Электрический диполь, дипольный момент, полярность связи, полярность молекулы

 

Сколько валентных электронов атома кислорода принимает участие в образовании связей в молекуле воды?

2.При перекрывании каких орбиталей образуются связи между водородом и кислородом в молекуле воды?

3.Составьте схему образования связей в молекуле пероксида водорода H₂O₂. Что вы можете сказать о пространственном строении этой молекулы?

4.Межатомные расстояния в молекулах HF, HCl и HBr равны, соответственно, 0,92; 1,28 и 1,41

. Используя таблицу дипольных моментов, рассчитайте и сравните между собой частичные заряды на атомах водорода в этих молекулах.

5.Межатомные расстояния S – H в молекуле сероводорода равны 1,34

, а угол между связями 92°. Определите значения частичных зарядов на атомах серы и водорода. Что вы можете сказать о гибридизации валентных орбиталей атома серы?

10.4. Водородная связь  

Как вы уже знаете, из-за существенной разницы в электроотрицательности водорода и кислорода (2,10 и 3,50) у атома водорода в молекуле воды возникает большой положительный частичный заряд (q _ч = 0,33 е), а у атома кислорода – еще больший отрицательный частичный заряд (q _ч = –0,66 е). Вспомним также, что у атома кислорода есть две неподеленные пары электронов на sp ³-гибридных АО. Атом водорода одной молекулы воды притягивается к атому кислорода другой молекулы, и, кроме того, полупустая 1s-АО атома водорода частично акцептирует пару электронов атома кислорода. В результате этих взаимодействий между молекулами возникает особый вид межмолекулярных связей –водородная связь.

В случае воды образование водородной связи может быть схематически представлено следующим образом:

 

 

В последней структурной формуле тремя точками (пунктирный штрих, а не электроны!) показана водородная связь.

 

Водородная связь – межмолекулярная связь, образованная за счет частичного акцептирования неподеленной пары электронов атома не связанным с ним химической связью атомом водорода.

Водородная связь существует не только между молекулами воды. Она образуется, если соблюдаются два условия:

1) в молекуле есть сильно полярная связь Н–Э (Э – символ атома достаточно электроотрицательного элемента),

2) в молекуле есть атом Э с большим отрицательным частичным зарядом и неподеленной парой электронов.

В качестве элемента Э может быть фтор, кислород и азот. Существенно слабее водородные связи, если Э – хлор или сера.

Примеры веществ с водородной связью между молекулами: фтороводород, твердый или жидкий аммиак, этиловый спирт и многие другие.

 

 

В жидком фтороводороде его молекулы связаны водородными связями в довольно длинные цепи, а в жидком и твердом аммиаке образуются трехмерные сетки.

По прочности водородная связь – промежуточная между химической связью и остальными видами межмолекулярных связей. Молярная энергия водородной связи обычно лежит в пределах от 5 до 50 кДж/моль.

В твердой воде (то есть в кристаллах льда) все атомы водорода связаны водородными связями с атомами кислорода, при этом каждый атом кислорода образует по две водородные связи (используя обе неподеленные пары электронов). Такая структура делает лед более " рыхлым"по сравнению с жидкой водой, где часть водородных связей оказывается разорванной, и молекулы получают возможность несколько плотнее " упаковаться". Эта особенность структуры льда объясняет, почему, в отличие от большинства других веществ, вода в твердом состоянии имеет меньшую плотность, чем в жидком. Максимальной плотности вода достигает при 4 °С –при этой температуре рвется достаточно много водородных связей, а тепловое расширение еще не очень сильно сказывается на плотности.

Водородные связи имеют очень большое значение в нашей жизни. Представим себе на минуту, что водородные связи перестали образовываться. Вот некоторые последствия:

* вода при комнатной температуре стала бы газообразной, так как ее температура кипения понизилась бы до примерно –80 °С;

* все водоемы стали бы промерзать со дна, так как плотность льда была бы больше плотности жидкой воды;

* перестала бы существовать двойная спираль ДНК и многое другое.

Приведенных примеров достаточно, чтобы понять, что в этом случае природа на нашей планете стала бы совсем иной.

 

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ, УСЛОВИЯ ЕЕ ОБРАЗОВАНИЯ.  

 

Формула этилового спирта СН₃–СН₂–О–Н. Между какими атомами разных молекул этого вещества образуются водородные связи? Составьте структурные формулы, иллюстрирующие их образование.

2.Водородные связи существуют не только в индивидуальных веществах, но и в растворах. Покажите с помощью структурных формул, как образуются водородные связи в водном растворе а) аммиака, б) фтороводорода, в) этанола (этилового спирта).

10.5. Автопротолиз воды  

Наличие водородных связей в жидкой воде объясняет еще одно интересное и важное свойство этого вещества – ее автопротолиз.

Рассмотрим, что происходит с двумя молекулами воды, связанными водородной связью.

За счет тепловых колебаний атом водорода, образующий водородную связь, может на мгновение занять промежуточное положение между атомами кислорода. Из частицы с таким атомом водорода с равной вероятностью могут образоваться как исходные молекулы воды, связанные водородными связями, так и два иона: гидроксид-ион и ион оксония:

 

 

То есть, в воде протекает реакция 2Н₂О = Н₃О

 + ОН

.

Также легко происходит и обратный процесс – образование двух молекул воды при столкновении иона оксония с гидроксид-ионом: Н₃О

+ ОН

= 2Н₂О.

Обе эти реакции протекают в воде постоянно и с равной скоростью, следовательно, в воде существует равновесие: 2Н₂О AН₃О

+ ОН

.

Это равновесие называется равновесием автопротолиза  воды.

 

Автопротолиз – обратимый процесс образования равного числа катионов и анионов из незаряженных молекул жидкого индивидуального вещества за счет передачи протона от одной молекулы к другой.

Прямая реакция этого обратимого процесса эндотермична, поэтому при нагревании автопротолиз усиливается, при комнатной же температуре равновесие сдвинуто влево, то есть концентрация ионов Н₃О

 и ОН

 ничтожны. Чему же они равны?

По закону действующих масс

 

 

Но из-за того, что число прореагировавших молекул воды по сравнению с общим числом молекул воды незначительно, можно считать, что концентрация воды при автопротолизе практически не изменяется, и [H₂O]² = const. Тогда

[H₃O

][OH

] = K _C· [H₂O]².

Произведение K _C· [H₂O]² – величина постоянная. Она называется константой автопротолиза  воды (устаревшее название – ионное произведение  воды) и обозначается

или К (Н₂О).

 

= [H3O ][OH ]

Как и константа равновесия, константа автопротолиза воды зависит от температуры. Экспериментально установлено, что при 25 °С константа автопротолиза воды

 

= 10^–14 моль²/л².

Отсюда следует, что при этих условиях в чистой воде

    с (Н₃О

) = с (ОН

 ) = 10^–7 моль/л.

При увеличении температуры значение константы автопротолиза воды несколько возрастает.

Такая низкая концентрация разноименно заряженных ионов в чистой воде объясняет, почему эта жидкость, хоть и плохо, но все же проводит электрический ток.