Ak sa pozriete na chronológiu štúdia chemickej vedy o schopnosti atómov rôznych prvkov navzájom interagovať, môžeme vyzdvihnúť polovicu 19. storočia. Vtedy vedci upozornili na skutočnosť, že vodíkové zlúčeniny kyslíka, fluóru, dusíka sa vyznačujú skupinou vlastností, ktoré možno nazvať anomálnymi.
Sú to predovšetkým veľmi vysoké body topenia a varu, napríklad pre vodu alebo fluorovodík, ktoré sú vyššie ako pre iné podobné zlúčeniny. V súčasnosti je už známe, že tieto vlastnosti týchto látok sú dané vlastnosťou atómov vodíka vytvárať nezvyčajný typ väzby s atómami prvkov, ktoré majú vysoký index elektronegativity. Nazvali to vodík. Vlastnosti väzby, špecifiká jej tvorby a príklady zlúčenín, ktoré ju obsahujú, sú hlavné body, na ktoré sa zameriame v našom článku.
Dôvod spojenia
Pôsobenie síl elektrostatickej príťažlivosti jefyzikálny základ pre vznik väčšiny typov chemických väzieb. Typy chemických väzieb, ktoré vznikli v dôsledku interakcie opačne nabitých atómových jadier jedného prvku a elektrónov iného prvku, sú dobre známe. Ide o kovalentné nepolárne a polárne väzby, charakteristické pre jednoduché a zložité zlúčeniny nekovových prvkov.
Napríklad medzi atómom fluóru, ktorý má najvyššiu elektronegativitu, a elektroneutrálnou časticou vodíka, ktorej jednoelektrónový oblak pôvodne patril iba atómu H, dochádza k posunu v hustote záporne nabitého náboja. Teraz samotný atóm vodíka možno právom nazvať protónom. Čo bude ďalej?
Elektrostatická interakcia
Elektrónový oblak atómu vodíka takmer úplne prechádza smerom k častici fluóru a získava nadbytočný záporný náboj. Medzi nahým, teda bez zápornej hustoty, atómom vodíka - protónom a iónom F- susednej molekuly fluorovodíka sa prejavuje sila elektrostatickej príťažlivosti. Vedie k vzniku medzimolekulových vodíkových väzieb. Vďaka svojmu výskytu môže niekoľko molekúl HF vytvárať stabilné asociácie naraz.
Hlavnou podmienkou pre vznik vodíkovej väzby je prítomnosť atómu chemického prvku s vysokou elektronegativitou a s ním interagujúceho vodíkového protónu. Tento typ interakcie je najvýraznejší v zlúčeninách kyslíka a fluóru (voda, fluorovodík), menej v látkach obsahujúcich dusík, ako je amoniak, a ešte menej v zlúčeninách síry a chlóru. Príklady vodíkových väzieb vytvorených medzi molekulami možno nájsť aj v organických látkach.
V alkoholoch medzi atómami kyslíka a vodíka funkčných hydroxylových skupín teda vznikajú aj elektrostatické príťažlivé sily. Preto už prví predstavitelia homologickej série - metanol a etylalkohol - sú kvapaliny, nie plyny, ako iné látky tohto zloženia a molekulovej hmotnosti.
Energetická charakteristika komunikácie
Porovnajme energetickú náročnosť kovalentných (40–100 kcal/mol) a vodíkových väzieb. Nasledujúce príklady potvrdzujú nasledujúce tvrdenie: vodíkový typ obsahuje iba 2 kcal/mol (medzi dimérmi amoniaku) až 10 kcal/mol energie v zlúčeninách fluóru. Ukazuje sa však, že to stačí na to, aby sa častice niektorých látok mohli viazať do asociátov: dimérov, tetra- a polymérnych skupín pozostávajúcich z mnohých molekúl.
Nachádzajú sa nielen v kvapalnej fáze zlúčeniny, ale môžu byť konzervované bez rozpadu, keď prechádzajú do plynného stavu. Preto vodíkové väzby, ktoré držia molekuly v skupinách, spôsobujú abnormálne vysoké teploty varu a topenia amoniaku, vody alebo fluorovodíka.
Ako sa spájajú molekuly vody
Anorganické aj organické látky majú niekoľko typov chemických väzieb. Chemická väzba, ktorá vzniká v procese vzájomného spájania polárnych častíc a nazýva sa intermolekulárny vodík, môže radikálne zmeniť fyzikálno-chemickécharakteristiky pripojenia. Dokážme toto tvrdenie zvážením vlastností vody. Molekuly H2O majú formu dipólov - častíc, ktorých póly nesú opačné náboje.
Susedné molekuly sú navzájom priťahované kladne nabitými vodíkovými protónmi a zápornými nábojmi atómu kyslíka. V dôsledku tohto procesu sa vytvárajú molekulárne komplexy - asociáty, čo vedie k výskytu abnormálne vysokých bodov varu a topenia, vysokej tepelnej kapacity a tepelnej vodivosti zlúčeniny.
Jedinečné vlastnosti vody
Prítomnosť vodíkových väzieb medzi časticami H2O je zodpovedná za mnohé z jeho životne dôležitých vlastností. Voda zabezpečuje najdôležitejšie metabolické reakcie – hydrolýzu uhľohydrátov, bielkovín a tukov vyskytujúcich sa v bunke – a je rozpúšťadlom. Takáto voda, ktorá je súčasťou cytoplazmy alebo medzibunkovej tekutiny, sa nazýva voľná. Vďaka vodíkovým väzbám medzi molekulami vytvára okolo proteínov a glykoproteínov hydratačné obaly, ktoré zabraňujú zlepovaniu medzi polymérnymi makromolekulami.
V tomto prípade sa voda nazýva štruktúrovaná. Príklady vodíkovej väzby, ktorá sa vyskytuje medzi časticami H2O, ktoré sme uviedli, dokazujú jej vedúcu úlohu pri tvorbe základných fyzikálnych a chemických vlastností organických látok - bielkovín a polysacharidov, v procesoch asimilácie a disimilácie vyskytujúcich sa v živých organizmoch.systémoch, ako aj pri zabezpečovaní ich tepelnej rovnováhy.
Intramolekulárna vodíková väzba
Kyselina salicylová patrí medzi známe a dlhodobo používané lieky s protizápalovými, hojivými ranami a antimikrobiálnymi účinkami. Samotná kyselina, brómderiváty fenolu, organické komplexné zlúčeniny sú schopné tvoriť intramolekulárnu vodíkovú väzbu. Nižšie uvedené príklady ukazujú mechanizmus jeho vzniku. Takže v priestorovej konfigurácii molekuly kyseliny salicylovej je možný prístup atómu kyslíka karbonylovej skupiny a vodíkového protónu hydroxylového radikálu.
V dôsledku väčšej elektronegativity atómu kyslíka elektrón častice vodíka takmer úplne spadá pod vplyv kyslíkového jadra. Vo vnútri molekuly kyseliny salicylovej vzniká vodíková väzba, ktorá zvyšuje kyslosť roztoku v dôsledku zvýšenia koncentrácie vodíkových iónov v ňom.
V súhrne môžeme povedať, že tento typ interakcie medzi atómami sa prejavuje, ak skupina donoru (častica, ktorá daruje elektrón) a atóm akceptora, ktorý ho prijíma, sú súčasťou tej istej molekuly.
