§ 36. Водневий зв’язок

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Чому молекули певних речовин є полярними?

Молекули певних речовин є полярними, оскільки вони складаються з атомів різних хімічних елементів, що мають різну електронегативність. У таких молекулах спільна електронна пара зміщується до атома з більшою електронегативністю. Внаслідок цього на різних полюсах молекули виникають часткові електричні заряди: негативний ($\delta-$) біля більш електронегативного атома та позитивний ($\delta+$) біля менш електронегативного.

Який вид хімічного зв’язку називають водневим зв’язком?

Водневим зв’язком називають електростатичну взаємодію між молекулами за участю атомів Гідрогену (що мають частковий позитивний заряд) і атомів найбільш електронегативних елементів (таких як Оксиген, Флуор або Нітроген), що мають вільні електронні пари та частковий негативний заряд.

Чому вода має аномальні фізичні властивості?

Вода має аномальні фізичні властивості завдяки утворенню водневих зв’язків між її молекулами. Ця взаємодія зумовлює високі температури плавлення та кипіння води порівняно з іншими сполуками подібної будови. Також водневі зв’язки формують ажурну кристалічну структуру льоду, що робить його густину меншою за густину рідкої води.

Відшукайте в інтернеті температуру кипіння метану та порівняйте її з температурою кипіння води.

Температура кипіння метану $CH_4$ становить приблизно $-161{,}5~^\circ\text{C}$, тоді як вода $H_2O$ кипить за температури $+100~^\circ\text{C}$. Попри те, що відносні молекулярні маси цих речовин майже однакові ($M_r(CH_4) = 16$, $M_r(H_2O) = 18$), температура кипіння води на $261{,}5$ градуса вища, що пояснюється наявністю водневих зв’язків між молекулами води.

Спробуйте пояснити, чому між молекулами метану не утворюються водневі зв’язки, хоча ковалентний зв’язок С–Н є полярним. Скористайтеся моделлю молекули $CH_4$.

Водневі зв’язки між молекулами метану не утворюються, оскільки електронегативність Карбону недостатньо висока (порівняно з Оксигеном або Флуором), щоб створити на атомах Гідрогену значний позитивний заряд. Крім того, молекула метану $CH_4$ має симетричну тетраедричну будову, через що вектори полярності зв’язків $C-H$ взаємно компенсуються, і молекула в цілому є неполярною.

ВИКОНАННЯ ЗАВДАНЬ ПАРАГРАФА

За даними таблиці побудуйте графік залежності температур плавлення цих сполук від значень їхніх відносних молекулярних мас і прокоментуйте його.

Для побудови графіка використано такі координати ($M_r$; $t^\circ_{\text{пл}}$): $H_2O$ $(18; 0)$, $H_2S$ $(34; -85{,}6)$, $H_2Se$ $(81; -65{,}7)$, $H_2Te$ $(130; -51)$. Графік демонструє закономірне зростання температури плавлення для сполук $H_2S$, $H_2Se$ та $H_2Te$ зі збільшенням їхньої молекулярної маси. Однак точка для води $H_2O$ різко випадає з цієї тенденції: маючи найменшу молекулярну масу, вода має найвищу температуру плавлення.

Про що свідчить цей графік?

Цей графік ілюструє аномальні фізичні властивості води, які неможливо пояснити лише зміною молекулярної маси. Висока температура плавлення льоду порівняно зі сполуками Гідрогену з іншими елементами VI групи свідчить про наявність додаткової сильної міжмолекулярної взаємодії — водневого зв’язку.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про особливості будови молекули води, водневий зв’язок і його вплив на фізичні властивості води.

1. Молекула води є полярною (диполем), оскільки електронегативний атом Оксигену зміщує до себе спільні електронні пари, а молекула має кутову будову.
2. Між атомами Гідрогену однієї молекули та атомом Оксигену іншої виникає водневий зв’язок.
3. Цей зв’язок спричиняє аномально високі температури плавлення та кипіння води.
4. У твердому стані (лід) водневі зв’язки фіксують молекули нещільно, утворюючи порожнини, через що лід має меншу густину, ніж рідка вода.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям.

