишь одну водородную связь; его партнеры могут участвовать в образовании нескольких водородных связей.

2. Водородная связь является направленной. Фрагмент Х-Н××××Y обычно линейный, хотя в некоторых случаях может быть и угловым, но при этом величина валентного угла не сильно отличается от 180°.

3. Энергия водородной связи невелика (8-40 кДж/моль) и представляет величину того же порядка, что и энергия межмолекулярного взаимодействия. Прочность водородной связи тем выше, чем больше электроотрицательность партнера атома водорода. Так энергия связи H××××F составляет 25-40 кДж/моль, связи Н××××О - 19-21 кДж/моль, связей N××××H и S×××H - около 8 кДж/моль.

4. Водородная связь асимметрична: во фрагментах Х-Н××××Х длина связи Н××××Х больше длины Н-Х.

Водородная связь более длинная по сравнению с ковалентной и имеет меньшую энергию. Тем не менее, она оказывает очень большое влияние на физические свойства веществ, значительно увеличивая их температуры плавления и кипения. Так, фтороводород имеет т. пл. -83 °С и т. кип. +20 °С, в то время как его ближайший аналог - хлороводород плавится при - 114 °С и кипит при - 85 °С. Фактически, за счет водородных связей, фторофодород представляет собой полимер, который начинает частично диссоциировать только при температуре, близкой к температуре кипения. Но даже в газовой фазе фтороводород существует в виде малых ассоциатов молекул, в основном в виде димеров. В виде мономерных молекул фтороводород существует только при температурах выше 90 °С. Очень прочные водородные связи образует молекула воды, окруженная в кристаллическом состоянии (лед) четырьмя соседями.

Трехмерная сетка водородных связей, построенная из тетраэдров, существует и в жидкой воде во всем интервале температур от плавления льда и до ее кипения.

Наряду с межмолекулярными существуют и внутримолекулярные водородные связи, не оказывающие столь значительного влияния на физические свойства вещества.

Муравьиная кислота НСООН и многие другие карбоновые кислоты в жидком и газообразном состояниях за счет водородных связей образует циклические димеры.

Очень важную роль водородные связи играют в организации многих биологически важных макромолекул (a-спирали и b-структуры белков и полипептидов, двойная спираль ДНК и т.д.).

v Силы межмолекулярного взаимодействия .

Ø Силами межмолекулярного взаимодействия (ван-дер-ваальсовыми силами ) называют силы электростатического притяжения диполей вещества.

Данный вид взаимодействия атомных и молекулярных частиц отличается рядом особенностей:

1. Межмолекулярное взаимодействие является относительно слабым. Отвечающие ему эффекты на один-два порядка меньше тепловых эффектов образования ковалентных связей. Так, энергия связи для молекулы Н 2 равна 432 кДж/моль, в то время как энтальпия сублимации кристаллического водорода, связанная с межмолекулярным взаимодействием, составляет 2,1 кДж/моль.

2. Межмолекулярное взаимодействие не является специфическим. Ван-дер-ваальсовые силы действуют между самыми разнообразными молекулами, одинаковыми или различными.

3. Силы Ван-дер-Ваальса имеют электростатическую природу, в связи с чем межмолекулярное взаимодействие является ненасыщаемым и ненаправленным.

По происхождению взаимодействующих диполей выделяют три типа сил межмолекулярного взаимодействия:

· Ориентационноевзаимодействие – электростатическое притяжение постоянных диполей вещества, которые ориентируются друг по отношению к другу противоположными полюсами.

Энергия ориентационного взаимодействия двух одинаковых молекул (ориентационный эффект) выражается следующим уравнением:

(9),

где m – дипольный момент молекулы, r – расстояние между молекулами.

· Индукционноевзаимодействие – электростатическое притяжение постоянного и наведенного (индуцированного) диполя.

(10),

где a - поляризуемость молекулы.

