Номер 3, страница 263 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 56. Межмолекулярные взаимодействия. Глава 5. Строение вещества - номер 3, страница 263.

Условие.

3. Можно ли утверждать, что водородная связь обладает направленностью и насыщаемостью? Объясните.

Решение.

Решение 2.

2. Водородная связь в пероксиде водорода ($H_2O_2$) прочнее, чем в воде ($H_2O$), из-за большей полярности связи $O-H$ в молекуле $H_2O_2$.

В молекуле пероксида водорода два атома кислорода связаны друг с другом. Кислород является очень электроотрицательным элементом. Когда два атома кислорода соединены, они оказывают друг на друга сильный отрицательный индуктивный эффект ($-I$-эффект), оттягивая электронную плотность.

Этот взаимный отвод электронной плотности приводит к тому, что каждый атом кислорода в $H_2O_2$ становится более электронодефицитным, чем атом кислорода в воде, где он связан только с менее электроотрицательными атомами водорода. В результате, атом кислорода в $H_2O_2$ сильнее смещает к себе электронную плотность от связанного с ним атома водорода. Это увеличивает частичный положительный заряд ($ \delta+ $) на атоме водорода в группе $O-H$ пероксида по сравнению с водой.

Поскольку водородная связь по своей природе в значительной степени является электростатическим взаимодействием между частично положительно заряженным атомом водорода (донором) и неподеленной электронной парой другого электроотрицательного атома (акцептором), более высокий заряд $ \delta+ $ на водороде в $H_2O_2$ приводит к более сильному притяжению и, следовательно, к более прочной водородной связи.

Ответ: Водородная связь в $H_2O_2$ прочнее, чем в $H_2O$, потому что из-за взаимного индуктивного эффекта двух атомов кислорода связь $O-H$ в пероксиде водорода более полярна, что ведёт к более сильному электростатическому притяжению между молекулами.

3. Да, можно утверждать, что водородная связь обладает и направленностью, и насыщаемостью. Это ее фундаментальные свойства, отличающие ее от других типов межмолекулярных взаимодействий.

Направленность

Водородная связь является направленной. Это означает, что для максимальной прочности связи атомы, участвующие в ней, должны быть расположены в пространстве определенным образом. Связь вида $A-H \cdots B$ (где $A$ и $B$ – электроотрицательные атомы) является наиболее прочной, когда все три атома ($A$, $H$ и $B$) лежат на одной прямой, то есть валентный угол $ \angle AHB $ близок к $180^\circ$.

Эта направленность обусловлена не только электростатическим взаимодействием, но и наличием донорно-акцепторного (частично ковалентного) вклада. Он возникает за счет перекрывания орбитали неподеленной электронной пары атома-акцептора $B$ и разрыхляющей $\sigma^*$-орбитали связи $A-H$. Такое перекрывание максимально именно при линейном расположении атомов. Именно направленность водородных связей определяет, например, упорядоченную кристаллическую структуру льда.

Насыщаемость

Водородная связь обладает свойством насыщаемости. Это означает, что одна молекула может образовывать лишь ограниченное, конечное число водородных связей. Это число определяется количеством донорных протонов (атомов водорода, связанных с электроотрицательным атомом) и количеством акцепторных центров (неподеленных электронных пар у электроотрицательного атома).

Классическим примером является молекула воды ($H_2O$). Атом кислорода имеет две неподеленные электронные пары и связан с двумя атомами водорода. Таким образом, каждая молекула воды может выступать в роли донора двух водородных связей (через свои атомы $H$) и акцептора двух водородных связей (через неподеленные пары атома $O$). Следовательно, одна молекула воды может участвовать максимум в четырех водородных связях. Это свойство отличает водородную связь от ненаправленных и ненасыщаемых ионных связей, где ион притягивает столько противоположно заряженных ионов, сколько может поместиться в его координационной сфере.

Ответ: Да, водородная связь обладает как направленностью (максимальная прочность достигается при линейном расположении атомов донора, водорода и акцептора), так и насыщаемостью (каждая молекула может образовать ограниченное число связей, определяемое числом донорных и акцепторных центров).