Чем отличаются внутри и межмолекулярные водородные связи
Водородная связь
Межмолекулярные взаимодействия
Ориентационные силы притяжения возникают между полярными молекулами (диполь-диполь взаимодействие). Эти силы возникают между полярными молекулами. Индукционные взаимодействия — это взаимодействие между полярной молекулой и неполярной. Неполярная молекула поляризуется из-за действия полярной, что и порождает дополнительное электростатическое притяжение.
Особый вид межмолекулярного взаимодействия — водородные связи.
Водородные связи — это межмолекулярные (или внутримолекулярные) химические связи, возникающие между молекулами, в которых есть сильно полярные ковалентные связи — H-F, H-O или H-N. Если в молекуле есть такие связи, то между молекулами будут возникать дополнительные силы притяжения.
Механизм образования водородной связи частично электростатический, а частично — донорно–акцепторный. При этом донором электронной пары выступают атом сильно электроотрицательного элемента (F, O, N), а акцептором — атомы водорода, соединенные с этими атомами. Для водородной связи характерны направленность в пространстве и насыщаемость.
Водородные связи возникают между следующими веществами:
Водородная связь оказывает влияние на физические и химические свойства веществ. Так, дополнительное притяжение между молекулами затрудняет кипение веществ. У веществ с водородными связями наблюдается аномальное повышение тепературы кипения.
Чем отличаются внутри и межмолекулярные водородные связи
Основы строения вещества
Глава 14. Водородная связь
Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь
Водородная связь обусловлена электростатическим притяжением атома водорода (несущим положительный заряд δ+) к атому электроотрицательного элемента, имеющего отрицательный заряд δ−. В большинстве случаев она слабее ковалентной, но существенно сильнее обычного притяжения молекул друг к другу в твердых и жидких веществах. В отличие от межмолекулярных взаимодействий водородная связь обладает свойствами направленности и насыщаемости, поэтому ее нередко считают одной из разновидностей ковалентной химической связи. Она может быть описана с помощью метода молекулярных орбиталей как трехцентровая двухэлектронная связь.
Межмолекулярная и внутримолекулярная водородная связь
Если водородная связь объединяет части одной молекулы, то говорят о внутримолекулярной водородной связи. Это особенно характерно для многих органических соединений (рис. 42). 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.
Аномалии свойств, обусловленные наличием водородной связи
Наличием водородных связей обусловлены уникальные свойства многих веществ, в том числе воды. Трехатомная молекула Н2О образует четыре водородные связи. В их образовании принимают участие оба атома водорода, а атом кислорода, имеющий две неподеленные электронные пары, образует две водородные связи с атомами водорода соседних молекул воды.
Если бы не было водородных связей, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов
Температуры кипения халькогеноводородов
| H2Te | H2Se | H2S | H2O | |
| tкип, o С | −2 | −42 | −60 | 100 |
Сильные водородные связи между молекулами воды препятствуют ее плавлению и испарению.
При плавлении льда около 10% водородных связей разрушается, и молекулы воды немного сближаются. Поэтому плотность жидкой воды при температуре плавления выше, чем плотность льда. Дальнейшее нагревание, с одной стороны, должно вызывать увеличение объема воды. Это происходит со всеми веществами.
Но, с другой стороны, водородные связи продолжают разрушаться, а это должно приводить к уменьшению объема воды. В результате плотность воды изменяется неравномерно. Наибольшее значение (1,00 г/мл) она имеет при температуре 4 o С. Такова зимняя температура вблизи дна пресноводных водоемов, где скапливается вода с максимальной плотностью.
Разница между межмолекулярной и внутримолекулярной водородной связью
Молекулы образуются, когда атомы одного и того же элемента или различных элементов объединяются, чтобы делиться электронами и образовывать ковалентные связи. Существует два типа сил притяжения, котор
Содержание:
Важно знать функцию этих двух сил по отдельности, чтобы понять, как они удерживают молекулу или ковалентное соединение вместе.
Эта статья объясняет,
1. Что такое водородная связь?
2. Что такое межмолекулярная водородная связь?
— Определение, особенности и свойства, примеры
3. Что такое внутримолекулярная водородная связь?
— Определение, особенности и свойства, примеры
4. В чем разница между межмолекулярной и внутримолекулярной водородной связью?
Что такое водородная связь
Когда водород, который является умеренно электроотрицательным, ковалентно связан с сильно электроотрицательным атомом, пара электронов, которые они разделяют, становится более смещенной в сторону электроотрицательного атома. Примерами таких атомов являются N, O и F. Для образования водородной связи должны быть акцептор водорода и донор водорода. Донор водорода является сильно электроотрицательным атомом в молекуле, а акцептор водорода является сильно электроотрицательным атомом водорода в соседней молекуле и должен иметь неподеленную пару электронов.
Водородная связь может возникать либо между двумя молекулами, либо внутри молекулы. Эти два типа известны как межмолекулярная водородная связь и внутримолекулярная водородная связь соответственно.
