Przypomnijcie sobie: w jaki sposób tworzy się wiązanie kowalencyjne.
Definicja wiązania wodorowego
Dzięki polarności i budowie elektronowej molekuł wody między nimi tworzy się szczególny typ wiązania chemicznego - wodorowy. W odróżnieniu od już znanych wam typów wiązania chemicznego, wiązanie wodorowe jest międzymolekularne, czyli tworzy się między molekułami.
Przypomnijmy sobie budowę elektronową molekuły wody, którą zbadaliśmy jeszcze w 8 klasie: podczas tworzenia się molekuły wody między atomami tlenu i wodoru tworzą się dwie wspólne pary elektronowe, które warunkują wiązanie kowalencyjne w molekule wody. Przy czym w atomie tlenu jeszcze pozostają dwie niepodzielone pary elektronowe:
Te pary elektronowe tworzą podwyższoną gęstość elektronów wokół atomu tlenu i pozwalają na jego oddziaływanie z innymi cząsteczkami (jonami lub molekułami), które mają „deficyt” gęstości elektronowej. W molekule wody wiązanie pomiędzy atomami wodoru i tlenu jest bardzo spolaryzowane, czyli wspólne pary elektronowe znacznie są przesunięte w bok atomu tlenu. Dzięki temu atomy wodoru odczuwają „deficyt” elektronów i pojawia się pewien ładunek dodatni.
Tak więc, między atomem tlenu jednej molekuły wody i atomem wodoru innej molekuły dochodzi do dodatkowego oddziaływania:
Takie oddziaływanie nazywamy wiązaniem wodorowym i oznaczamy rzędem kropek (rys. 5.1). To wiązanie nie jest takie mocne, jak wiązanie kowalencyjne, ale wystarczające, żeby utrzymać molekuły wody razem w pewnej odległości.
Wiązanie wodorowe - to oddziaływanie atomu wodoru, połączone elektro-ujemnym atomem (tlenu, azotu lub fluoru), jednej molekuły ze znacznie bardziej elektroujemną molekułą innej molekuły.
Wpływ wiązania wodorowego na fizyczne właściwości substancji
W wodzie atom tlenu dzięki dwóm niepodzielnym parom elektronowym tworzy wiązania z atomami wodoru dwóch sąsiednich molekuł wody. Ze swojej strony atomy wodoru tej molekuły tworzą wiązania z atomami tlenu innych molekuł wody (rys. 5.2). W taki sposób każda molekuła wody może tworzyć po cztery wiązania wodorowe z innymi molekułami wody. To warunkuje specyficzne właściwości wody: w stanie stałym gęstość lodu jest mniejsza w porównaniu z ciekłą wodą, dlatego podczas zamarzania woda się rozszerza (rys. 5.3).
Dzięki dodatkowemu wiązaniu molekuł wiązaniami wodorowymi woda wykazuje pewne anomalie swoich właściwości fizycznych. Tak więc, substancje molekularne o niewielkich masach molekularnych charakteryzują się niskimi temperaturami wrzenia i topnienia. Ale dzięki wiązaniom wodorowym woda posiada nietypową wysoką temperaturę wrzenia
Pośród tych substancji woda ma najlżejsze molekuły, a temperatura wrzenia jest największa, ponieważ na niszczenie dodatkowego oddziaływania potrzebna jest dodatkowa energia (dodatkowe ogrzewanie).
Istnienie wiązań wodorowych warunkuje wielkie powierzchniowe napięcie wody, dzięki któremu wiele owadów może przemieszczać się po jej powierzchni.
Rys. 5.3. W wodzie w stanie ciekłym molekuły wody ułożone są w sposób nieuporządkowany i blisko siebie; w lodzie molekuły ułożone są w sposób uporządkowany i w większych odstępach, dlatego lód jest lżejszy od wody (a). Podczas zamarzania woda rozszerza się, w czego następstwie zamknięta butelka z wodą w zamrażalce pęka (£>)
Zdolnością tworzenia wiązań wodorowych z molekułami innych substancji, które również mogą tworzyć takie wiązania, objaśnia się dobrą rozpuszczalność wielu substancji w wodzie: spirytusu, cukru, acetonu, kwasu octowego itp.
Obecność dodatkowego wiązania molekuł wiązaniami wodorowymi również warunkuje nietypową wysoką pojemność cieplną wody: żeby przyśpieszyć ruch cieplny, molekułom trzeba dać o wiele więcej ciepła. Taka osobliwość wody ma wielkie znaczenie dla formowania klimatu na Ziemi. W pobliżu mórz i oceanów klimat jest łagodniejszy, niż w centrum kontynentów.
Wiązania wodorowe mogą nie tylko tworzyć molekuły wody, ale i molekuły innych substancji: nieorganiczynch (fluorowodór HF, amoniak NH3 itp.) oraz organicznych (alkoholu etylowego, acetonu, kwasu octowego itp.), co warunkuje ich dobrą rozpuszczalność w wodzie.
Dzięki wiązaniom wodorowym molekuły białek i kwasów nukleinowych mają budowę spiralną, o czym dowiecie się dokładnie na lekcjach biologii i chemii organicznej.
Myśl główna
Wiązanie wodorowe - to szczególny typ oddziaływań międzymolekularnych.
Obecność wiązać wodorowych warunkuje nietypowe właściwości fizyczne
wody, jak również rozpuszczalność wielu substancji.
Pytania kontrolne
54. Jakie wiązanie nazywamy wodorowym? Dzięki czemu się tworzy?
55. W jaki sposób obecność wiązania wodorowego wpływa na właściwości fizyczne wody?
56. Porównajcie przytoczone w tekście paragrafu masy molekularne związków i ich temperatury wrzenia. Jakie są fakty o obecności wiązania wodorowego między molekułami wody?
57. Jak uważacie, dlaczego możliwość tworzenia wiązania wodorowego wpływa na rozpuszczalność substancji i pojemność cieplną, i napięcie powierzchniowe wody?
Zadania utrwalające wiedzę
58*. Wykorzystując plastelinę lub inny materiał, wykonajcie modele molekuł wody i połączcie je wiązaniami wodorowymi, jak pokazano na ilustracji 5.2. W miarę możliwości proszę stworzyć model komupterowy.
59*. Proszę znaleźć informację o wpływie wiązań wodorowych na właściwości fizyczne substancji i ich rolę w systemach biologicznych.
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz