Czego dotyczą pytania we wprowadzeniu? Wiązania wodorowego – czyli oddziaływania międzycząsteczkowego, które zachodzi pomiędzy atomem wodoru o cząstkowym ładunku dodatnim a wolną parą elektronową silnie elektroujemnych atomów, takich jak azot, tlen czy fluor, które charakteryzują się małym promieniem atomowym. Mogą one występować pomiędzy cząsteczkami związków tego samego rodzaju, jak i różnych. Oznacza się je kropkami i są znacznie dłuższe (mogą osiągać nawet $3$ $\mathrm{\AA }$) niż typowe wiązanie kowalencyjne (ok $1$ $\mathrm{\AA }$).

W cząsteczkach wody ${\text{H}}_2\text{O}$, posiadających wiązanie kowalencyjne spolaryzowanewiązanie kowalencyjne spolaryzowane (wiązanie atomowe spolaryzowane)wiązanie kowalencyjne spolaryzowane, silnie elektroujemny atom tlenu powoduje wytworzenie cząstkowego ładunku dodatniego na atomie wodoru. Dodatnio naładowany atom wodoru jest silnie przyciągany przez wolne pary elektronowe na atomach tlenu w sąsiednich cząsteczkach wody, w skutek czego tworzy się wiązanie wodorowe. Siła takiego wiązania jest największa wówczas, gdy znajduje się ono na linii prostej łączącej dwa atomy tlenu (w sąsiednich cząsteczkach). Wiązania te wpływają na specyficzne właściwości wody, które warunkują istnienie życia na Ziemi: wysoką temperaturę topnienia i wrzenia (wyższą, niż wskazuje masa molowa), mniejszą gęstość lodu od wody oraz dużą pojemność cieplną.

RWSWi607wnJqw

Na ilustracji przedstawiono asocjacje cząsteczek wody. Cząsteczki wody ukazano schematycznie w postaci połączonych ze sobą kul. Liniami przerywanymi zaznaczono oddziaływania między atomami tlenu a wodoru. Atom tlenu oddziałuje z atomem wodoru sąsiedniej cząsteczki. Każda cząsteczka wody oddziałuje z trzema innymi cząsteczkami wody. Cząsteczki, łącząc się, tworzą sześciokąty.

RiZYMy6B0eZOV

Struktura kryształu lodu – linią przerywaną oznaczono wiązania wodorowe. Model przedstawia czerwone kulki połączone z białymi kulkami.

Porównując do innych oddziaływań międzycząsteczkowych, takich jak oddziaływania typu dipol–dipol czy oddziaływania Londona, oddziaływanie to jest najsilniejsze i jego energia mieści się w granicach $10-40$ $\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$ (choć jest ok. $10$ razy słabsze od wiązania kowalencyjnego).

Tworzenie wiązań wodorowych warunkuje specyficzne właściwości substancji. Dla związków wodoru z pierwiastkami bloku $p$ w układzie okresowym pierwiastków temperatury wrzenia wzrastają w grupach wraz ze wzrostem masy molowej. Jednak trzy związki, tj. woda, amoniak i fluorowodór, wykazują pewne anomalie – ich temperatury wrzenia są zdecydowanie wyższe, co świadczy o silnych oddziaływaniach międzycząsteczkowych, których nie obserwuje się dla pozostałych związków.

RHxPnYU5piC11

Ilustracja przedstawia schematyczne porównanie temperatur wrzenia związków wodoru z pierwiastkami bloku $p$. Związki wodoru z pierwiastkami grupy szesnastej mają najwyższe temperatury wrzenia. Woda ma temperaturę wrzenia wyższą niż pozostałe związki tej grupy i jest to jedyna temperatura dodatnia. Wszystkie związki z pierwiastkami grup: czternastej, piętnastej i siedemnastej mają ujemne temperatury wrzenia, a różnice w jej wartościach są nieznaczne.

Ciekawostka

Wiązania wodorowe są niezwykle ważnymi oddziaływaniami, dzięki którym drzewa rosną pionowo. Oczywiście wynika to przede wszystkim z tego, że kierują się w stronę słońca, ale wiązania wodorowe im to umożliwiają. W jaki sposób? Otóż głównym składnikiem budulcowym drewna jest celuloza. Jest ona liniowym polisacharydem, zbudowanym z cząsteczek $D$–glukopiranozy ($3000-14000$), który zawiera liczne grupy $—\text{OH}$. Te cząsteczki oddziałują ze sobą, tworząc wiązania wodorowe i wzmacniając tym samym strukturę drewna, co umożliwia drzewom wzrost w kierunku usytuowanego nad nimi słońca. Właściwość ta wykorzystywana jest również przy produkcji klejów do drewna i papieru, bowiem zawierają one substancje, które umożliwiają tworzenie wiązań wodorowych.

RDh6mmKSVl5pJ

Na ilustracji przedstawiono fragment łańcucha celulozy. Połączone wiązaniem glikozydowym cząsteczki D-glukozy tworzą sztywny, liniowy łańcuch.

Wyróżnia się dwa typy wiązań wodorowych:

• wiązanie pomiędzy dwoma takimi samymi cząsteczkami: stanowi ono symetryczne wiązanie wodorowe, które jest tworzone z atomem wodoru, umieszczonym pomiędzy dwoma takimi samymi atomami ($\mathrm{A}$) (takiej samej cząsteczki) o tej samej elektroujemności ($\text{A}—\text{H}\cdots \text{A}$). Energia potencjalna dla tego typu wiązania przyjmuje postać krzywej ($\mathrm{c}$) i posiada dwa równoważne minima dla protonu, odseparowane przez płaskie maksimum. Proton zlokalizowany jest w jednym z nich, lecz na skutek dostarczenia energii może zmieniać swoje położenie.

  Na skutek zmniejszenia odległości między atomami zwiększa się siła wiązania i wówczas krzywa może przyjąć postać krzywej ($\mathrm{d}$) – jest to najkrótsze wiązanie wodorowe.

• wiązanie pomiędzy dwoma różnymi cząsteczkami: to asymetryczne wiązanie wodorowe, które jest najdłuższym możliwym wiązaniem wodorowym. Tworzy się ono w atomie wodoru, umieszczonym pomiędzy dwoma różnymi atomami ($\mathrm{A}$ i $\mathrm{B}$) o różnej elektroujemności ($\text{A}—\text{H}\cdots \text{B}$). Energia potencjalna dla tego typu wiązania przyjmuje postać krzywej ($\mathrm{a}$), która jest niesymetryczna i posiada dwa nierównoważne minima dla protonu, który znajduje się w głębszym minimum.

  Dostarczenie energii może spowodować zmianę położenia protonu, co uzależnione jest od wysokości bariery potencjału oraz od temperatury – wówczas może się ona stać bardziej symetryczna ($\mathrm{b}$).

W zależności od położenia wodoru w wiązaniu wodorowym, energię potencjalną wiązań charakteryzują poniższe krzywe:

Słownik

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna Cząsteczki materia reakcje, Warszawa 2004.

http://www.malecki.chemia.us.edu.pl/wiazania-chemiczne/wiazania-wodorowe [dostęp 12.01.2020]