· Дисперсионноевзаимодействие – электростатическое притяжение мгновенных микродиполей вещества. Возникновение мгновенных микродиполей вызвано случайным нарушением симметрии распределения электронной плотности в частице, приводящим к возникновению и исчезновению электрических полюсов. При проявлении сил дисперсионного взаимодействия мгновенные микродиполи появляются и исчезают синхронно, ориентируясь таким образом, чтобы частицы притягивались.

(11),

где h - постоянная Планка, n 0 - частота колебаний молекул при температуре абсолютного нуля.

Естественно, что вклад дисперсионного взаимодействия в энергию межмолекулярного взаимодействия увеличивается при возрастании поляризуемости молекулы. Например, для HI энергия дисперсионного взаимодействия (60,47 кДж/моль) составляет 98,5% энергии сил межмолекулярного взаимодействия.

Действие сил Ван-дер-Ваальса приводит к сближению атомных и молекулярных частиц, не связанных химической связью, до некого равновесного состояния, в котором силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания. При этом расстояние между атомами можно представить как сумму так называемых ван-дер-ваальсовских радиусов (табл. 3.3).

Понятие водородная связь

Атом водорода, связанный с сильно электроотрицательным атомом (кислорода, фтора, хлора, азота) может взаимодействовать с неподеленной электронной парой другого сильно электроотрицательного атома этой или другой молекулы с образованием слабой дополнительной связи -- водородной связью. При этом может установиться равновесие

Рисунок 1.

Появление водородной связи предопределено исключительностью атома водорода. Атом водорода гораздо меньше, чем другие атомы. Электронное облако, образованное им и электроотрицательным атомом сильно смещено в сторону последнего. В результате ядро водорода остается слабоэкранированным.

Атомы кислорода гидроксильных групп двух молекул карбоновых кислот, спиртов или фенолов могут близко сходиться из-за образования водородных связей.

Положительный заряд ядра атома водорода и отрицательный заряд другого электроотрицательного атома притягиваются. Энергия их взаимодействия сопоставима с энергией прежней связи, поэтому протон оказывается связанным сразу с двумя атомами. Связь со вторым электроотрицательным атомом может быть более сильной, чем первоначальная связь.

Протон может передвигаться от одного электроотрицательного атома к другому. Энергетический барьер у такого перехода незначительный.

Водородные связи относятся к числу химических связей средней силы, но, если таких связей много, то они способствуют образованию прочных димерных или полимерных структур.

Пример 1

Образование водородной связи в $\alpha $-спиральной структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты, алмазоподобная структура кристаллического льда и др.

Положительный конец диполя в гидроксильной группе находится у атома водорода, поэтому через водород может формироваться связь с анионами или электроотрицательными атомами, содержащими неподеленные электронные пары.

Практически во всех других полярных группах положительный конец диполя расположен внутри молекулы и поэтому является трудно доступным для связывания. У карбоновых кислот $(R=RCO)$, спиртов $(R=Alk)$, фенолов $(R=Ar)$ положительный конец диполя $OH$ находится снаружи молекулы:

Примеры нахождения положительного конца диполя $C-O, S-O, P-O$ внутри молекулы:

Рисунок 2. Ацетон, диметилсульфоксид (ДМСО), гексаметилфосфортриамид (ГМФТА)

Так как стерические препятствия отсутствуют, водородная связь образуется легко. Ее сила, в основном определяется тем, что она преимущественно имеет ковалентный характер.

Обычно наличие водородной связи обозначают пунктирной линией между донором и акцептором, например, у спиртов

Рисунок 3.

Как правило, расстояние между двумя атомами кислорода и водородной связи меньше суммы ван-дер-ваальсовых радиусов атомов кислорода. Должно присутствовать взаимное отталкивание электронных оболочек атомов кислорода. Однако силы отталкивания преодолеваются силой водородной связи.

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.

