Номер 3, страница 89 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 2. Химическая связь и строение вещества. Параграф 12. Межмолекулярные взаимодействия - номер 3, страница 89.

Условие.

3. Какое влияние оказывает водородная связь на свойства вещества? Какую роль она играет в природе?

Решение.

Решение 2.

Влияние водородной связи на свойства вещества

Водородная связь — это вид межмолекулярного или внутримолекулярного взаимодействия, который значительно сильнее обычных ван-дер-ваальсовых сил, но слабее ковалентных и ионных связей. Она возникает между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы (или её части) и отрицательно поляризованным атомом сильно электроотрицательного элемента (как правило, фтора $\text{F}$, кислорода $\text{O}$ или азота $\text{N}$) другой молекулы (или её части). Это взаимодействие оказывает существенное влияние на физические свойства веществ.

• Аномально высокие температуры кипения и плавления. Вещества, молекулы которых способны образовывать водородные связи (например, вода $H_2O$, аммиак $NH_3$, фтороводород $\text{HF}$), имеют гораздо более высокие температуры кипения и плавления по сравнению с соединениями с близкой молярной массой, но не образующими таких связей (например, сероводород $H_2S$, метан $CH_4$). Это объясняется тем, что для разрыва прочных водородных связей и перевода вещества в газообразное или жидкое состояние требуется дополнительная энергия.
• Растворимость. Вещества, способные образовывать водородные связи, как правило, хорошо растворяются в полярных растворителях, также образующих водородные связи (согласно принципу "подобное растворяется в подобном"). Например, этиловый спирт ($C_2H_5OH$) и глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) хорошо растворяются в воде, так как их молекулы могут формировать водородные связи с молекулами воды.
• Плотность. Наиболее известный пример — аномалия плотности воды. В твёрдом состоянии (лёд) молекулы $H_2O$ за счёт водородных связей образуют упорядоченную, ажурную кристаллическую решётку. Эта структура менее плотная, чем у жидкой воды при $4^\circ C$, где связи постоянно рвутся и образуются вновь, позволяя молекулам располагаться ближе друг к другу. Поэтому лёд плавает на поверхности воды.
• Вязкость и поверхностное натяжение. Наличие разветвлённой сети водородных связей между молекулами приводит к увеличению сил сцепления между ними. Это, в свою очередь, является причиной высокой вязкости (например, у глицерина, серной кислоты) и высокого поверхностного натяжения (например, у воды).
• Теплоёмкость. Вода обладает аномально высокой удельной теплоёмкостью. Это связано с тем, что значительная часть подводимой тепловой энергии расходуется не на увеличение кинетической энергии молекул (то есть, на нагрев), а на разрыв многочисленных водородных связей.

Ответ: Водородная связь приводит к аномально высоким температурам кипения и плавления, увеличивает растворимость веществ в полярных растворителях, является причиной уникальных свойств воды (плотность льда меньше плотности жидкой воды, высокая теплоёмкость и поверхностное натяжение) и повышает вязкость жидкостей.

Роль водородной связи в природе

Водородная связь играет фундаментальную роль в процессах, происходящих в живой и неживой природе.

• Основа жизни на Земле. Уникальные свойства воды, обусловленные водородными связями, делают её идеальной средой для жизни. Как универсальный растворитель, она обеспечивает протекание биохимических реакций. Высокая теплоёмкость воды помогает регулировать климат на планете и поддерживать стабильную температуру тела у живых организмов. Плотность льда, которая меньше плотности воды, защищает водоёмы от полного промерзания зимой, сохраняя жизнь их обитателям.
• Структура биополимеров. Водородные связи играют ключевую роль в формировании и поддержании пространственной структуры важнейших биологических макромолекул, что напрямую определяет их функции:
  • ДНК: Две цепи двойной спирали ДНК соединены водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями (две связи между аденином и тимином, три — между гуанином и цитозином). Эти связи достаточно прочны, чтобы обеспечить стабильность хранения генетической информации, но и достаточно слабы, чтобы позволить цепям расплетаться для процессов репликации и транскрипции.
  • Белки: Вторичная структура белков (α-спирали и β-складчатые листы) формируется и стабилизируется благодаря водородным связям между пептидными группами полипептидной цепи. Водородные связи также участвуют в формировании третичной и четвертичной структур, определяющих уникальную биологическую активность каждого белка.
• Мир растений и материалов. Прочность и жёсткость растительных тканей, в частности древесины, во многом обусловлена водородными связями между параллельными цепями целлюлозы. Капиллярный эффект, благодаря которому вода и растворённые в ней вещества поднимаются по сосудам растений (ксилеме), также является следствием сил поверхностного натяжения воды, вызванных водородными связями.

Ответ: В природе водородная связь определяет уникальные физико-химические свойства воды, которые делают возможным существование жизни. Она также лежит в основе формирования пространственной структуры и функционирования ключевых биомолекул (ДНК, белки) и обеспечивает механическую прочность многих природных материалов, таких как древесина.