Что такое межмолекулярная водородная связь
Межмолекулярная водородная связь может происходить между одинаковыми или не похожими молекулами. Положение акцепторного атома должно быть правильно ориентировано так, чтобы он мог взаимодействовать с донором.
Давайте посмотрим на молекулу воды, чтобы понять сценарий ясно.
Рисунок 1: водородная связь в молекуле воды
Пара электронов, разделяемых между атомами H и O, больше притягивается к атому кислорода. Следовательно, атомы O получают небольшой отрицательный заряд по сравнению с атомом H. Атом О обозначен как δ-, а атом Н обозначен как δ +. Когда вторая молекула воды приближается к первой, между атомом δ-O одной молекулы воды образуется электростатическая связь с атомом δ + H другого. Атомы кислорода в молекулах ведут себя как донор (В) и акцептор (А), где один атом О отдает водород другому.
Вода обладает особыми качествами благодаря водородным связям. Это хороший растворитель, имеет высокую температуру кипения и высокое поверхностное натяжение. Кроме того, лед при 4 ° С имеет меньшую плотность, чем вода. Следовательно, лед плавает на жидкой воде, защищая водную жизнь под зимой. Из-за этих особенностей в воде, это называют универсальным растворителем и играет главную роль в поддержании жизни на земле.
Что такое внутримолекулярная водородная связь
Если водородная связь происходит внутри двух функциональных групп одной и той же молекулы, она называется внутримолекулярной водородной связью. Это происходит, когда донор водорода и акцептор находятся в одной молекуле.
Рисунок 2: Структура о-нитрофенола (орто-нитрофенола) с внутримолекулярной водородной связью
Разница между межмолекулярной и внутримолекулярной водородной связью
Формирование Бонд
Межмолекулярная водородная связь:Межмолекулярная водородная связь происходит между двумя соседними молекулами.
Внутримолекулярная водородная связь:Внутримолекулярная водородная связь происходит внутри самой молекулы.
Физические свойства
Межмолекулярная водородная связь:Межмолекулярная водородная связь имеет высокие температуры плавления и кипения и низкое давление пара.
Внутримолекулярная водородная связь:Внутримолекулярная водородная связь имеет низкую температуру плавления и кипения и высокое давление пара.
стабильность
Межмолекулярная водородная связь:Стабильность сравнительно высокая.
Внутримолекулярная водородная связь:Стабильность сравнительно низкая.
Примеры
Межмолекулярная водородная связь:Вода, метиловый спирт, этиловый спирт и сахар являются примерами межмолекулярных водородных связей.
Внутримолекулярная водородная связь:О-нитрофенол и салициловая кислота являются примерами внутримолекулярной водородной связи.
Соединения с межмолекулярными водородными связями более стабильны, чем соединения с внутримолекулярными водородными связями. Межмолекулярные водородные связи отвечают за соединение одной молекулы с другой и удержание их вместе. В противоположность этому, когда происходит внутримолекулярная водородная связь, молекулы менее доступны для взаимодействия друг с другом, и молекулы имеют меньшую тенденцию к слипанию. Это приводит к снижению температуры кипения и плавления. Кроме того, молекулы с внутримолекулярной водородной связью являются более летучими и имеют сравнительно более высокое давление пара.
Соединения с межмолекулярными водородными связями легко растворимы в соединениях аналогичной природы, тогда как соединения с внутримолекулярными водородными связями не растворяются легко.
«Водородная связь.»Химия LibreTexts, Libretexts, 21 июля 2016 года. Веб. 07 февраля 2017 г.
«Водородная связь: акцепторы и доноры». Университет Висконсина, н.д. Web. 07 февраля 2017 г.
«Меж- и внутримолекулярные водородные связи в спиртах, карбоновых кислотах и других молекулах и их значение».Органическая химия, Н.п., окт. 2012. Интернет. 07 фев. 2017.
«Прочность внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей».Химический стек, N.p., 2013. Web. 07 февраля 2017 г.
Водородная химическая связь
Всего получено оценок: 1021.
Всего получено оценок: 1021.
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:
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.
Водородная связь бывают двух типов:
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.
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.
Водородная связь
Вы будете перенаправлены на Автор24
Понятие водородная связь
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.
Готовые работы на аналогичную тему
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.
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
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
Значение межмолекулярной водородной связи
Водородные связи оказывают следующее влияние на соединения:
они обуславливают ассоциацию соединений (карбоновых кислот, спиртов), что приводит к появлению высоких температур кипения этих соединений;
Например: уксусная кислота даже в газовой фазе существует в виде димера.
сольватация соединений посредством образования водородных связей с растворителем существенно повышает их растворимость;
способствуют стабилизации ионизированных частиц в растворе, например межмолекулярные водородные связи в соединениях А,Б,В:
важны при формировании пространственной структуры нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и др. соединений;
участвуют в осуществлении ряда биохимических процессов (синтез мРНК, репликация ДНК);
обеспечивают связывание лекарственных препаратов с рецепторами и т.д.
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.
$o$-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.