Водородная связь – это особый вид связи, свойственный только атомам водорода. Она возникает в тех случаях, когда атом водорода связан с атомом наиболее электроотрицательных элементов, прежде всего фтора, кислорода и азота. Рассмотрим образование водородной связи на примере фтороводорода. Атом водорода имеет единственный электрон, благодаря которому он может образовывать с атомами электроотрицательных элементов только одну ковалентную связь. При образовании молекулы фтороводорода возникает связь Н-F, осуществляемая общей электронной парой, которая смещена к атому более электроотрицательного элемента - фтора.

В результате такого распределения электронной плотности молекула фтороводорода представляет из себя диполь, положительный полюс которого – это атом водорода. Из-за того, что связывающая электронная пара смещается к атому фтора, ядро атома водорода частично обнажается и частично освобождается ls-орбиталь этого атома. У любого другого атома положительный заряд ядра даже после удаления валентных электронов экранируется внутренними электронными оболочками, которые обеспечивают отталкивание от электронных оболочек других молекул. У водорода же таких оболочек нет, а ядро представляет собой чрезвычайно малую положительно заряженную субатомную частицу – протон (его диаметр примерно в 10 5 раз меньше диаметров других атомов, вследствие отсутствия электронов он притягивается электронной оболочкой другого нейтрального атома или отрицательно заряженного иона).

Напряженность электрического поля вблизи частично оголенного атома водорода настолько велика, что он может интенсивно притягивать к себе отрицательный полюс соседней полярной молекулы. Поскольку этот отрицательный полюс не что иное, как атом фтора, имеющий три несвязывающие электронные пары, а 1s – орбиталь атома водорода частично вакантна, то между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и отрицательно поляризованным атомом фтора другой, соседней молекулы, возникает донорно-акцепторное ваимодействие.

Таким образом, в возникновении водородной связи существенную роль, наряду с элетростатическим взаимодействием играет и донорно-акцепторное взаимодействие. В результате такого взаимодействия возникает дополнительная (вторая) связь с участием атома водорода. Это и есть водородная связь . Ее обычно обозначают точками: …F–Н F–H… Образующаяся за счет водородной связи система из трех атомов, как правило, линейна.

Водородная связь отличается от ковалентной по энергии и длине. Она более длинная и менее прочная, чем ковалентная. Энергия водородной связи 8 – 40 кДж/моль, ковалентной 80 – 400 кДж/моль. Так, в твердом фтороводороде длина ковалентной связи F–Н равна 95 пм, в то время как водородная связь Н–F имеет длину 156 пм. Благодаря водородным связям между молекулами HF кристаллы твёрдого фтороводорода состоят из бесконечных пло­ских зигзагообразных цепей.

Водородные связи между молекулами HF частично сохраняются и в жидком и даже в газообразном фтороводороде.

Водородная связь условно записывается в виде трёх точек и изображается так:

где X, Y – атомы F, O, N, Cl, S

Энергия и длина водородной связи определяются дипольным моментом связи X–H и размерами атома Y. Длина водородной связи уменьшается, а энергия возрастает с увеличением разности электроотрицательностей атомов X и Y (и соответственно дипольного момента связи X–H) и с уменьшением размера атома Y.

Водородные связи образуют также молекулы, в которых имеются связи О–Н (например, вода H 2 O, хлорная кислота НClO 4 , азотная кислота HNO 3 , карбоновые кислоты RCOOH, фенолы C 6 H 5 OH, спирты ROH) и N–Н (например, аммиак NH 3 , тиоциановая кислота HNCS, органические амиды RCONH 2 и амины RNH 2 и R 2 NH).

Вещества, молекулы которых соединены водородными связями, отличаются по своим свойствам от веществ, аналогичных им по строению молекул, но не образующих водородные связи. Температуры плавления и кипения соединений с водородом элементов IVA–группы, в которых нет водородных связей, плавно понижаются с уменьшением номера периода (рис. 15).У соединений с водородом элементов групп VA-VIIA наблюдается нарушение этой зависимости. Три вещества, молекулы которых соединены водородными связями (аммиак NH 3 , вода Н 2 О и фтороводород HF), имеют гораздо более высокие температуры кипения и плавления, чем их аналоги. Кроме того, у этих веществ более широкие температурные интервалы существования в жидком состоянии, более высокие теплоты плавления и испарения.

Важную роль играет водородная связь в процессах кристаллизации и растворения веществ, а также при образовании кристаллогидратов.

Водородная связь может возникать не только между молеку­лами (межмолекулярная водородная связь, МВС) ,как это имеет место во всех рассмотренных выше примерах, но и между атомами од­ной и той же молекулы (внутримолекулярная водородная связь, ВВС) . Например, благодаря внутримолекулярным водородным связям между атомами водорода аминогрупп и атомами кислорода карбонильных групп возникают спиральные полипептидные цепи, образующие молекулы белков.

Огромную роль водородные связи играют в процессах редуп­ликации и биосинтеза белка. Две нити двойной спирали ДНК удерживаются вместе водородными связями. В процессе редупликации эти связи разрываются. При транскрипции синтез РНК с использованием ДНК в качестве матрицы происходит также благодаря возникновению водородных связей. Оба процесса возможны потому, что водородные связи легко образуются и легко разрываются.

Рис. 15 Температуры плавления (а) и кипения (б)бинарных соединений элементов IV-VIIА - групп с водородом

Вопросы для самоконтроля

1. Может ли химическая связь осуществляться одним электроном?

2. Какими показателями характеризуют прочность химической связи?

Может ли длина связи быть равной сумме радиусов двух изолированных атомов, вступающих в химическую связь?

4. Чем должны обладать химические частицы для установления между собой ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму?

5. Чем определяется валентность атомов элементов в химическом соединении?

6. Чем ограничивается число ковалентных связей, образуемых атомом какого-либо элемента в химическом соединении?

7. Что является причиной гибридизации электронных орбиталей атомов участвующих в образовании ковалентных связей?

8. Какие атомные орбитали могут гибридизоваться?

9. Какой тип гибридизации атомных орбиталей наиболее часто осуществляется в неорганических соединениях?

10. Что является мерой полярности ковалентной связи? Чем она измеряется?

11. Что называется электроотрицательностью атома элемента?

12. Дайте определение ковалентной, ионной, металлической и водородной связям.

13. Почему метан по аналогии с аммиаком, фтороводородом и водой не имеет аномально высокой температуры кипения?

14. Чему равна валентность атома углерода в молекуле СО?

15. Может ли произойти реакция между HF и SiF?

16. Какова кратность ковалентной связи в молекуле NО?

17. Укажите тип гибридизации электронных орбиталей атома углерода в молекуле СО 2 .

18. Одинакова ли геометрическая конфигурация молекул BF 3 и NF 3 ?

19. Дипольный момент молекулы HCN равен 2,9 D. Вычислите длину диполя.

Тесты

1. Длина ковалентной связи наибольшая в молекуле … .

1) НСl 2) НI 3) НВr 4) НF

2. Максимальную тенденцию образовывать химические соединения с ионной связью проявляют атомы элементов … .

1) Сu и Сl 2) Н и Сl 3) Li и Сl 4) С и Сl

3. Молекула ВеF 2 (газообразный фторид бериллия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

1) НF, Н 2 О, NН 3 2) Н 2 О, Н 2 Sе, Н 2 S

3) НСl, НI, НВr 4) NН 3 , NСl 3 , NF 3

2. π-Связи могут образовываться в результате перекрывания электронных облаков … типа.

1) s и р 2) s и s 3) р и р 4) s и d

3. Молекула аммиака имеет … строение.

1) тригональное 2) пирамидальное

3) угловое 4) тетраэдрическое

1. Полярность ковалентной связи увеличивается в ряду … .

1) ССl 4 , СН 4 , СО 2 2) СН 4 , NН 3 , Н 2 О

3) НF, Н 2 О, Н 2 Sе 4) NН 3 , NСl 3 , NВr 3

2. В молекуле сероводорода возможны … .

1) только σ-связи

2) только π-связи

3) как σ-, так и π-связи

3. Молекула SnСl 4 (газообразный хлорид олова) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

1. Полярность ковалентной связи в ряду НСl – НВr – НI … .

