Водородная связь

Межмолекулярное взаимодействие. Слабые взаимодействия между нейтральными молекулами, проявляющиеся на расстояниях, превосходящих размеры частиц, называются силами Ван-дер-Ваальса. В их основе лежит электростатическое взаимодействие молекулярных диполей. Энергия вандерваальсовых сил на 1–2 порядка ниже энергии химических связей. В зависимости от природы молекул выделяют три составляющие вандерваальсовых сил: ориентационную (диполь-дипольное, ион-дипольное взаимодействие), индукционную (диполь – неполярная молекула, ион – неполярная молекула) и дисперсионную (между неполярными молекулами).

Ориентационное взаимодействие проявляется между полярными молекулами, стремящимися занять такое положение, при котором их диполи были бы обращены друг к другу разноименными полюсами, вследствие чего наблюдается их взаимное притяжение.

Диполи могут воздействовать на неполярные молекулы, превращая их в индуцированные (наведенные) диполи.Между постоянными и наведенными диполями возникает притяжение. Такое взаимодействие называется индукционным.

Дисперсионное взаимодействие возникает в результате взаимодействия микродиполей, образующихся за счет мгновенных смещений положительных и отрицательных зарядов в молекулах при движении электронов и колебании ядер. Дисперсионные силы действуют между любыми частицами. Для неполярных молекул дисперсионное взаимодействие является единственной составляющей вандерваальсовых сил (это, например, He, Ar, H₂, N₂ и др.).

Водородная связь. Химическая связь, образованная положительно поляризованным атомом водорода молекулы и электроотрицательным атомом другой или той же молекулы, называется водородной связью. Водородная связь между молекулами обозначается точками: Н–F…H–F. Если водородная связь образуется между разными молекулами, она называется межмолекулярной (например, между молекулами фтороводорода, воды и др.), если связь образуется между двумя группами одной и той же молекулы, то она называется внутримолекулярной (например, в салициловом альдегиде, нитрофеноле).

Энергия водородной связи возрастает с увеличением электроотрицательности и уменьшением размеров электроотрицательных атомов. Поэтому наиболее прочные водородные связи возникают между атомами водорода и фтора, кислорода или азота. Энергия водородной связи имеет промежуточное значение между энергиями ковалентной связи и вандерваальсовых сил. Этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул, т. е. их объединение в димеры или полимеры.

Образование межмолекулярных водородных связей приводит к существенному изменению свойств веществ: повышению температур плавления и кипения, повышению вязкости, диэлектрической постоянной и др. Именно благодаря водородным связям вода имеет целый ряд аномальных свойств (высокая температура кипения, увеличение плотности при плавлении и др.), которым обязано само существование жизни на Земле. В белках, нуклеиновых кислотах и других органических соединениях, имеющих большое биологическое значение, водородная связь обеспечивает поперечное сшивание цепочечных молекул.

Образование водородных связей между молекулами и осуществление межмолекулярных взаимодействий возможно в случае пространственного соответствия структур двух молекул, т. е. комплементарности.