Номер 1, страница 54, часть 1 - гдз по химии 10 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Дайте характеристику водородной связи. В каких случаях возможно ее образование? Приведите примеры.

Характеристика водородной связи

Водородная связь — это тип межмолекулярного или внутримолекулярного взаимодействия, который является промежуточным по силе между ковалентными связями и слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Ее энергия обычно лежит в диапазоне $8-40$ кДж/моль. По своей природе водородная связь является в основном электростатическим притяжением между атомом водорода, который несет частичный положительный заряд ($H^{δ+}$), и атомом с высокой электроотрицательностью (чаще всего $\text{O}$, $\text{N}$ или $\text{F}$), который несет частичный отрицательный заряд ($X^{δ-}$) и имеет неподеленную электронную пару. Схематически это обозначается как $A-H \cdots B$, где $A-H$ — полярная ковалентная связь (донор), а $\text{B}$ — акцептор протона. Важными особенностями водородной связи являются ее направленность (она образуется вдоль линии, соединяющей центры атомов $\text{A}$, $\text{H}$ и $\text{B}$) и насыщаемость (один атом водорода участвует в образовании одной водородной связи).

В каких случаях возможно ее образование

Для образования водородной связи необходимо одновременное выполнение двух основных условий:

1. Наличие в молекуле-доноре атома водорода, ковалентно связанного с сильно электроотрицательным элементом (фтором $\text{F}$, кислородом $\text{O}$ или азотом $\text{N}$). Такая ковалентная связь ($H-F$, $H-O$, $H-N$) является сильно полярной, в результате чего на атоме водорода концентрируется значительный частичный положительный заряд ($H^{δ+}$).

2. Наличие в системе (в соседней молекуле или в другой части той же молекулы) атома-акцептора — также сильно электроотрицательного элемента ($\text{F}$, $\text{O}$ или $\text{N}$), обладающего по крайней мере одной неподеленной электронной парой. Этот атом притягивает к себе положительно поляризованный атом водорода.

Таким образом, водородные связи возникают в веществах, молекулы которых содержат группы $-OH$, $-NH_2$, $>NH$, а также в таких соединениях, как $HF$.

Примеры

Водородные связи широко распространены в природе и определяют многие свойства веществ.

Межмолекулярные водородные связи (образуются между разными молекулами):

• Вода ($H_2O$): Самый известный пример. Каждая молекула воды способна образовывать до четырех водородных связей с соседними молекулами, создавая трехмерную сетку. Это объясняет аномально высокие температуры кипения и плавления воды, ее высокую теплоемкость и тот факт, что лед, имеющий упорядоченную структуру, менее плотный, чем жидкая вода.

• Аммиак ($NH_3$): Молекулы аммиака связаны друг с другом водородными связями, которые слабее, чем в воде, так как азот менее электроотрицателен, чем кислород.

• Спирты (например, этанол $C_2H_5OH$) и карбоновые кислоты (например, уксусная кислота $CH_3COOH$): Наличие гидроксильной группы $-OH$ позволяет этим веществам образовывать прочные водородные связи, что обуславливает их высокие температуры кипения и растворимость в воде. Карбоновые кислоты в жидкой фазе и в растворах часто существуют в виде димеров, связанных двумя водородными связями.

Внутримолекулярные водородные связи (образуются в пределах одной молекулы):

• Белки и нуклеиновые кислоты: Водородные связи играют ключевую роль в формировании и поддержании структуры биомолекул. В белках они стабилизируют вторичные структуры (α-спирали и β-листы). В ДНК две комплементарные цепи удерживаются вместе именно водородными связями между парами азотистых оснований (две связи между аденином и тимином, три — между гуанином и цитозином).

• Орто-нитрофенол: В этой молекуле водородная связь возникает между атомом водорода гидроксильной группы и атомом кислорода нитрогруппы, которые находятся в соседних положениях ароматического кольца.

Ответ: Водородная связь — это электростатическое притяжение между частично положительным атомом водорода ($H^{δ+}$), ковалентно связанным с атомом фтора, кислорода или азота, и неподеленной электронной парой другого такого же электроотрицательного атома. Она образуется при наличии в молекулах полярных групп $O-H$, $N-H$ или в соединении $H-F$. Примеры веществ с водородными связями: вода ($H_2O$), аммиак ($NH_3$), спирты, карбоновые кислоты, а также важнейшие биополимеры — белки и ДНК.