1) увеличивается

2) не изменяется

3) уменьшается

4) вначале уменьшается, а затем увеличивается

2.Число двойных связей одинаково в молекулах … .

1) СО 2 и SО 3 2) Н 2 SО 4 и НСlО 4

3) SО 2 и Н 2 SО 4 4) N 2 и С 2 Н 2

3. Молекула SnСl 2 (газообразный хлорид олова) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

1. В кристаллах NаF, RbСl, СsСl химическая связь … .

Число π-связей одинаково в молекулах … .

1) С 2 Н 4 и СО 2 2) SО 3 и Н 2 SО 4

3) N 2 и С 2 Н 4 4) СО 2 и С 2 Н 2

3. Молекула метана имеет … строение.

1) угловое 2) тетраэдрическое

3) пирамидальное 4) тригональное

1. В молекулах О 2 , N 2 , Сl 2 , Н 2 связь … .

1) ионная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) металлическая

2. Число σ-связей одинаково в молекулах … .

1) С 2 Н 4 и РСl 5 2) SО 2 и С 2 Н 2

3) SО 2 Сl 2 и СОСl 2 4) Н 2 SО 4 и РОСl 3

3. Молекула сероводорода имеет … строение.

1) угловое 2) тетраэдрическое

3) линейное 4) пирамидальное

1) Сl 2 2) SО 2 3) NН 3 4) Н 2 S

2. В молекуле азота существуют … .

3) одна σ- и две π-связи 4) одна π- и две σ-связи

3. Молекула АlСl 3 (газообразный хлорид алюминия) имеет … строение.

3) тетраэдрическое 4) угловое

1. Длина ковалентной связи больше во второй молекуле в случае соединений … .

1) Сl 2 и N 2 2) SО 2 и СО 2 3) СF 4 и СН 4 4) F и НВr

2. Валентный угол в ряду NН 3 – РН 3 – АsН 3 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

3. Молекула GаСl 3 (газообразный хлорид галлия) имеет … строение.

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

1. В ряду LiF – ВеF 2 – ВF 3 – СF 4 – NF 3 – ОF 2 – F 2 … .

2. Ионный тип связи имеет … .

1) хлорид калия 2) фторид кислорода(II)

3) фторид углерода(IV) 4) хлорид фосфора(III)

3. Молекула МgСl 2 (газообразный хлорид магния) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

1) КСl 2) НСl 3) ССl 4 4) NН 4 Сl

2. Ковалентную полярную связь имеет … .

1) алмаз 2) аммиак 3) фтор 4) кобальт

3. Молекула АsН 3 имеет строение … .

1) линейное 2) тригональное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

1. В ряду NаСl – МgСl 2 – АlСl 3 – SiСl 4 – РСl 3 – Сl 2 … .

1) ионный характер связи усиливается

2) ковалентный характер связи усиливается

3) ковалентный характер связи ослабевает

4) ионный характер связи не изменяется

2. Ковалентную неполярную связь имеет … .

1) хлорид натрия 2) хлор

3) хлороводород 4) цинк

3. Молекула ССl 4 имеет строение … .

1) угловое 2) пирамидальное

1. Ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму образуется в … .

1) NаF 2) НF 3) (НF) 2 4) НВrF 4

2. В молекуле N 2 у атомов азота … .

1) валентность равна степени окисления

2) валентность больше степени окисления

3) валентность и степень окисления противоположны по знаку

4) валентность меньше степени окисления

3. Молекула сероводорода имеет строение … .

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

1. Валентный угол в ряду молекул Н 2 О, Н 2 S, Н 2 Sе, Н 2 Те … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Максимальную тенденцию образовывать соединения с ионной связью проявляют элементы … .

1) Rb и F 2) Сu и F 3) Н и F 4) С и F

3. Молекула GеСl 2 [газообразный хлорид германия(II)] имеет … строение.

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

1. Валентный угол в ряду молекул NН 3 , РН 3 , АsН 3 … .