Чому життя у водоймах взимку зберігається, навіть якщо температура повітря опускається значно нижче нуля, і водойма вкривається кригою?

Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Повна та науково обґрунтована відповідь повинна враховувати, що завдяки водневим зв’язкам лід має меншу густину за рідку воду. Тому він не тоне, а утворює на поверхні ізоляційний шар, який захищає товщу води від промерзання, зберігаючи життя водним організмам.

Поясніть, чому ваша оцінка саме така.

Оцінка базується на повноті пояснення причинно-наслідкових зв’язків: від будови молекули (водневий зв’язок) до макроскопічних властивостей (густина льоду) та їхнього значення для природи.

ПЕРЕВІРМО СЕБЕ

374. Поясніть, чому молекула води є полярною.

Молекула води є полярною, тому що атом Оксигену має значно більшу електронегативність, ніж атоми Гідрогену, і зміщує спільні електронні пари у свій бік. Оскільки молекула має кутову форму, центри позитивних і негативних зарядів не збігаються, що перетворює молекулу на електричний диполь.

375. Прокоментуйте утворення водневого зв’язку у воді та льоді.

У рідкій воді водневі зв’язки постійно руйнуються та утворюються знову внаслідок теплового руху молекул. У льоді ці зв’язки стають стабільними та фіксують кожну молекулу води в оточенні чотирьох інших, утворюючи структуру з порожнинами. Це пояснює меншу густину льоду порівняно з рідкою водою.

376. Іноді кажуть, що водневий зв’язок коректніше називати гідрогеновим зв’язком. На чому ґрунтується ця думка?

Така думка ґрунтується на сучасній хімічній номенклатурі, згідно з якою елемент $H$ називається Гідроген. Оскільки цей тип зв’язку утворюється за безпосередньої участі атомів цього елемента, термін «гідрогеновий зв’язок» є термінологічно точнішим.

ПОМІРКУЙМО

377. Зобразіть поряд графічні формули двох молекул амоніаку та позначте водневий зв’язок між цими частинками. Чому цей зв’язок є в рідкій і твердій речовині, але не утворюється в газуватому амоніаку?

Схема водневого зв’язку:
$\text{H}_2\text{N}{-}\text{H} \cdots :\text{NH}_3$
(три крапки позначають взаємодію між атомом Гідрогену однієї молекули та неподіленою електронною парою Нітрогену іншої).

Водневий зв’язок існує в рідкому та твердому станах, оскільки відстані між молекулами малі. У газуватому амоніаку відстані між молекулами значні, а енергія їхнього теплового руху перевищує енергію слабкого водневого зв’язку, тому стійкі асоціати не утворюються.

АНАЛІЗУЙМО

378. Графік, зображений на малюнку 93, свідчить про аномально високу температуру кипіння речовини HF порівняно з речовинами подібного складу і будови. Поясніть цей факт.

Аномально висока температура кипіння флуороводню ($HF$) пояснюється утворенням водневих зв’язків між його молекулами. Оскільки Флуор є найбільш електронегативним елементом, зв’язок $H-F$ є сильно полярним. Це зумовлює значну міжмолекулярну взаємодію, на руйнування якої під час кипіння витрачається більше енергії, ніж для $HCl$, $HBr$ чи $HI$.

У КОМАНДІ

379. За відомостями з інтернету з’ясуйте, яку температуру плавлення мав би лід, а яку температуру кипіння — вода в разі відсутності водневого зв’язку між молекулами. Який вигляд мала б тоді наша планета?

За відсутності водневих зв’язків (екстраполяція властивостей сполук $H_2E$) температура плавлення льоду становила б приблизно $-100~^\circ\text{C}$, а кипіння води — близько $-80~^\circ\text{C}$. У такому разі рідка вода на Землі не існувала б, океани випарувалися б, і життя в сучасній формі було б неможливим.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

380. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Водневий зв’язок — Hydrogen bond
• Полярність молекул — Molecular polarity
• Диполь — Dipole
• Електронегативність — Electronegativity
• Ковалентний полярний зв’язок — Polar covalent bond
• Електростатична взаємодія — Electrostatic interaction

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

381. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

Приклад заповнення таблиці самооцінювання: