Водородная связь. 
Общая и неорганическая химия

Водородная связь — это связь между положительно поляризованным атомом водорода одной молекулы и атомом, обладающим высокой электроотрицательностью и имеющим свободную пару электронов (например F, О, N) другой или той же молекулы. Водородная связь имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер и обладает направленностью и насыщаемостью. Она образуется за счет диполь-диполыюго взаимодействия, а также перекрывания орбиталей атомов с высокой электроотрицательиостыо, содержащих свободные пары электронов, с вакантными орбиталями другого атома. Если водородная связь образуется между атомами разных молекул, она называется межмолекулярной _у а если между атомами одной молекулы — внутримолекулярной. В графическом виде водородная связь изображается тремя точками.

• 3.5. Водородная связь
• 107

Циклические структуры встречаются в органических молекулах, повышая температуру кипения веществ.

Энергия водородной связи возрастает с увеличением электроотрицательности и уменьшением размера отрицательно поляризованного атома. Поэтому наиболее прочные водородные связи между атомами возникают, когда в качестве последних выступают атомы F, О или N. Энергия водородной связи (кДж/моль) уменьшается в ряду:

При возникновении водородных связей образуются димеры, тримеры, полимерные, кольцевые и более сложные структуры. Соседство электроотрицательных атомов может также активировать образование водородных связей у атомов СН-групп (хотя электроотрицательности углерода и водорода почти одинаковы). Этим объясняется возникновение водородных связей между молекулами в жидких IICN, CF₃H и др.

Аномальные свойства HF в водном растворе объясняются повышенной склонностью фтороводорода к полимеризации. Даже при Т_кип безводный фтороводород в парах полностью димеризован (HF)₂. С понижением температуры степень полимеризации возрастает, а при температуре кипения фтороводород находится в виде (HF)_r По способности полимеризоваться HF напоминает воду, которая в конденсированной фазе существует в виде ассоциатов (Н₂0)_п.

Благодаря водородным связям фтороводородная (плавиковая) кислота, в отличие от ее аналогов НС1, НВг и HI, не является сильной кислотой и образует соли типа NaHF₂, KHF₂, в которых имеется ион FHF .

Несмотря на высокую электроотрицателыюсть у хлора, водородная связь — H—-CI — относительно слабая из-за большого размера атома хлора. Поэтому водный раствор хлороводорода (хлороводородная или соляная кислота) является сильной кислотой и сильным электролитом.

Энергия водородной связи имеет промежуточное значение между энергией ковалентной связи и энергией вандерваальсовых сил.

Наиболее удобным индикатором наличия водородной связи является температура кипения, так как ее легко измерить. В рядах сходных соединений температуры кипения и теплоты парообразования обычно увеличиваются с ростом молярной массы. Однако при переходе от HF к НС1, от 11₇() к H₂S и от NII. j к РН₃ эти параметры наоборот резко уменьшаются (рис. 3.23), что свидетельствует об образовании между молекулами HF, Н₂0 и NH., сильных водородных связей.

Рис. 3.23. Влияние водородных связей на температуру кипения соединений неметаллов с водородом.

Рис. 3.24. Водородные связи между молекулами воды в структуре льда.

Важную роль водородные связи играют в структуре воды и льда. На рис. 3.24 показан фрагмент структуры льда. Каждый атом кислорода в этой структуре тетраэдрически связан с четырьмя другими атомами кислорода. Между ними располагаются атомы водорода, два из которых соединены с атомом кислорода полярной ковалентной связью, два других — водородной связью, т. е. входят в состав двух других молекул воды. При этом создается ажурная структура, далекая от плотной упаковки. Поэтому плотность льда меньше плотности воды, так как при его плавлении водородные связи частично разрушаются (примерно на 10%), приводя к некоторому сближению молекул воды. Дальнейшее нагревание воды, с одной стороны, приводит к ее расширению, т. е. увеличению объема, а с другой — вызывает дальнейшее разрушение водородных связей и тем самым уменьшение объема. В результате зависимость плотности воды от температуры имеет максимум при 4 °C.