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. При образовании связи в молекуле НВr перекрываются электронные облака … типа.

3. Молекула GеСl 4 [газообразный хлорид германия (IV)] имеет … строение.

1) линейное 2) угловое

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

Прочность химической связи в ряду ВF 3 – АlF 3 – GаF 3 – InF 3 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. При образовании связей в молекуле кислорода перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

3. Молекула ВСl 3 имеет … строение.

1) линейное 2) тригональное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

1. Прочность ковалентной связи в ряду Н 2 S – Н 2 Sе – Н 2 Те … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала уменьшается, а затем увеличивается

2. При образовании связей в молекуле азота перекрываются электронные облака … типа.

1) s и s 2) s и р 3) р и р 4) р и d

3. Молекула ОF 2 имеет строение … .

1) линейное 2) пирамидальное

3) тетраэдрическое 4) угловое

1. Прочность химической связи в ряду SnСl 4 – GеСl 4 – SiСl 4 – ССl 4 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .

1) Сl 2 2) F 2 3) I 2 4) Вr 2

3. Молекула фосфина РН 3 имеет … строение

1) пирамидальное 2) тетраэдрическое

3) угловое 4) тригональное

1.Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .

1) РН 3 2) Н 2 S 3) SiН 4 4) НСl

2. В молекуле аммиака образуются … .

1) только σ-связи 2) только π-связи

3) одна σ- и две π-связи 4) две σ- и одна π-связи

1) пирамидальное 2) тригональное

3) тетраэдрическое 4) угловое

1. Длина ковалентной связи увеличивается в ряду … .

1) Сl 2 , N 2 , О 2 2) НСl, НF, НВr

3) АlСl 3 , GаСl 3 , InСl 3 4) Н 2 Sе, Н 2 S, Н 2 Те

2. Ионный тип связи имеет … .

1) хлорид бора 2) хлорид цезия

3) хлорид фосфора(III) 4) хлороводород

3. Молекула GеСl 2 (газообразный хлорид германия) имеет строение … .

1) угловое 2) линейное

1. Прочность ковалентной связи в ряду Н 2 Sе – Н 2 S – Н 2 О … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Ковалентная связь образуется между атомами … .

1) неметаллов

2) типичных неметалла и металла

3) металла

1. Молекула РbСl 2 (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

1. Длина связи увеличивается в ряду … .

1) F 2 , О 2 , N 2 2) НВr, НСl, НF

3) ВСl 3 , АlСl 3 , GаСl 3 4) Н 2 S, Н 2 О, NН 3

1) N 2 2) Н 2 О 3) ССl 4 4) ВСl 3

3. Молекула РbСl 4 (газообразный хлорид свинца) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

1. Длина ковалентной связи наименьшая в молекуле … .

1) Н 2 Те 2) Н 2 О 3) Н 2 Sе 4) Н 2 S

2. Примером неполярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является … .

1) О 2 2) ССl 4 3) Н 2 S 4) НСl

3. Молекула ССl 4 имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тетраэдрическое 4) пирамидальное

1. Ионный тип связи имеет … .

1) лёд 2) поваренная соль

3) алмаз 4) металлическая медь

2. Электронные орбитали атома бериллия в молекуле ВеН 2 (газообразный гидрид бериллия) гибридизованы … по типу.

3. Молекула ВеН 2 (газообразный гидрид бериллия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) тетраэдрическое

1. Образование ионной кристаллической решетки характерно для … .

1) иодида цезия 2) графита

3) иода 4) льда

2. Электронные орбитали атома алюминия в молекуле АlСl 3 (газообразный хлорид алюминия) гибридизованы … по типу.

1) sр 2) sр 2 3) sр 3 4) s 2 р

3. Молекула АlСl 3 (газообразный хлорид алюминия) имеет строение … .

1) угловое 2) линейное

3) тригональное 4) пирамидальное

1. Полярность ковалентной связи уменьшается в ряду … .

