Кристаллы с водородными связями

Атом водорода имеет только один электрон, который позволяет вступать ему в соединение только с одним атомом. Однако при некоторых условиях атом водорода может быть связан силами притяжения одновременно с двумя атомами, образуя тем самым водородную связь. Энергия такой связи составляет ~ 0,1 эВ.

Для возникновения водородной связи нужно, чтобы в молекуле был один или несколько атомов водорода, связанных с небольшими, но электроотрицательными атомами, например: O, N, F. Важно, чтобы у этих электроотрицательных атомов были неподеленные электронные пары. Поэтому водородные связи характерны для таких веществ, как вода H₂O, аммиак NH₃, фтороводород HF.

В предельном случае, когда водородная связь носит чисто ионный характер, атом водорода теряет свой единственный электрон и, отдавая его одному из атомов, превращается в протон, который и осуществляет связь между атомами. Малые размеры протона не позволяют ему иметь ближайшими соседями более двух атомов (рис.2.7).

Рис.2.7. Водородная связь в кристалле HF

Водородная связь О – Н в воде (на рис.2.8 она обозначена пунктиром) возникает при взаимодействии обедненного электронами атома водорода с зарядом одной молекулы воды с неподеленной электронной парой атома кислорода с зарядом другой молекулы воды.

Рис.2.8. Водородная связь между молекулами воды: длина водородной связи ~0,276 нм

Водородные связи примерно на порядок менее прочные, чем ковалентные, но именно они заставляют воду быть жидкостью или льдом (а не газом) в обычных условиях. Водородные связи разрушаются только тогда, когда жидкая вода переходит в пар.

Совершенно уникально влияние водородных связей на структуру и свойства воды и некоторых других веществ. Например, в отсутствие водородных связей вода кипела бы при –80^o С и, разумеется, наша форма жизни была бы невозможна.

При температурах выше 0°С (но ниже температуры кипения) вода уже не имеет такую упорядоченную межмолекулярную структуру, как показано на рис.2.8. Поэтому в жидкой воде молекулы связаны между собой лишь в отдельные агрегаты из нескольких молекул. Эти агрегаты могут свободно перемещаться, образуя подвижную жидкость. Но при понижении температуры упорядоченность увеличивается, а агрегаты – укрупняются. Наконец, образуется лед, который имеет именно такую упорядоченную структуру, которая показана на рис.2.9.

Рис.2.9. Схема структуры льда. Четыре водородных связи для каждого атома кислорода (большие кружки) направлены вдоль ребер тетраэдра. Каждый протон (маленькие кружочки) удален от атома кислорода в своей молекуле на 0,101 нм и на 0,175 нм от атома кислорода соседней молекулы

В кристалле льда между молекулами остаются пустоты. Объем этих пустот больше, чем размер отдельной молекулы Н₂О. Поэтому лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода и плавает на поверхности воды. Большинство же других веществ при замерзании увеличивает свою плотность.

Диэлектрические свойства воды и льда обусловлены возможностью вращения молекул и перескока пары протонов в новые позиции, что определяет новые водородные связи. Молекулы в кристалле льда могут занимать множество позиций, из которых равновесная определяется температурой и давлением; известно много структурных модификаций льда при высоких давлениях.

Еще одно проявление водородных связей – голубой цвет чистой воды в ее толще. Когда одна молекула воды колеблется, она заставляет колебаться и связанные с ней водородной связью другие молекулы. На возбуждение этих колебаний расходуются красные лучи солнечного спектра, как наиболее подходящие по энергии. Таким образом, из солнечного спектра "отфильтровываются" красные лучи – их энергия поглощается и рассеивается колеблющимися молекулами воды в виде тепла.

Водородные связи играют важную роль при полимеризации химических соединений таких, как , и . Они существенны и в таких кристаллах, как дигидрофосфат калия , обуславливая их сегнетоэлектрические свойства.