1) НF, НI, НСl 2) NН 3 , Н 2 О, НF

3) Н 2 О, Н 2 S, Н 2 Sе 4) NН 3 , Н 2 S, НF

2. Электронные орбитали атома германия в молекуле GеСl 4 (газообразный хлорид германия) гибридизованы … по типу.

3. Молекула GеСl 4 (газообразный хлорид германия) имеет … строение.

1) угловое 2) линейное

3) пирамидальное 4) тетраэдрическое

1. В молекулах НСl, NН 3 , Н 2 Sе химическая связь … .

1) водородная 2) ковалентная полярная

3) ковалентная неполярная 4) ионная

2. Примером полярной молекулы, имеющей полярные ковалентные связи, является … .

1) Н 2 О 2) N 2 3) АlСl 3 4) ССl 4

3. Молекула Н 2 Sе имеет … строение.

1) пирамидальное 2) угловое

3) тетраэдрическое 4) линейное

1. Степень ионности связи в ряду NiСl 2 – СаСl 2 – КСl – RbСl … .

1) усиливается

2) ослабевает

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Примером неполярной молекулы, имеющей ковалентные полярные связи является … .

1) Н 2 2) АsН 3 3) ВеН 2 4) Н 2 S

3. Водородная связь соединяет молекулы … .

1) водорода 2) фтороводорода

3) теллуроводорода 4) гидрида мышьяка

1. Степень ионности связи в ряду АlСl 3 – SiСl 4 – РСl 5 … .

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) сначала увеличивается, а затем уменьшается

2. Орбитали атома кремния в молекуле SiН 4 гибридизированы … по типу.

1) sр 2) sр 2 3) sр 3 4) s 2 р 2

3. Молекула силана SiН 4 имеет … строение.

1) пирамидальное 2) угловое

3) тетраэдрическое 4) тригональное

Литература

1) Килеев Р.Г., Векшин В.В. Пособие по общей химии, – Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2004. – С.101-138.

2) Химия: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений / Н.Н. Волков, М.А. Мелихова. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – С.28-44.

3) Слесарев С.31-47

4) Глинка С.97-157 (учебник и задачник)

5) Князев С.145-193

6) Угай С.56-98

Термин «химическая связь» введен А.М.Бутлеровым в 1863г.

1 Джоуль есть работа силы в 1 Н на пути в 1 м.

Энергия в 1 кДж может поднять 1 кг груза на 102 м или 102 кг груза на 1 м. Ю.Майер в 1842 г. Определил механический эквивалент теплоты, равный 427 кгм/ккал. Из этого (с учётом того, что 1 ккал = 418,68 кДж) следует, что прои образовании хим. связей в 1 моль вещ-ва выделяется энергия, которая может произвести работу, равную 10 200 – 102 000 кгм. Это значит, что 1 моль вещ-ва обладает энергией, достаточной для того, чтобы поднять груз массой в 10,2 – 102 т на 1м или, наоьорот, 1 кг поднять на 102 – 1020 м.

По аналогии с атомными s-, p-, d-, f- орбиталями молекулярные орбитали обозначают греческими буквами σ, π, δ, φ.

1 пм (пикометр) = 10 -12 м.

Валентность (от лат. valentia – сила) атома – это способность атома элемента образовывать химические связи; количественной меры валентности (в рамках метода валентных связей) является число связей, образованных данным атомом с другими атомами или атомными группировками.
Валентность (ковалентность) атома элемента в общем случае определяется числом орбиталей, которые могут быть использованы в образовании химических связей.

Гибридные орбитали обозначают буквой «g».

Ковалентной полярной будет также связь между атомами нетипичных металлов и неметаллов в случае небольшой разницы в значениях их ЭО, например AlBr 3 , GeH 4 и др.

Эффективный (реальный) заряд атома – заряд, возникающий на атоме вследствие смещения электронной плотности в молекуле в сторону более электроотрицательного атома. При этом более электроотрицательный атом приобретает отрицательный эффективный заряд (он обозначается «-δ», а атом-партнер в молекуле – положительный заряд «+δ»). Величина эффективного заряда измеряется в единицах абсолютного заряда электрона. Для атомов, образующих ковалентную неполярную связь, эффективный заряд равен нулю, например, Н–Н. Эффективный заряд может служить мерой ионности ковалентной связи. Например, для хлороводорода HCl δ H = +0,2, δ Cl = -0,2, и связь в молекуле HCl примерно на 20 % имеет ионный характер, то есть она полярна и близка к ковалентной; в хлориде натрия NaCl δ Na = +0,8, δ Cl = -0,8 и можно говорить, что связь на 80 % ионная.

В пределах Периодической системы хим. элементов с увеличением порядкового номера элемента значения эффективных зарядов атомов в одноатомных соединениях уменьшаются. В главных подгруппах с ростом порядкового номера элемента эффективные заряды увеличиваются. Эффективный заряд атома одного и того же элемента в различных соединениях снижается с уменьшением полярности связи.

В молекулах соединениях HF, H 2 O, NH 3 существуют связи водорода с сильно электроотрицательным элементом (Н–F, Н–O, Н–N). Между молекулами таких соединений могут образовываться межмолекулярные водородные связи . В некоторых органических молекулах, содержащих связи Н–O, Н–N, могут возникать внутримолекулярные водородные связи .

Механизм образования водородной связи имеет частично электростатический, частично донорно – акцепторный характер. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором - атомы водорода, соединенные с этими атомами. Как и для ковалентной связи, для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость .

Водородную связь принято обозначать точками: Н ··· F. Водородная связь проявляется тем сильнее, чем больше электроотрицательность атома-партнера и чем меньше его размеры. Она характерна прежде всего для соединений фтора, а также кислорода, в меньшей степени азота, в еще меньшей степени для хлора и серы. Соответственно меняется и энергия водородной связи (табл. 1).

Таблица 1. Средние значения энергий водородных связей

Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь

Благодаря водородным связям молекулы объединяются в димеры и более сложные ассоциаты. Молекулы воды образуют ассоциаты (Н 2 О) 2 , (Н 2 О) 3 , (Н 2 О) 4 ; спирта (C 2 H 5 ОН) 4 . Этим и объясняется увеличение температуры кипения спиртов по сравнению с углеводородами, Наблюдается хорошее растворение метанола и этанола в воде. Водородная связь, возникшая между молекулами, называется межмолекулярной.

Например, образование димера парагидроксибензальдегида можно представить следующей схемой (рис. 1).

Рис. 1. Образование межмолекулярных водородных связей в парагидроксибензальдегиде.

Водородные связи могут возникать как между различными молекулами (межмолекулярная водородная связь), так и внутри молекулы (внутримолекулярная водородная связь). Внутримолекулярные водородные связ и имеются в многоатомных спиртах, углеводах, белках и других органических веществах.

Влияние водородной связи на свойства веществ

Наиболее удобным индикатором существования межмолекулярной водородной связи является температура кипения вещества. Более высокая температура кипения воды (100 o C по сравнению с водородными соединениями элементов подгруппы кислорода (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te) объясняется наличием водородных связей: на разрушение межмолекулярных водородных связей в воде необходимо затратить дополнительную энергию.

Водородная связь существенным образом может влиять на структуру и свойства веществ. Существование межмолекулярной водородной связи повышает температуры плавления и кипения веществ. Наличие внутримолекулярной водородной связи приводит к тому, что молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) оказывается свернутой в воде двойной спирали.

Водородная связь также играет важную роль в процессах растворения, поскольку растворимость зависит и от способности соединения давать водородные связи с растворителем. В результате содержащие ОН-группы такие вещества, как сахар, глюкоза, спирты, карбоновые кислоты, как правило, хорошо растворимы в воде.

Примеры соединений: одноатомные (метанол, этанол) и многоатомные спирты (глицерин, этиленгликоль), карбоновые кислоты, амины, аминокислоты, белки, вода, аммиак, фтороводород, кислородсодержащие карбоновые кислоты.